基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法与流程

本发明涉及一种能源管理技术，特别涉及一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法。

背景技术：

如今，世界上无论是发达国家还是发展中国家所面临的挑战都是调节社会消费和可持续发展之间的矛盾。iea(国际能源署)的最新研究显示，大多数国家都在用自己的方式达到甚至是超越在巴黎协定中承诺的目标，按目前的进展，它可以有效地抑制由于使用化石能源产生的二氧化碳排放，但还不足以将温升控制在2摄氏度内。面对当前严峻的状况，中国研究人员和电力部门正在讨论通过特高压直流或交流电大规模传输可再生能源的可行性和必要性。中国国家电网提出了跨国电网互联的假设。此外，还有清洁替代和电能替代的“两个替代”国家战略。事实上，这个策略的目的是重建经济和环境友好型的终端能源消费结构，并确保能源开发过程比几十年前更清洁。但是，电能替代必须与经济水平和能源、电气制造的科学技术发展水平相一致，要讲求经济性和合理性，随着经济的发展，人民生活水平的提高，逐步实施，在可能的条件下提高全社会终端能源消费中的电力比重。随着电力工业的发展，电能的生产过程也将越来越经济，越来越清洁，电网的安全性、自动化水平将越来越高，这些都为电能替代提供了良好的支撑，保障了电力的供应。电能替代可以在很多方面得到应用，工业上越来越多的钢铁企业、陶瓷企业用电加热代替煤或油加热；生活上电饭煲、电磁炉、微波炉等电器得到了应用；交通上电气化铁路在快速发展，电动汽车在大力推广。在以后的发展过程中，电能会以自身的优越性而成为社会首选的能源，从而完成人类历史上的第三次能源替代。

chilesiii,j.h分析了长期以来电能使用与国民生产总值之间的相关性。在他的研究中，终端能源的变化主要体现在家里、商业建筑以及工厂设备及流程；电气设备饱和率、电能使用的利用率取决于电能的价格，价格又和化石能源的技术转让成本和可再生能源发电的发展直接相关。ismetugursal(1996)研究了在加拿大影响电气设备效率和住宅中终端能源消费上的燃料替代的因素，并通过不同系列的模拟发现了更换低效率电气设备能减少住宅能耗的巨大潜力。然后，研究小组为了建立住宅领域能源消耗评估模型提供了最新的建模技术，评估的技术经济影响采用能源效率和适应住宅应用的可再生能源技术。最新的研究表明，热电和电动汽车直接替代化石能源在终端能源的使用有助于大幅减少二氧化碳的排放。但是，电能替代需要一个过渡过程，如何在终端能源使用量固定的情况下适量的分配各能源的使用使之达到最优还没有相关文献。

技术实现要素：

本发明是针对能源消耗和能源发展需要更合理能源结构的问题，提出了一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，以可再生能源发电量最大和控制二氧化碳排放量为目标，求解各类能源恰当的电能替代量。

本发明的技术方案为：一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，量化分析不同种类的能源之间的替代效应，具体包括如下步骤：

1)、通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵，从而分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率；

2)、建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，

建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与co2排放强度的能源系统等式约束，还包括以co2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束；

该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解；

求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时修正成本与co2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化；

3)当双层目标优化模型用于短期工程中时，通过假设独立的参数代表部分经济和二氧化碳排放，设定短期工程时间差内的等式约束和不等式约束，将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解。

所述步骤1)分析不同种类的能源之间的替代效应，当两不同种类的能源结构改变时单位的终端能源提供同等效果代表等价替换，两种不同能源的价格取决于能源生成的绝对成本和相关的边际效应，替代效应方程如下：

式中的cx和cy表示两种能源的生产成本，而px和py代表两种能源的价格，等式的左侧部分取决于绝对成本，mux和muy是x和y的边际效应的缩写，由两者的能源终端利用效率ηx和ηy决定，能源终端利用效率包括生产-网络过程效率和网络-消费过程效率两部分。

本发明的有益效果在于：本发明基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，由于该方法是针对电能替代过程中能源分配与经济成本之间的不协调性而设计的，所以采用类能效函数和双层优化模型求解各类能源替代效应的最优情况。因此该方法能够兼顾环境影响及经济成本对替代能源进行分配，从而使得可再生能源发电量最大。迎合了我国“两个替代”战略，对电能替代进程起到积极影响。

附图说明

图1为本发明基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法流程图；

图2为本发明实施例中假设的两个不同的终端消费能源在不同效用水平下的替代关系示意图。

具体实施方式

如图1所示基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法流程图，步骤一：分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率，通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵来进行分析。步骤二：建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与co2排放强度的能源系统等式约束。还包括以co2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束。该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解。由于能源系统内电能替代的优化结果是事先未知的，求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时须适当修正成本与co2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化。步骤三：该模型在满足一定假设条件的前提下可以将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解。例如假设替代能源(清洁能源)使用的经济成本、排放成本、技术替代成本、环境替代成本之和严格小于被替代能源(化石能源)并且参数彼此独立时，则可进行简化处理。

实际的具体步骤为：

步骤一，首先，分析不同种类的能源之间的替代效应。根据现代经济学理论，两种不同能源的价格取决于能源生成的绝对成本和相关的边际效应。也就是说，当它们的结构发生改变或进行相互替代时，单位终端能源消费所需要的经济与环境成本以及所提供的效用是不相同的，拥有各自的相对比较优势。比如，为了维持交通的需要，用长寿命电池技术更换汽车的液体燃料，使用电动汽车将会导致节能的杠杆效应。替代效应方程如下：

式中的cx和cy表示两种能源的生产成本，而px和py代表两种能源的价格，等式的左侧部分取决于绝对成本。mux和muy是x和y的边际效应的缩写，由两者的能源终端利用效率ηx和ηy决定。

例如，示意图2中x和y是两个不同的终端消费能源，代表某一行业终端能源的数量，比如煤、电或油、电等组合。根据经济学中无差异曲线的定义可知，点‘abcdef’是五个在u效用水平下等可能的解决方案，即对该行业可实现不同能源输入组合下的等产出。显然，终端消费u在u1和u2之间，因为使用同等数量的x能源所对应的y能源使用数量更多，也意味着可以获得更高的产出水平或数量。

类比于汽车油井-车轮过程效率wtw(well-to-wheel)效率函数，本发明采用生产-消费过程效率ptc(production-to-consumption)来描述终端能源使用的效率。该ptc过程效率可以分为两个过程，被称为生产-网络过程效率pts(production-to-systemorproduction-to-storage)和网络-消费过程效率stc(system/storage-to-consumption)。其中网络即能源网络包含传输网络和能源储存两种主要形式，故能源系统的效率方程表示如下：

ηsector_ptc代表某些行业的ptc全过程效率，包括该行业的生产-网络过程效率ηsector_pts和该行业的生产-网络过程效率ηsector_stc。

ηsector_stc是由传输网络和能源储存ηsystem/storage和消费效率ηconsumption组成。

生产-网络过程效率ηsector_pts是由资源开发效率ηresourceextraction、能源加工效率ηproduction以及ηsystem能源网络传输效率组成。其中资源开采效率ηresourceextraction特指如石油、煤炭及天然气等矿藏类资源的开采效率，常用开采回采率、采收率来衡量该环节的效率水平。它类似于ηliquidfuel_wtw或ηelectricity_wtw，乘积形式是用来计算从生产到消费整个过程的效率。

步骤二，基于替代效应和整个过程效率的理论分析建立优化电力负荷消耗的模型。各行业能源关系和能源使用平衡方程式如下：

考虑到经济的发展，该方程可以写成下式：

式中，i，j表示不同行业和能源类型，eij代表i行业中j类能源的消费量，ηij代表i行业中j类能源的利用效率，c_sectori是一个常量，表示终端能源的消费量。δ表示相关的经济增长因素。

多目标优化的负荷模型专注于重建经济和环境友好的终端能源消费结构，是一种双层优化问题。主要的问题在于考虑二氧化碳排放的系统经济，而目标的子问题是选择可再生能源发电功率最大。一般目标函数可写为：

公式(5)的主要目标是终端能源成本最小化，由经济部分和二氧化碳排放部分构成。mij是一个描述经济成本的参数，nij是一个描述二氧化碳排放成本的参数。它们有一个一般形式，取决于δηij,δeij这个变化量表示效率和绝对消费的变化。此外αij、βij、λij和μij是函数因子，可以通过历史统计回归法确定，和用来消除统计数据的误差。其中lcoe(levelizedcostofenergy)平准化能源成本代表是一种寿命周期成本lcc(lifecyclecost)可通过参考全寿命现金流进行核算，具有一定的代表性，广泛运用在计算能源生产到消费整个过程。cdef(carbondioxideemissionfactor)指环节二氧化碳排放因数，即单位能耗的排放强度，该数据可进行标准化测算。

考虑到时间因素，终端使用净能源的平衡方程如下：

步骤三，当该模型用于短期工程中时，可以通过假设独立的参数代表部分经济和二氧化碳排放来简化为线性规划。原模型在满足一定假设条件的前提下可以将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解，例如当假设替代能源(清洁能源)使用的经济成本、排放成本、技术替代成本、环境替代成本之和严格小于被替代能源(化石能源)并且参数彼此独立时，则可进行简化处理。该模型简化的过程是：

式中，经济部分和二氧化碳排放成本被分成两个独立的参数。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。

为了消除相关性影响，优化的负荷模型应该在时间线内重新定义。完整形式如下：

式中：

约束条件：

其中约束条件依次代表各部门各类能源相互替代能量平衡等式约束，即规划年t的各部门各能源相互替代电量为t时与t-1时的能源消费量差值；第二个等式约束代表各部门各能源消费净负荷平衡等式，即规划年t的净能源消费量等于与经济发展相关的预测增长总量，其中效率参数对应于步骤一，能源消费矩阵值对应于步骤二。此外不等式约束条件主要考虑二氧化碳排放总量约束以及能源可开采量的技术约束，其中ω所有能源的总集合，ψ表示可再生替代能源集合，而φ表示传统化石m被替代能源集合。ε_co2^(t)表示规划年t的二氧化碳排放总量约束，由宏观政策控制排放总量确定。δj′则与成本与co2排放强度因数类似用于修正替代模型的边界以满足电能替代规划要求。而能源可开采量的技术约束由可再生能源累计装机量以及年度可利用预测量确定。