基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法與流程

2023-12-07 02:58:06 2

本發明涉及一種能源管理技術，特別涉及一種基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法。

背景技術：

如今，世界上無論是發達國家還是發展中國家所面臨的挑戰都是調節社會消費和可持續發展之間的矛盾。iea(國際能源署)的最新研究顯示，大多數國家都在用自己的方式達到甚至是超越在巴黎協定中承諾的目標，按目前的進展，它可以有效地抑制由於使用化石能源產生的二氧化碳排放，但還不足以將溫升控制在2攝氏度內。面對當前嚴峻的狀況，中國研究人員和電力部門正在討論通過特高壓直流或交流電大規模傳輸可再生能源的可行性和必要性。中國國家電網提出了跨國電網互聯的假設。此外，還有清潔替代和電能替代的「兩個替代」國家戰略。事實上，這個策略的目的是重建經濟和環境友好型的終端能源消費結構，並確保能源開發過程比幾十年前更清潔。但是，電能替代必須與經濟水平和能源、電氣製造的科學技術發展水平相一致，要講求經濟性和合理性，隨著經濟的發展，人民生活水平的提高，逐步實施，在可能的條件下提高全社會終端能源消費中的電力比重。隨著電力工業的發展，電能的生產過程也將越來越經濟，越來越清潔，電網的安全性、自動化水平將越來越高，這些都為電能替代提供了良好的支撐，保障了電力的供應。電能替代可以在很多方面得到應用，工業上越來越多的鋼鐵企業、陶瓷企業用電加熱代替煤或油加熱；生活上電飯煲、電磁爐、微波爐等電器得到了應用；交通上電氣化鐵路在快速發展，電動汽車在大力推廣。在以後的發展過程中，電能會以自身的優越性而成為社會首選的能源，從而完成人類歷史上的第三次能源替代。

chilesiii,j.h分析了長期以來電能使用與國民生產總值之間的相關性。在他的研究中，終端能源的變化主要體現在家裡、商業建築以及工廠設備及流程；電氣設備飽和率、電能使用的利用率取決於電能的價格，價格又和化石能源的技術轉讓成本和可再生能源發電的發展直接相關。ismetugursal(1996)研究了在加拿大影響電氣設備效率和住宅中終端能源消費上的燃料替代的因素，並通過不同系列的模擬發現了更換低效率電氣設備能減少住宅能耗的巨大潛力。然後，研究小組為了建立住宅領域能源消耗評估模型提供了最新的建模技術，評估的技術經濟影響採用能源效率和適應住宅應用的可再生能源技術。最新的研究表明，熱電和電動汽車直接替代化石能源在終端能源的使用有助於大幅減少二氧化碳的排放。但是，電能替代需要一個過渡過程，如何在終端能源使用量固定的情況下適量的分配各能源的使用使之達到最優還沒有相關文獻。

技術實現要素：

本發明是針對能源消耗和能源發展需要更合理能源結構的問題，提出了一種基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法，以可再生能源發電量最大和控制二氧化碳排放量為目標，求解各類能源恰當的電能替代量。

本發明的技術方案為：一種基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法，量化分析不同種類的能源之間的替代效應，具體包括如下步驟：

1)、通過輸入各行業能源消費量及其效率參數計算各類能源消費效率函數，用以輸出各行業能源淨負荷矩陣，從而分析不同種類的能源之間的替代效應，能量平衡約束和能源最終利用效率；

2)、建立電能替代能源結構優化模型並進行優化求解，

建立電能替代能源結構優化模型包括以能源淨負荷矩陣為基礎的初始化生長函數、估計行業能源消費成本與co2排放強度的能源系統等式約束，還包括以co2排放及經濟發展預期政策目標的能源系統不等式約束；

該雙層目標優化模型以電能替代規模最大為上層目標，總替代成本最小為下層目標，對此雙層目標優化模型進行求解；

求解過程中當不滿足總體的電能替代規劃要求時修正成本與co2排放強度因數，通過迭代生長函數對能源系統等式約束鬆弛，直到輸出結果滿足電能替代規劃要求結束優化；

3)當雙層目標優化模型用於短期工程中時，通過假設獨立的參數代表部分經濟和二氧化碳排放，設定短期工程時間差內的等式約束和不等式約束，將雙層目標優化模型簡化為單目標線性優化求解。

所述步驟1)分析不同種類的能源之間的替代效應，當兩不同種類的能源結構改變時單位的終端能源提供同等效果代表等價替換，兩種不同能源的價格取決於能源生成的絕對成本和相關的邊際效應，替代效應方程如下：

式中的cx和cy表示兩種能源的生產成本，而px和py代表兩種能源的價格，等式的左側部分取決於絕對成本，mux和muy是x和y的邊際效應的縮寫，由兩者的能源終端利用效率ηx和ηy決定，能源終端利用效率包括生產-網絡過程效率和網絡-消費過程效率兩部分。

本發明的有益效果在於：本發明基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法，由於該方法是針對電能替代過程中能源分配與經濟成本之間的不協調性而設計的，所以採用類能效函數和雙層優化模型求解各類能源替代效應的最優情況。因此該方法能夠兼顧環境影響及經濟成本對替代能源進行分配，從而使得可再生能源發電量最大。迎合了我國「兩個替代」戰略，對電能替代進程起到積極影響。

附圖說明

圖1為本發明基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法流程圖；

圖2為本發明實施例中假設的兩個不同的終端消費能源在不同效用水平下的替代關係示意圖。

具體實施方式

如圖1所示基於可再生能源電能替代效應的能源結構優化方法流程圖，步驟一：分析不同種類的能源之間的替代效應，能量平衡約束和能源最終利用效率，通過輸入各行業能源消費量及其效率參數計算各類能源消費效率函數，用以輸出各行業能源淨負荷矩陣來進行分析。步驟二：建立電能替代能源結構優化模型並進行優化求解，建立電能替代能源結構優化模型包括以能源淨負荷矩陣為基礎的初始化生長函數、估計行業能源消費成本與co2排放強度的能源系統等式約束。還包括以co2排放及經濟發展預期政策目標的能源系統不等式約束。該雙層目標優化模型以電能替代規模最大為上層目標，總替代成本最小為下層目標，對此雙層目標優化模型進行求解。由於能源系統內電能替代的優化結果是事先未知的，求解過程中當不滿足總體的電能替代規劃要求時須適當修正成本與co2排放強度因數，通過迭代生長函數對能源系統等式約束鬆弛，直到輸出結果滿足電能替代規劃要求結束優化。步驟三：該模型在滿足一定假設條件的前提下可以將雙層目標優化模型簡化為單目標線性優化求解。例如假設替代能源(清潔能源)使用的經濟成本、排放成本、技術替代成本、環境替代成本之和嚴格小於被替代能源(化石能源)並且參數彼此獨立時，則可進行簡化處理。

實際的具體步驟為：

步驟一，首先，分析不同種類的能源之間的替代效應。根據現代經濟學理論，兩種不同能源的價格取決於能源生成的絕對成本和相關的邊際效應。也就是說，當它們的結構發生改變或進行相互替代時，單位終端能源消費所需要的經濟與環境成本以及所提供的效用是不相同的，擁有各自的相對比較優勢。比如，為了維持交通的需要，用長壽命電池技術更換汽車的液體燃料，使用電動汽車將會導致節能的槓桿效應。替代效應方程如下：

式中的cx和cy表示兩種能源的生產成本，而px和py代表兩種能源的價格，等式的左側部分取決於絕對成本。mux和muy是x和y的邊際效應的縮寫，由兩者的能源終端利用效率ηx和ηy決定。

例如，示意圖2中x和y是兩個不同的終端消費能源，代表某一行業終端能源的數量，比如煤、電或油、電等組合。根據經濟學中無差異曲線的定義可知，點『abcdef』是五個在u效用水平下等可能的解決方案，即對該行業可實現不同能源輸入組合下的等產出。顯然，終端消費u在u1和u2之間，因為使用同等數量的x能源所對應的y能源使用數量更多，也意味著可以獲得更高的產出水平或數量。

類比於汽車油井-車輪過程效率wtw(well-to-wheel)效率函數，本發明採用生產-消費過程效率ptc(production-to-consumption)來描述終端能源使用的效率。該ptc過程效率可以分為兩個過程，被稱為生產-網絡過程效率pts(production-to-systemorproduction-to-storage)和網絡-消費過程效率stc(system/storage-to-consumption)。其中網絡即能源網絡包含傳輸網絡和能源儲存兩種主要形式，故能源系統的效率方程表示如下：

ηsector_ptc代表某些行業的ptc全過程效率，包括該行業的生產-網絡過程效率ηsector_pts和該行業的生產-網絡過程效率ηsector_stc。

ηsector_stc是由傳輸網絡和能源儲存ηsystem/storage和消費效率ηconsumption組成。

生產-網絡過程效率ηsector_pts是由資源開發效率ηresourceextraction、能源加工效率ηproduction以及ηsystem能源網絡傳輸效率組成。其中資源開採效率ηresourceextraction特指如石油、煤炭及天然氣等礦藏類資源的開採效率，常用開採回採率、採收率來衡量該環節的效率水平。它類似於ηliquidfuel_wtw或ηelectricity_wtw，乘積形式是用來計算從生產到消費整個過程的效率。

步驟二，基於替代效應和整個過程效率的理論分析建立優化電力負荷消耗的模型。各行業能源關係和能源使用平衡方程式如下：

考慮到經濟的發展，該方程可以寫成下式：

式中，i，j表示不同行業和能源類型，eij代表i行業中j類能源的消費量，ηij代表i行業中j類能源的利用效率，c_sectori是一個常量，表示終端能源的消費量。δ表示相關的經濟增長因素。

多目標優化的負荷模型專注於重建經濟和環境友好的終端能源消費結構，是一種雙層優化問題。主要的問題在於考慮二氧化碳排放的系統經濟，而目標的子問題是選擇可再生能源發電功率最大。一般目標函數可寫為：

公式(5)的主要目標是終端能源成本最小化，由經濟部分和二氧化碳排放部分構成。mij是一個描述經濟成本的參數，nij是一個描述二氧化碳排放成本的參數。它們有一個一般形式，取決於δηij,δeij這個變化量表示效率和絕對消費的變化。此外αij、βij、λij和μij是函數因子，可以通過歷史統計回歸法確定，和用來消除統計數據的誤差。其中lcoe(levelizedcostofenergy)平準化能源成本代表是一種壽命周期成本lcc(lifecyclecost)可通過參考全壽命現金流進行核算，具有一定的代表性，廣泛運用在計算能源生產到消費整個過程。cdef(carbondioxideemissionfactor)指環節二氧化碳排放因數，即單位能耗的排放強度，該數據可進行標準化測算。

考慮到時間因素，終端使用淨能源的平衡方程如下：

步驟三，當該模型用於短期工程中時，可以通過假設獨立的參數代表部分經濟和二氧化碳排放來簡化為線性規劃。原模型在滿足一定假設條件的前提下可以將雙層目標優化模型簡化為單目標線性優化求解，例如當假設替代能源(清潔能源)使用的經濟成本、排放成本、技術替代成本、環境替代成本之和嚴格小於被替代能源(化石能源)並且參數彼此獨立時，則可進行簡化處理。該模型簡化的過程是：

式中，經濟部分和二氧化碳排放成本被分成兩個獨立的參數。式(9)中sij、cij代表能源的使用成本，式(10)中aij、bij代表替代成本。

為了消除相關性影響，優化的負荷模型應該在時間線內重新定義。完整形式如下：

式中：

約束條件：

其中約束條件依次代表各部門各類能源相互替代能量平衡等式約束，即規劃年t的各部門各能源相互替代電量為t時與t-1時的能源消費量差值；第二個等式約束代表各部門各能源消費淨負荷平衡等式，即規劃年t的淨能源消費量等於與經濟發展相關的預測增長總量，其中效率參數對應於步驟一，能源消費矩陣值對應於步驟二。此外不等式約束條件主要考慮二氧化碳排放總量約束以及能源可開採量的技術約束，其中ω所有能源的總集合，ψ表示可再生替代能源集合，而φ表示傳統化石m被替代能源集合。ε_co2(t)表示規劃年t的二氧化碳排放總量約束，由宏觀政策控制排放總量確定。δj′則與成本與co2排放強度因數類似用於修正替代模型的邊界以滿足電能替代規劃要求。而能源可開採量的技術約束由可再生能源累計裝機量以及年度可利用預測量確定。