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【摘要】分布式能源以及清洁、节能、环保的特点，受到世界的广泛推广。分布式能源在降低线损、节能减排等方面存在经济效益。本文就降低线损效益与环境效益构建模型。算例分析结果表明，模型能定量化地反映分布式发电的线损效益和环境效益，合理规划的接入分布式能源能给系统带来显著的经济效益。
【关键词】分布式能源;线损效益;环境效益
1.引言
分布式发电（distributed generation，DG）作为一种环保、高效、灵活的发电方式正在受到全世界的关注。此外，由于分布式发电规模较小且靠近用户侧，为可再生能源发电的应用开辟了新的途径。为了共同应对全球气候变暖，各国都在大力发展分布式发电。
在我国，分布式发电以其发电方式灵活、能源利用效率高、环境污染小等优点日益成为传统电网的重要补充，并终将代替一些效率低下、污染严重的传统发电方式[1]。然而分布式发电所带来的环境效益至今没有得到价值体现。目前，国内外已有众多学者对DG的并网和调度技术等方面做了大量的研究，但关于DG经济效益的研究还较少[2-5]。文献[2、3]以最大限度减少系统线损为目标，研究了DG在系统中的最佳接入和运营方式，确定了其最优的出力比例、功率因数。在此基础上，本文将对分布式发电所带来的效益进行系统的量化计算，将分布式发电的效益分类为：降损效益和环境效益。文中将对分布式能源的经济效益构建模型，并进行算例分析。
2.DG的经济效益分析
分布式发电是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内、分布在负荷附近的清洁环保发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。分布式发电是区别于传统集中发电、远距离传输、大互联网络的发电形式。与集中式发电方式相比，分布式发电具有以下优势：
（1）一般DG实行自发自用，电力就地消化，减少运输成本，降低集中输配网中的线路耗损。
（2）污染物排放较少，部分DG实现零污染。
分布式能源的经济效益主要表现如表1所示。
（1）降低线损
传统集中输配电模式，由于存在线路电阻等原因，不可避免的会发生线损，系统线损与输配线路长度与电阻等情况相关。DG分布在负荷端，不需要集中输配，可以有效降低线损。当负荷需求较大时，DG的运行能够减少系统线损，而当负荷需求较小时，运行DG反而会增加线损。
（2）环境经济效益
DG的环境效益主要体现在排污量减少和资源的合理利用上。DG的燃料多为天然气、轻质油或可再生清洁能源，发电过程中SO2、NO2、CO2、粉尘、废水废渣的排放将明显减少。DG的电压等级较低，产生的电磁场较低，其电磁污染比传统的集中式发电要小得多。排污量的减少将大大降低电力企业以及全社会的环保支出，产生间接的经济效益。部分分布式发电技术的效率、成本及主要污染物排放数据见表1。
3.DG的经济效益模型
3.1 线损效益模型
假设集中负荷端和电源端之间的配电网长度为L，单位为km，线路单位长度电阻为r，单位为Ω/km。令流入集中负荷端的电流为IF，单位为A。假设DG接入点距集中电源端距离为K，DG注入系统的电流为ID，单位为A。集中电源与DG电源接入点之间单相线路流过的电流为IS，IS=IL-IDG。
分布式电源接入系统前，流入集中负荷端的电流为：
（1）
系统线损大小为：
（2）
系统接入分布式电源之后，DG 注入电网的电流大小为：
（3）
接入DG后，系统中的线损分为2个部分：一部分是由集中电源到DG接入点线路上的损耗，另一部分是由DG接入点到负荷端线路上的损耗。由于IS=IL-ID，因此集中电源端至DG接入点这段线路上的能量损耗为：
（4）
DG接入点到负荷端的能量损耗为：
（5）
由此可得，接入DG情况下的总线损为：
PlossDG=PlossDG1+PlossDG2 （6）
将式（2）与式（6）相减，得到2种情况下的线损减少量为：
ΔPloss=Ploss0=PlossD
= （7）
公式（7）表明，系统线损与DG接入系统位置及DG功率因素有关，为达到减少系统线损的目标，需科学合理制定DG接入位置。若式（7）结果为正，表示接入DG可以有效减少系统总线损;否则表示接入DG不能减少系统线损，会增加系统线损。
3.2 环境效益模型
系统接入DG之后，会给系统带来环境效益。计算环境效益主要考虑三种排放污染物：氮氧化合物、SO2和CO2。计算污染物排放量需要考虑两部分内容：
（1）由于DG接入系统中，取代其他污染较为严重的机组出力，从而减少这部分机组带来的环境污染。
（2）以天然气为燃料的DG和生物质发电出力时会产生一部分污染物。
本文将对减少污染物的排放量进行建模，设机组发电力过程生产n种排放物，则第k（k=1～n）种排放物的减少量为：
（8）
式中为时段t内集中电源侧发电过程中第k种排放物的减少量;和为不同类型发电机组的排放指标，kg/MWh。
设系统中接入m种使用不同燃料发电的分布式电源，这些分布式电源带来的气体排放物增加量为：
（9）
式中：Pm，t为t时段内第m种分布式电源提供的有功功率：
为第m种分布式电源的排放指标，kg/MWh。
因此，DG接入后，系统中第k种排放物的净减少量为： （10）
带来的环境成本节约大小为：
（11）
式中：
Vek为第k种排放物的环境价值，元/kg;Vck为减排第k种排放物所需要付出的单位成本，元/kg。
4.算例分析
假设T时段，市场内有4台火电机组和1台DG集中竞价。批发市场与集中负荷端相距35KM，接入系统的天然气为燃料的DG机组距离负荷端15MM。线路单位长度电阻为1.95Ω/km。其中，分布式发电输入的有功功率和无功功率分别为150MW和182Mvar，负荷端有功功率与无功功率分别为750MW和550Mvar。批发市场中，采取排队法确定机组组合，4台火电机组的报价策略如图1所示。
图1 台火电机组的报价曲线
根据以往经验，火电机组和天然气DG机组的气体排放强度如表2所示。
表2 火电机组和天然气DG机组的气体排放强度
项目 NOx SO2 CO2
火电机组（kg/MWh） 1.634 4.445 1008.788
以天然气为燃料的DG机组（kg/MWh） 1.199 0.005 563.41
排放费用（元/kg） 2 1.26 0.765
环境价值（元/kg） 8 6 0.023
将数值带入本文建立的线损效益模型得出，无天然气DG接入的系统线损为150MW，天然气DG接入后线系统损降为100MW。天然气DG接入之后线损降低了50MW，降低原系统线损的33.3%，结果表明，DG接入系统后，有效的降低了系统线损，具有良好的线损效益。
批发市场中，采用排队法确定无DG接入和有DG接入的机组竞价结果，中标机组组合和出力情况如表3所示。
表3 DG接入前后系统经济机组调度对比（单位/MW）
机组 无DG 有DG
机组1 170 150
机组2 300 250
机组3 250 200
机组4 180 150
从表3可得，系统接入天然气DG后，中标机组组合发生了变化，各机组出力情况也发生改变。机组1的经济调度出力由170MW减少到150MW，机组2的经济调度出力由300MW减少到250MW，机组3的发电出力由250MW减少到200MW，机组4的出力由180MW减少到150MW。同时，由于天然气DG的接入，中标机组组合情况变化导致竞价最终价格由230元/MW减少到210元/MW。计算得出接入DG之后系统线损效益为1.05万元。
下面计算接入天然气DG之后带来的环保效益。氮氧化物、SO2以及CO2的排放情况如表4所示。表中，接入天然气DG之后，氮氧化物、SO2以及CO2的排放量均有所下降，其中，氮氧化物的排放量下降20.69%、SO2的排放量下降20.72%，CO2的排放量下降。
表4 DG接入前后气体排放情况对比（单位：t）
排放气体 有DG 无DG 减少百分比
NOx 1.15 1.45 20.69%
SO2 2.64 3.33 20.72%
CO2 634.87 715.46 11.26%
根据上述气体排放情况变化，计算DG接入系统后的环保效益。环保效益用排放气体减少量乘以排放费用与环境价值之和。根据表3和表5的数据，得出氮氧化物、SO2和CO2的减排量分别为300、690和80590kg，对应的减排经济效益为3000、5009.4和63504.92元。总的环境支出减少7.151432万元，可见DG能够为系统带来显著的环境效益。
综上两种效益的计算结果表明，天然气DG接入系统后，线损降低50MW，对火电机组电力需求减少150MW，同时，由于DG接入系统，影响竞价结果，竞价最终价格由230元/MW减少到210元/MW。计算得到接入DG系统线损效益为1.05万元，环境效益为7.151万元，总计经济效益8.201万元。
5.结论
分布式能源接入系统之后，给系统带来良好的经济效益。本文建立了DG的线损效益和环境效益模型。并用4台火电机组和1台DG系统验证模型的正确性，算例得出，由于DG接入系统，系统线损降低33.3%，氮氧化物、SO2和CO2的排放量均有所下降，具有良好的线损效益和环保效益。根据本文构建的线损模型和环境模型，可为电力公司制定分布式能源提供参考建议。
参考文献
[1]胡骅，吴汕，夏翔，等.考虑电压调整约束的多个分布式电源准入功率计算[J].中国电机工程学报，2006，26（19）：13-19.
[2]Bell K，Quinonez V G，Burt G.Automation to maximize distributedgeneration contribution and reduce network losses[C].Smart Grids for Distribution IET-CIRED Seminar，Frankfurt，2008.
[3]Le A D T，Kashem M A，Negnevitsky M，et al.Optimal distributed generation parameters for reducing losses with economic.consideration[C].2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting，Tampa，FL，USA，2007.
[4]Ochoa L F，Padilha F A，Harrison G P.Evaluating distributedgeneration impacts with a multi-objective index[J].IEEE Trans on Power Delivery，2006，21（3）：1452-1458.
[5]Gullí F.Small distributed generation versus centralized supply：asocial cost-benefit analysis in the residential and service sectors[J].Energy Policy，2006，34（7）：804-832.
作者简介：琚艳芳（1990—），女，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生，主要从事电力技术经济研究。
【关键词】分布式能源;线损效益;环境效益
1.引言
分布式发电（distributed generation，DG）作为一种环保、高效、灵活的发电方式正在受到全世界的关注。此外，由于分布式发电规模较小且靠近用户侧，为可再生能源发电的应用开辟了新的途径。为了共同应对全球气候变暖，各国都在大力发展分布式发电。
在我国，分布式发电以其发电方式灵活、能源利用效率高、环境污染小等优点日益成为传统电网的重要补充，并终将代替一些效率低下、污染严重的传统发电方式[1]。然而分布式发电所带来的环境效益至今没有得到价值体现。目前，国内外已有众多学者对DG的并网和调度技术等方面做了大量的研究，但关于DG经济效益的研究还较少[2-5]。文献[2、3]以最大限度减少系统线损为目标，研究了DG在系统中的最佳接入和运营方式，确定了其最优的出力比例、功率因数。在此基础上，本文将对分布式发电所带来的效益进行系统的量化计算，将分布式发电的效益分类为：降损效益和环境效益。文中将对分布式能源的经济效益构建模型，并进行算例分析。
2.DG的经济效益分析
分布式发电是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内、分布在负荷附近的清洁环保发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。分布式发电是区别于传统集中发电、远距离传输、大互联网络的发电形式。与集中式发电方式相比，分布式发电具有以下优势：
（1）一般DG实行自发自用，电力就地消化，减少运输成本，降低集中输配网中的线路耗损。
（2）污染物排放较少，部分DG实现零污染。
分布式能源的经济效益主要表现如表1所示。
（1）降低线损
传统集中输配电模式，由于存在线路电阻等原因，不可避免的会发生线损，系统线损与输配线路长度与电阻等情况相关。DG分布在负荷端，不需要集中输配，可以有效降低线损。当负荷需求较大时，DG的运行能够减少系统线损，而当负荷需求较小时，运行DG反而会增加线损。
（2）环境经济效益
DG的环境效益主要体现在排污量减少和资源的合理利用上。DG的燃料多为天然气、轻质油或可再生清洁能源，发电过程中SO2、NO2、CO2、粉尘、废水废渣的排放将明显减少。DG的电压等级较低，产生的电磁场较低，其电磁污染比传统的集中式发电要小得多。排污量的减少将大大降低电力企业以及全社会的环保支出，产生间接的经济效益。部分分布式发电技术的效率、成本及主要污染物排放数据见表1。
3.DG的经济效益模型
3.1 线损效益模型
假设集中负荷端和电源端之间的配电网长度为L，单位为km，线路单位长度电阻为r，单位为Ω/km。令流入集中负荷端的电流为IF，单位为A。假设DG接入点距集中电源端距离为K，DG注入系统的电流为ID，单位为A。集中电源与DG电源接入点之间单相线路流过的电流为IS，IS=IL-IDG。
分布式电源接入系统前，流入集中负荷端的电流为：
（1）
系统线损大小为：
（2）
系统接入分布式电源之后，DG 注入电网的电流大小为：
（3）
接入DG后，系统中的线损分为2个部分：一部分是由集中电源到DG接入点线路上的损耗，另一部分是由DG接入点到负荷端线路上的损耗。由于IS=IL-ID，因此集中电源端至DG接入点这段线路上的能量损耗为：
（4）
DG接入点到负荷端的能量损耗为：
（5）
由此可得，接入DG情况下的总线损为：
PlossDG=PlossDG1+PlossDG2 （6）
将式（2）与式（6）相减，得到2种情况下的线损减少量为：
ΔPloss=Ploss0=PlossD
= （7）
公式（7）表明，系统线损与DG接入系统位置及DG功率因素有关，为达到减少系统线损的目标，需科学合理制定DG接入位置。若式（7）结果为正，表示接入DG可以有效减少系统总线损;否则表示接入DG不能减少系统线损，会增加系统线损。
3.2 环境效益模型
系统接入DG之后，会给系统带来环境效益。计算环境效益主要考虑三种排放污染物：氮氧化合物、SO2和CO2。计算污染物排放量需要考虑两部分内容：
（1）由于DG接入系统中，取代其他污染较为严重的机组出力，从而减少这部分机组带来的环境污染。
（2）以天然气为燃料的DG和生物质发电出力时会产生一部分污染物。
本文将对减少污染物的排放量进行建模，设机组发电力过程生产n种排放物，则第k（k=1～n）种排放物的减少量为：
（8）
式中为时段t内集中电源侧发电过程中第k种排放物的减少量;和为不同类型发电机组的排放指标，kg/MWh。
设系统中接入m种使用不同燃料发电的分布式电源，这些分布式电源带来的气体排放物增加量为：
（9）
式中：Pm，t为t时段内第m种分布式电源提供的有功功率：
为第m种分布式电源的排放指标，kg/MWh。
因此，DG接入后，系统中第k种排放物的净减少量为： （10）
带来的环境成本节约大小为：
（11）
式中：
Vek为第k种排放物的环境价值，元/kg;Vck为减排第k种排放物所需要付出的单位成本，元/kg。
4.算例分析
假设T时段，市场内有4台火电机组和1台DG集中竞价。批发市场与集中负荷端相距35KM，接入系统的天然气为燃料的DG机组距离负荷端15MM。线路单位长度电阻为1.95Ω/km。其中，分布式发电输入的有功功率和无功功率分别为150MW和182Mvar，负荷端有功功率与无功功率分别为750MW和550Mvar。批发市场中，采取排队法确定机组组合，4台火电机组的报价策略如图1所示。
图1 台火电机组的报价曲线
根据以往经验，火电机组和天然气DG机组的气体排放强度如表2所示。
表2 火电机组和天然气DG机组的气体排放强度
项目 NOx SO2 CO2
火电机组（kg/MWh） 1.634 4.445 1008.788
以天然气为燃料的DG机组（kg/MWh） 1.199 0.005 563.41
排放费用（元/kg） 2 1.26 0.765
环境价值（元/kg） 8 6 0.023
将数值带入本文建立的线损效益模型得出，无天然气DG接入的系统线损为150MW，天然气DG接入后线系统损降为100MW。天然气DG接入之后线损降低了50MW，降低原系统线损的33.3%，结果表明，DG接入系统后，有效的降低了系统线损，具有良好的线损效益。
批发市场中，采用排队法确定无DG接入和有DG接入的机组竞价结果，中标机组组合和出力情况如表3所示。
表3 DG接入前后系统经济机组调度对比（单位/MW）
机组 无DG 有DG
机组1 170 150
机组2 300 250
机组3 250 200
机组4 180 150
从表3可得，系统接入天然气DG后，中标机组组合发生了变化，各机组出力情况也发生改变。机组1的经济调度出力由170MW减少到150MW，机组2的经济调度出力由300MW减少到250MW，机组3的发电出力由250MW减少到200MW，机组4的出力由180MW减少到150MW。同时，由于天然气DG的接入，中标机组组合情况变化导致竞价最终价格由230元/MW减少到210元/MW。计算得出接入DG之后系统线损效益为1.05万元。
下面计算接入天然气DG之后带来的环保效益。氮氧化物、SO2以及CO2的排放情况如表4所示。表中，接入天然气DG之后，氮氧化物、SO2以及CO2的排放量均有所下降，其中，氮氧化物的排放量下降20.69%、SO2的排放量下降20.72%，CO2的排放量下降。
表4 DG接入前后气体排放情况对比（单位：t）
排放气体 有DG 无DG 减少百分比
NOx 1.15 1.45 20.69%
SO2 2.64 3.33 20.72%
CO2 634.87 715.46 11.26%
根据上述气体排放情况变化，计算DG接入系统后的环保效益。环保效益用排放气体减少量乘以排放费用与环境价值之和。根据表3和表5的数据，得出氮氧化物、SO2和CO2的减排量分别为300、690和80590kg，对应的减排经济效益为3000、5009.4和63504.92元。总的环境支出减少7.151432万元，可见DG能够为系统带来显著的环境效益。
综上两种效益的计算结果表明，天然气DG接入系统后，线损降低50MW，对火电机组电力需求减少150MW，同时，由于DG接入系统，影响竞价结果，竞价最终价格由230元/MW减少到210元/MW。计算得到接入DG系统线损效益为1.05万元，环境效益为7.151万元，总计经济效益8.201万元。
5.结论
分布式能源接入系统之后，给系统带来良好的经济效益。本文建立了DG的线损效益和环境效益模型。并用4台火电机组和1台DG系统验证模型的正确性，算例得出，由于DG接入系统，系统线损降低33.3%，氮氧化物、SO2和CO2的排放量均有所下降，具有良好的线损效益和环保效益。根据本文构建的线损模型和环境模型，可为电力公司制定分布式能源提供参考建议。
参考文献
[1]胡骅，吴汕，夏翔，等.考虑电压调整约束的多个分布式电源准入功率计算[J].中国电机工程学报，2006，26（19）：13-19.
[2]Bell K，Quinonez V G，Burt G.Automation to maximize distributedgeneration contribution and reduce network losses[C].Smart Grids for Distribution IET-CIRED Seminar，Frankfurt，2008.
[3]Le A D T，Kashem M A，Negnevitsky M，et al.Optimal distributed generation parameters for reducing losses with economic.consideration[C].2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting，Tampa，FL，USA，2007.
[4]Ochoa L F，Padilha F A，Harrison G P.Evaluating distributedgeneration impacts with a multi-objective index[J].IEEE Trans on Power Delivery，2006，21（3）：1452-1458.
[5]Gullí F.Small distributed generation versus centralized supply：asocial cost-benefit analysis in the residential and service sectors[J].Energy Policy，2006，34（7）：804-832.
作者简介：琚艳芳（1990—），女，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生，主要从事电力技术经济研究。