区域可再生能源规划模型述评与展望

  0 引言

 

  当前，在我国能源生产和能源消费结构中，常规能源所占比重均超过九成[1-2]。能源资源的过度消耗导致不可再生化石能源供给能力的不断衰减，过度依赖常规能源造成的环境污染问题也日益严重[3]。

 

  我国丰富的风能、水能、太阳能、海洋能以及生物能等可再生能源具有发展电力的潜在优势[4]。在逐渐形成的以大型集中式发电和分布式发电相结合的第3 代电网中，非化石能源发电的比例将会有较大提高[5]。可再生能源规划作为发展中的一个基础环节，对整个可再生能源优化、有序、高效地发展起着重要作用[6]。文献[7]研究认为，区域可再生能源规划是落实国家可再生能源规划主体的重要环节，进行区域可再生能源规划对落实国家可再生能源规划、实施可再生能源重点发展领域、项目实施优先布局及制定相关政策具有重要的理论与应用价值。

 

  通过研究，文献[7]提出一种区域可再生能源规划模型框架，该框架中资源评价模型是基础，可再生能源规划模型是核心，2 者分别给出所研究区域的可再生能源资源量以及在给定资源分布、能源需求和政策情景下的区域可再生能源发展目标和结构，规划评价模块则对规划的优劣性进行评价。

 

  科学合理地制定能源规划是解决能源问题的有效前提和基础，而可再生能源规划、电力规划是能源规划中非常重要的专项规划，区域能源规划是落实国家能源规划主体的重要环节，将3 者相结合进行研究，有利于充分利用我国丰富的可再生能源资源、推动节能减排进程、提高电源结构低碳化程度、促进智能化绿色电力的发展。

 

  本文对目前国内外集成结构能源模型及其现状进行了综述，指出了存在的一些问题及未来发展方向，旨在为科学合理地制定能源规划提供参考。

 

  1.3 基于自下而上角度的能源规划模型

 

  基于自下而上角度的能源规划模型中，

 

  MARKAL 模型和LEAP 模型应用较为广泛，

 

  MESSAGE 模型在上世纪90 年代也得到一定范围的应用.

 

  1 区域可再生能源规划模型研究现状

 

  1.1 能源规划模型发展过程简述

 

  在能源系统分析中，定性方法具有主观局限性且不可重复，定量方法的完全客观抽象则与真实结果出入较大，而能源模型的研究则能客观真实地模拟能源系统。

 

  能源系统模型经过独立的能源模型、大规模的能源模型系统及人机交互的能源模型系统3 个发展阶段，目前已取得大量研究成果，形成了数据外推系统模型和集成结构模型2 大类。数据外推系统模型不直接研究经济系统的相互作用和平衡规律，而仅仅根据数据之间的相关关系进行外推；集成结构模型则综合考虑经济能源系统各种变量之间的相互关系，采用经济学和能源学的规律建立模型。其中，集成结构模型的应用更为方便、范围更广。

 

  1.2 能源规划集成模型

 

  在能源规划模型研究方面，国内外有2 种典型的建模角度[8-9]，即自上而下(top-down)的宏观经济角度和自下而上(bottom-up)的工程角度。按照起源、研究内容、研究方法、模型功能、研究层面、建模方法对能源规划模型可进行分类[10-12]，如表1 所示。

 

  当前国内外常用的区域可再生能源规划模型基本上是延用能源规划模型或者国家规划模型，包括能源市场分配(market allocation，MARKAL)模型、长期能源替代规划系统(long-range energyalternatives planning system，LEAP)模型、能源供应战略方案及其环境综合影响(model of energy supplystrategy alternatives and their general environmentalimpacts，MESSAGE)模型、亚洲气候变化综合评价模型(AIM，也称亚太地区温室气体综合评价模型)、清洁能源项目分析软件(RETScreen)等；另一类为针对电力领域的能源规划模型，主要是可再生电力混合优化模型(hybrid optimization model for electricrenewables，HOMER)。文献[7]对MARKAL、LEAP、MESSAGE、AIM 和RETScreen 模型的开发者、用途、基本原理及模型优缺点进行了简要的对比，本节则从模型的结构入手，对国内外应用相对较广的模型进行综述。

 

  MARKAL 和MESSAGE 模型是动态线性规划

 

  模型，LEAP 模型是基于情景分析的能源?环境模型工具，3 者进行能源规划的方法不同，但都是基于自下而上的工程角度的，这就使得它们能够描述底层技术经济微观变化引起的综合效应，却不能反映资源、经济的相互关系，也不能做出对一般经济和非技术市场要素的反馈[17,26]。

 

  1.4 混合能源模型结构及其应用

 

  1.4.1 混合能源模型概述

 

  仅从单一的自上而下或者自下而上的角度建模

 

  的方法，不能进行经济与技术的综合分析。当模型的结构性较强且设计有外部接口时，才能与外部经济或技术模型相结合，进而在能源规划中综合考虑经济、技术因素。因此，既包括自上而下宏观经济模型又包括自下而上能源供应及需求模型的混合能源模型(mixed energy model)得到进一步的研究[10,12]。

 

  较具代表性的混合能源模型有：IIASA?WEC

 

  能源? 经济? 环境模型(the IIASA-WEC EnergyEconomic Environment，IIASA-WEC E3)、中国能源环境政策综合评价模型(integrated policy

 

  assessment model for China，IPAC)[41-42]、能源系统长期前景规划模型(prospective outlook on long-termenergy systems，POLES)、国家能源模型(the nationalenergy modeling systems，NEMS)、RETScreen 模型以及HOMER 模型[43-44]。IPAC 模型自1992 年着手研发，完成了从能源模型不断向能源、经济和环境综合模型完善的过程，也得到了相对较广泛的应用。HOMER 模型于2000 年2 月14 日发布第1 代软件初始版本HOMER Original Version 1.0 后迅速在全球范围内得到应用，目前在可再生电力能源规划中已成为应用最为广泛的优化模型。

 

  IIASA-WEC E3模型由SCENARIO GENERATOR

 

  (SG)、RAINS、MESSAGE、MACRO、BLS、MAGICC、GCM 和Soft-Linking and Scenario Definition andEvaluation 等子模型组成[12,38]。子模型可以单独使用，也可组合使用。文献[45]利用SG、MESSAGE、MACRO 和MAGICC 模型的组合，采用场景分析

 

  法进行了全球温室气体排放及能源消费结构的研究。文献[46-47]单独采用RAINS 模型，分别对东欧的经济结构和能源效率、中国和印度等亚洲国家的可再生能源发展潜力及污染物排放成本进行了研究，制定了相应的污染物减排策略。

 

  POLES 模型的多个子模块相互连接、多层嵌套，能够描述全球范围内不同地区的能源需求、供应及价格的协调发展，在油气资源的相关仿真中应用较多[12,48]。文献[49-50]应用POLES 分别在实行碳排放交易的经济潜力、世界能源需求预测方面做了分析。

 

  与IIASA-WEC E3 模型、POLES 模型相似，

 

  NEMS 模型也是由多个子模块组合而成[13]，各子模块独立实行不同的功能。文献[51]结合场景分析方法，将NEMS 模型应用于美国电力发展的政策制定与选择中，分析了温室气体及其它大气污染物对环境的影响。

 

  1.4.2 中国能源环境政策综合评价模型(IPAC)

 

  IPAC 主要包括能源与排放模型、环境模型和

 

  影响模型3 个部分，由IPACSGM、IPAC-Material、IPAC-e、IPAC-TIMER、IPAC-tech、IPAC-Message、IPAC-AIM、IPAC-AIM/Local、IPAC-air、

 

  IPAC-Climate、IPAC-Health、IPAC-Water 共12 个子模块组成[42 ]，各子模块可单独使用。IPACAIM/Local 区域模型的结构如图4 所示。文献[14]

 

  以北京市能源环境对策为例，采用IPAC-AIM/Local区域能源环境综合评价模型，综合考虑技术现状及发展前景、环境保护政策以及经济发展等因素，量化分析了节能减排技术所能产生的本地环境效应及对全国范围气候变化政策的影响。在能源需求不断增长以及节能减排的影响下，许多学者将IPAC模型或其子模块应用到了交通[52]、石油[53]、电力[54]、环境保护[55]等各方面，研究能源与经济、环境的相互影响，推动低碳化经济、技术发展，提供政策措施支持[56]。文献[54]以中国电力工业的发展及其污染物排放控制现状为蓝本，构建了电力温室气体减排评价模型，对电力行业2010—2050 年最优技术路线进行计算和预测，给研究电力行业温室气体排放控制的机构提供了参考方案。

 

  1.4.3 HOMER 模型

 

  HOMER 是由美国可再生能源实验室(National

 

  Renewable Energy Laboratory，NREL)着手研发的可再生能源混合发电经济?技术?环境优化分析计算模型，并开发了相应软件。

 

  HOMER 以净现值成本(net present cost，NPC)，即可再生能源混合发电系统在其生命周期内的安装和运行总成本，为基础模拟不同可再生能源系统规模、配置[43-44,57-69]，在一次计算中能同时实现仿真、优化和灵敏度分析3 种功能。其优化和灵敏度分析算法，可以用来评估系统的经济性和技术选择的可行性，可以考虑技术成本的变化和能源资源的可用性[69]。它能够模拟系统的运行过程，提供全年每小时各种可再生能源发电量及系统电力平衡情况；能够详细计算系统全年燃料、环境、可靠性、电源、电网等各项成本；能给出不同限制条件下的最优化可再生能源发电规划方案。其计算原理、结构示意图分别如图5、6 所示。

 

  HOMER 在计算时，建立为期1 a、步长为1 h

 

  的模型来模拟每一组系统配置，该步长小到足以跟踪负载波动以及可再生资源统计特性的变化，但是却不影响计算速度；其详细的计算结果可以提供全年可再生能源系统性能分析[59]。

 

  HOMER 模型适用范围较广，无论系统规模大小

 

  都可应用[44]，目前已在城市[58]、海岛[60-61]、村庄[62-64]、社区[66]、住宅[67-68]等规模下的可再生能源规划及电网优化设计[69]中得到应用。

 

  文献[58]选择澳大利亚境内3 个气候、地理位

 

  置各不相同的中小规模旅游城市进行可再生能源规划研究，采用了光伏发电与柴油机发电配合的策略，并以净现值成本、可再生能源比例和投资回收期为标准对设计的规划方案做了评估.

 

  文献[60]以希腊的基斯诺斯岛为例，分别以燃

 

  料电池、电解槽、H2 储能组合和柴油机、光伏发电、储能电池组合作为供电系统进行了海岛能源规划。

 

  计算的经济-环境指标均表明，可再生能源的引入能够降低对化石能源的依赖程度，大幅减少购买燃料的经济成本，优化环境效益。文献[61]对希腊的喀帕苏斯岛进行了可持续发展的能源规划，所设计的电网运行于孤岛模式，涵括了柴油机、风机、光伏、电解槽等4 种发电形式，配备逆变器和储能装置，并对引入H2 储能对系统的影响做了分析。

 

  文献[62]对加拿大北部建有约300 个社区的村

 

  庄，分析了可再生能源供电的潜力，在原来柴油机发电的基础上增加了风力发电，大量减少柴油消耗、CO2 排放及资金投入。

 

  文献[63]以阿拉斯加较偏远的村庄Lime 为研

 

  究对象，用HOMER 分析了同时设有光伏发电、储能装置以及柴油机发电的供电系统的经济和环境效益，并用MATLAB Simulink 建立了一个经济-环境优化模型进行仿真，比较二者计算结果发现经济、环境指标的区别很小，仅在储能电池的相关结果中有区别，而这是由电池充放电阈值设定不同引起的。文献[64]将研究对象的地域范围做了扩大，在印度Uttarakhand 州的阿尔莫拉区，对7 个村庄进行了供电能源规划和设计，并与the LINGO

 

  software 的结果进行了比较。

 

  文献[67]以位于澳大利亚皇后岛上的亚热带沿

 

  海地区大型观光酒店为例进行了能源规划及优化设计，与HYBRIDS 的计算结果进行了比较后发现二者的净现值成本可相比拟。文献[68]以HOMER为工具，以几个家庭或者几栋建筑为对象，构建了完全依靠可再生能源供能的系统，成为不消耗化石能源的“零能源之家”(zero energy home)。

 

  1.4.4 RETScreen 模型

 

  RETScreen 模型是用以评估一些可再生能源技术的能源生产、寿命周期成本和温室气体排放减少程度的标准化的、完整的可再生能源计划分析模型[70-73]，其中可再生能源包括了风能、小水电、光伏、燃料电池、热电联产、太阳能采暖供热、地热能以及海洋能等。与HOMER 模型类似，RETScreen 模型在结构上设置了系统参数、资源条件和其它参数等模块，如图7 所示，只是2 个模型在各模块中涉及的参数有所区别。此外，RETScreen 以美国国家航空航天局(NASA)的全球卫星太阳能数据为基础开发了一种新的全球气候数据库[70]，节省了大量成本，增加了对潜在的可再生能源进行评估的可行性。

 

  1.5 混合能源模型的比较

 

  IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 模型

 

  具有如下共同特点：1）基于线性规划理论；2）能源、经济、供应、转化、需求、社会、环境等功能在相应的独立子模块中实现；3）子模块相互连接、多层嵌套构成；4）自上而下和自下而上的模型间的供需平衡、数据传递由集成模块完成；5）模块之间相互联系、相互影响；6）多针对全球、国家或区域范围进行研究；7）规划软件的约束条件为经济和社会因素。因此，IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 等混合能源模型虽然在以电力为对象的能源规划中也有一些应用，但所得规划结果多为较宏观地描述经济、社会因素的指标值。

 

  RETScreen 模型中虽然能够进行完整的可再生能源规划分析，但在规划中通常只能考虑一种可再生资源发电形式。

 

  HOMER 模型在结构上由能源组件模型、资源模型等组成，能源、经济、供应、转化、需求、社会、环境等功能统一实现，而不是在独立子模块中完成；不仅能够输出技术可行的最优化规划方案，还能模拟系统的运行过程，提供全年每小时各种可再生能源发电量及系统电力平衡情况；能够提供每个组件每小时的能量流动以及成本、性能的年度情况；能提供经济最优化条件下，各组件参数输入值的指导量；约束条件不仅包括经济、环境条件，也包括供电可靠性和资源可获得量等约束条件。因此，HOMER 模型在近几年国外的区域可再生电力能源规划或者规模更小的村庄、社区、住宅的能源规划及优化设计中得到了较为广泛的应用，其仿真优化结果能为发展规划的制定、技术措施的实施提供有力的信息支持和指导意见，但在其研究对象的规模方面还有待更深入的探索。

 

  2 启示与展望

 

  2.1 启示

 

  通过可再生能源规划模型对比及应用研究发现：

 

  1）目前在可再生能源规划模型基本框架方面的研究还较少，框架的模块内容尚未有标准可依，从而也导致了模型的系统性和友好性较差。

 

  现有基本框架不能较明晰地反映不同规模研究对象、不同行业等方面的特点。

 

  现有基本框架模块的输入数据量较大，统计数据的严重缺失成为阻碍能源规划研究有效进行的一个重要问题；同时，较多重要规划参数的人工确定缺乏相关方法的支撑。

 

  2）在已有的可再生能源规划模型中，所包含的可再生资源种类较少，以当前开发技术较为成熟的水能、风资源和太阳能资源较多。

 

  我国可再生能源种类及储量丰富，开发利用风能、太阳能、水能、海洋能、生物质能、地热能等储量丰富的可再生能源，开发氢能、天然气水合物、核聚变等新型能源对保障国家能源安全有着重要意义，因此，海洋能、生物质能、地热能等可再生能源的相关模型亟待建立。

 

  3）多种能源形式的组合更有利于提高能源综合利用效率，仅能考虑单一能源类型的规划模型在实践中受到很大限制。

 

  基于单一角度的能源规划模型需要与其它模型相结合最终完成经济、技术的综合考量，降低了模型的实用性；而混合能源模型恰能弥补这一缺点，在能源规划中应用将更为广泛。

 

  4）当前大多数可再生能源规划模型较为宏观，往往是寻求给定技术条件下的最优能源结构及发展目标，从规划的输出结果中能获取的可执行规划方案不够具体，对技术实施方案的指导性不足；而相对较具体的规划模型，其规划目标多为在给定技术和资源条件下的经济性最优；这些模型都缺乏对技术形式的具体指导。

 

  2.2 展望

 

  可再生能源规划能够为可再生能源发展提供发展方向和思路，因此，需要进一步提高研究、开发、使用能源规划模型解决能源规划、布局问题必要性和重要性的认识。解决能源可持续发展问题的迫切需求将会促进可再生能源规划模型的迅速发展。从目前的研究情况来看，未来可再生能源规划模型在以下几个方面将得到更为深入的研究：

 

  1）为更有效地开发海洋能、生物质能、地热能等可再生能源以及氢能、天然气水合物、核聚变等新型能源，能源规划模型中必将涵括这些形式的能源模型，因此，模型中可再生能源种类将更为丰富，合理的、有参考价值的规划结果将有利于可再生能源的开发利用走出实验室阶段，加速其商业化进程。

 

  2）可再生能源规划模型功能将继续得到优化，具备多种能源形式统一协调规划功能的能源规划模型将得到更长足的发展，能综合考虑经济、环境、技术等方面因素的混合能源模型功能将得到优化。

 

  3）有必要在可再生能源规划模型的优化目标中增加对技术形式的考量，这样规划结果就不仅仅是经济性最优，同时也对应用各种新技术带来的效益进行了优劣排序，提高能源规划结果的可实现性以及对技术实施方案的指导性，从而促进能源技术的研发，为能源可持续发展战略提供技术保障和可实现性。

 

  4）合理有效评估可再生资源储量的方法有待深入研究，仍需对现有资源评估方法进行优化以减小评估误差，并最终在可再生能源规划模型中应用这些先进的方法，为能源规划奠定良好基础。

 

  5）我国统计年鉴的数据结构需要进一步得到完善，各项统计指标的历史资料需要有效得到保存，以解决能源规划中可再生能源统计数据严重缺失的问题；需要建立可再生能源相关指标统计的标准体系，完善区域级甚至国家级指标的统计，并研究这些指标的综合处理方法以保证能源规划的客观性，使得各级可再生能源规划的结果更合理、更有指导意义，最终落实国家可再生能源规划，为实施可再生能源重点发展领域、项目实施优先布局及制定相关政策提供重要的理论与应用参考。

 

  6）应当结合我国可再生能源资源、开发、利用的特点，研究开发适应于我国能源特点的国产化模型和软件，这也是当前我国可再生能源规划面临的一项重要任务。

 

  为更有效地进行能源规划，更好地发挥能源规划对国家能源战略制定、推动科学技术发展方面的作用，如何更合理地构建能源规划模型框架、实现模型功能还需要国内外专家学者进行更深入的探讨。

 

  3 结论

 

  在对可再生能源资源进行评价的基础上，结合区域自身资源优势和特点，考虑未来可再生能源技术发展的特征，制定不同时期各种可再生能源的激励政策及发展目标，进行可再生能源规划对能源安全有着重大意义。

 

  本文对目前国内外应用于能源规划研究的集成结构模型及其现状进行了综述，重点总结了混合能源模型的结构，旨在为顺利进行可再生能源规划提供参考。

 

  基于线性规划理论的IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 等混合能源规划模型能在独立子模块中分别实现能源、经济、供应、转化、需求、社会、环境等功能；在以电力为对象的应用研究中还需要进一步深入研究。专属电力领域的可再生能源发电优化模型HOMER能同时考虑经济与技术因素，统一实现能源、经济、供应、转化、需求、社会、环境等功能，进行区域能源规划研究；但在较广阔区域能源规划的应用上有待深入。

 

  可再生能源发电技术的发展为更充分、更合理开发潜力巨大的可再生资源提供了技术基础。为了发挥可再生能源发电在实现能源、经济、环境综合可持续发展中的积极效应，进行区域可再生电力能源规划研究有着重要的理论与应用价值。