胡開拓　柳瑞禹

摘要：基于分布式發(fā)電技術(shù)而形成的綜合能源系統(tǒng)，具有低碳、環(huán)保、能量利用效率高的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的巨大的外部效益與社會影響卻鮮有規(guī)范的評價(jià)體系。因此本文從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會三個(gè)方面對綜合能源系統(tǒng)外部效應(yīng)影響進(jìn)行定性分析，通過層次分解的方法，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的三級評價(jià)指標(biāo)體系，并將其外部效益內(nèi)部化，成功運(yùn)用于廣州知識城綜合能源系統(tǒng)的外部效益計(jì)算。

關(guān)鍵詞：綜合能源系統(tǒng)；外部效益；評價(jià)指標(biāo)；內(nèi)部化

1.引言

我國大型電網(wǎng)建設(shè)迅猛，極大緩解我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力的需求。但日益苛刻的碳排放標(biāo)準(zhǔn)，用戶對電力服務(wù)需求的多樣化，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)或特殊區(qū)域?qū)τ诰C合集成電力服務(wù)的渴求等等，已經(jīng)成為我國電力發(fā)展過程中不可忽視的制肋。

小型發(fā)電裝置（50MW以下）分散布置在用戶（負(fù)荷）現(xiàn)場或用戶附近對于傳統(tǒng)大型集中式的發(fā)電起來了補(bǔ)充與替代作用（魯宗相，2007）。這種分布式發(fā)電的主要特點(diǎn)包括：提高能量利用率，減少各種碳化物的排放，比較環(huán)保，提高電能質(zhì)量和供電的可靠性，減少了由電能遠(yuǎn)距離傳輸所帶來的線損和各種穩(wěn)定方面的問題，延緩負(fù)荷增長造成的電網(wǎng)膨脹（鄭漳華，2008）?？煽啃约夹g(shù)解決方案協(xié)會2002年在分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，較完整的提出了微電網(wǎng)的概念，闡述了其可同時(shí)滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等得要求，并對其在可靠性、經(jīng)濟(jì)性及其對環(huán)境的影響等方面進(jìn)行了研究（鄭漳華，2008）。盛鹍（2007）根據(jù)我國電網(wǎng)的實(shí)際情況，對微電網(wǎng)的基本要素進(jìn)行了定義：能量來源為可再生能源，發(fā)電類型為微型燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)燃機(jī)，燃料電池，太陽能電池，風(fēng)力發(fā)電，生物只能等，系統(tǒng)容量為20KW-10MW，網(wǎng)內(nèi)的用戶配電電網(wǎng)等級為380V，或者包括10.5kV。曾鳴等（2010）從綜合能源系統(tǒng)線損效益、電價(jià)效益和環(huán)境效益三個(gè)方面分析了綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，指出綜合能源系統(tǒng)能有效減少線損、降低系統(tǒng)中的環(huán)境污染和環(huán)保支出。從分布式發(fā)電到微電網(wǎng)，這種新型發(fā)電方式在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中內(nèi)容不斷充實(shí)、完善和發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)不斷積累，最終形成了綜合能源系統(tǒng)成熟的概念模型。

綜合能源系統(tǒng)充分利用可再生能源、優(yōu)質(zhì)清潔化石能源（主要是天然氣），在日益成熟的分布式能源發(fā)電技術(shù)及微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，集成智能控制系統(tǒng)、分布式能源、儲能裝置，并接入用戶荷載和大電網(wǎng)。既滿足區(qū)域內(nèi)對于電力的多樣需求，同時(shí)兼顧低碳運(yùn)行，必要時(shí)并入大電網(wǎng)提供支持，達(dá)到其內(nèi)部經(jīng)濟(jì)性與外部經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)平衡，成為我國智能電網(wǎng)發(fā)展中一個(gè)不可或缺的重要補(bǔ)充，其組織架構(gòu)如下圖所示。

圖1綜合能源系統(tǒng)組成架構(gòu)

2.綜合能源系統(tǒng)外部性評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)——外部性理論

外部性，也稱外在效應(yīng)或溢出效應(yīng)，是指在實(shí)際經(jīng)濟(jì)活動中，生產(chǎn)者或消費(fèi)者的活動對其他生產(chǎn)者或消費(fèi)者帶來的非市場性的影響，而沒有得到懲罰或補(bǔ)償，使得價(jià)格機(jī)制不能有效的配置資源。

要充分評價(jià)綜合能源系統(tǒng)的外部性，無論是外部收益還是外部損失，必須參照一個(gè)正確的價(jià)值基準(zhǔn)，即價(jià)值判斷與價(jià)值選擇的問題。綜合能源系統(tǒng)作為經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)中的一部分，其發(fā)展的目標(biāo)必須與人類社會的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)相一致。

3.綜合能源系統(tǒng)外部性指標(biāo)體系構(gòu)建

基于上述理論論述，綜合能源系統(tǒng)外部性主要從其經(jīng)濟(jì)外部性、環(huán)境外部性以及社會外部性構(gòu)建其指標(biāo)體系。

3.1 經(jīng)濟(jì)外部性。經(jīng)濟(jì)的外部性包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)外部性和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)外部性兩個(gè)方面。

3.1.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)外部性。綜合能源系統(tǒng)利用新型發(fā)電技術(shù)，在并網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，綜合能源系統(tǒng)的加入能給現(xiàn)有的電力系統(tǒng)提供電壓支持，減少遠(yuǎn)距離輸電的線損，提高能源利用效率。

（1）電壓支持。綜合能源系統(tǒng)提供電壓支持，主要表現(xiàn)形式為：

第一，綜合能源系統(tǒng)提供的功率離負(fù)荷很近，容易改善電壓質(zhì)量。即使系統(tǒng)中所使用的功率絕大部分由集中供電提供，綜合能源系統(tǒng)仍可以作為同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行，從而減少對配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓支持的其他設(shè)備的需求。

第二，通過綜合能源系統(tǒng)提供自動電壓調(diào)節(jié)（VAR）支持。通過控制電力調(diào)節(jié)設(shè)備中的電力電子元件的運(yùn)行狀態(tài)，使發(fā)電機(jī)母線電壓保持為常數(shù)。電力調(diào)節(jié)設(shè)備可為綜合能源系統(tǒng)提供超前或滯后的無功功率，可以改善局部無功功率的不平衡。

（2）能源利用效率提升。綜合能源系統(tǒng)對于能源利用效率的提升包括發(fā)電環(huán)節(jié)與供電環(huán)節(jié)兩個(gè)部分。

發(fā)電環(huán)節(jié)中，綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)熱、電、冷能量的三級聯(lián)供，主要是利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒潔凈的天然氣發(fā)電，對作功后的余熱進(jìn)一步吸收，用來制冷、供暖和生活熱水。與傳統(tǒng)的集中式供電相比，可以使能源的綜合使用率提高到85%以上，一般情況可以節(jié)約能源成本30-50%以上。

輸電環(huán)節(jié)能源效率的提升則主要來自于輸變電過程網(wǎng)損的降低。綜合能源系統(tǒng)中的微電源由于就近靈活的分在用電負(fù)荷的附近，減小了輸電距離，輸電過程的線損必然減小，發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能通過中低壓的配電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)輸，無需通過變壓器的升降壓，也會減少供電過程中的電能損耗。

（3）信息的集成控制與智能管理。在已建立的配電和輸電系統(tǒng)中，對于電力市場驅(qū)動的運(yùn)行模式的需要，僅僅采用統(tǒng)一的制度結(jié)構(gòu)框架就能滿足要求。然而，隨著電能生產(chǎn)方面不斷增長的競爭，用戶電力需求的多樣性要求，需要對這一框架進(jìn)行拓展，將小規(guī)模的發(fā)電機(jī)全部整合進(jìn)市場中，同時(shí)納入用戶的需求特征信息。在這樣的市場中綜合能源系統(tǒng)可參與承擔(dān)基本負(fù)荷、批量銷售、電能規(guī)劃、短期負(fù)荷以及其他市場服務(wù)等任務(wù)。

3.1.2 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)外部性。硬件設(shè)備方面，綜合能源系統(tǒng)采用的分布式發(fā)電技術(shù)設(shè)備主要包括燃?xì)廨啓C(jī)，余熱鍋爐，蒸汽透平，壓縮式制冷，吸收式制冷，蓄冷、蓄熱設(shè)備，以及控制系統(tǒng)和設(shè)備?？梢灶A(yù)見，隨著綜合能源站大規(guī)模的興起，也會促進(jìn)國內(nèi)相應(yīng)的設(shè)備制造業(yè)、硬件技術(shù)產(chǎn)業(yè)按照市場經(jīng)濟(jì)的規(guī)律和機(jī)制發(fā)展起來。

軟件技術(shù)方面包括兩類，一類是綜合能源系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，綜合能源系統(tǒng)的配置與用戶所在地域的氣候，對供冷、供熱的需求以及天然氣、電力的供應(yīng)條件和價(jià)格有非常密切的關(guān)系，絕對不可能是千篇一律的。第二類軟件技術(shù)是分布式能源站的運(yùn)營管理和控制技術(shù)，當(dāng)氣候條件、其他人為條件造成冷、熱負(fù)荷的變化，或者電、天然氣以及其他能源價(jià)格發(fā)生改變時(shí)，運(yùn)營軟件都能使這個(gè)系統(tǒng)始終在高效率下運(yùn)行。

3.2 環(huán)境外部性。環(huán)境的外部性表示經(jīng)濟(jì)主體對于其沒有直接的市場合約關(guān)系的人們的環(huán)境福利所產(chǎn)生的有害影響（孫鰲，2010），其后果主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：對生態(tài)環(huán)境的損害、對人體健康的影響以及不可更新資源的損耗。

傳統(tǒng)供電系統(tǒng)對環(huán)境造成影響的來源包括三個(gè)：溫室氣體排放、污染物排放和資源消耗，影響方式包括直接影響和間接影響兩類。直接影響表示供電系統(tǒng)生產(chǎn)過程中直接消耗的資源與產(chǎn)生的排放，而間接的影響還考慮了投入要素生產(chǎn)過程中消耗的資源和產(chǎn)生的排放。

3.3 社會外部性。社會外部性包括對地區(qū)社會發(fā)展的促進(jìn)、供電的可靠性以及供電自給率。

（1）促進(jìn)地區(qū)發(fā)展指標(biāo)。綜合能源系統(tǒng)對地區(qū)社會發(fā)展的促進(jìn)可以從就業(yè)和用電支出占收入比的變化兩個(gè)方面考察。Kanase（2010）研究了綜合能源系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)、離網(wǎng)地區(qū)發(fā)展的可能性，結(jié)果表明：通過合理組合，能夠降低綜合能源系統(tǒng)的發(fā)電成本，促進(jìn)可再生能源資源的利用，滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源需求。綜合能源系統(tǒng)項(xiàng)目能夠促進(jìn)不僅能夠帶動上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如設(shè)備制造、零部件供應(yīng)、原材料生產(chǎn)等就業(yè)，也將促進(jìn)配套的服務(wù)業(yè)發(fā)展，包括工程建設(shè)企業(yè)、工程咨詢公司、面向客戶的節(jié)能服務(wù)企業(yè)、技術(shù)研發(fā)企業(yè)等。

（2）供電可靠性。供電可靠性表示供電系統(tǒng)持續(xù)供電的能力，是考核供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。綜合能源系統(tǒng)通過并網(wǎng)可與集中發(fā)電系統(tǒng)連接，通過PCC（point of common coupling）與大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，大量現(xiàn)代化的電子電力設(shè)備保障系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)流暢穩(wěn)定的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)之間、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間相互備份，能夠減少高峰負(fù)荷時(shí)期的輪流停電。常用的供電可靠性指標(biāo)包括用戶平均停電時(shí)間、用戶平均停電次數(shù)、系統(tǒng)等效停電小時(shí)數(shù)、供電可靠率。

（3）供電自給率。我國區(qū)域能源供給與需求的分布存在顯著的差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的東部沿海地區(qū)是能源與電力的主要受端，包括廣東、江蘇、浙江和京、津、唐地區(qū)，而西部地區(qū)的貴州、云南、廣西、四川、內(nèi)蒙和山西等省份的電力資源較為豐富，因此形成了以三條線路為代表的西電東送的電力供應(yīng)格局。從地區(qū)的角度而言，跨區(qū)域運(yùn)輸線路過長，一方面運(yùn)輸過程的損耗也將增加，另一方面，自然災(zāi)害、安全事故等也會增加供電的安全風(fēng)險(xiǎn)。提高區(qū)域的供電自給程度能有效降低地區(qū)長期缺電的可能性，增加抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

3.4 本章小結(jié)。綜合能源系統(tǒng)外部效益的指標(biāo)體系，從經(jīng)濟(jì)外部性、環(huán)境外部性、社會外部性三個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系。

4.綜合能源系統(tǒng)外部性指標(biāo)內(nèi)部化

為了評價(jià)和比較外部效應(yīng)及其成本，有必要將其化為同一單位，比如貨幣單位就是較便利的選擇，這樣將外部效應(yīng)轉(zhuǎn)化為貨幣單位就是外部成本。由于外部成本并不是決策者所依據(jù)的主要因素，因此需要使用合適的方法使其內(nèi)部化（姜子英，2008）。

在對不同發(fā)電供應(yīng)技術(shù)的外部成本進(jìn)行計(jì)量時(shí)，需要遵循：（1）盡可能使用量化的數(shù)據(jù)和過程進(jìn)行影響的評價(jià)和加權(quán)；（2）影響轉(zhuǎn)換的共同單位是貨幣；（3）以個(gè)人的偏好為基礎(chǔ)，通過個(gè)人的WTP和WTA轉(zhuǎn)換為貨幣形式；（4）計(jì)量損害比計(jì)量負(fù)擔(dān)或效應(yīng)更重要；（5）大部分環(huán)境影響使用影響路徑法進(jìn)行分析，并且能夠計(jì)量隨具體時(shí)間和地點(diǎn)的外部成本；（6）能夠計(jì)量平均或總的外部效應(yīng)或成本。

4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)外部性指標(biāo)

（1）電壓分布改善指標(biāo)（VPII）。綜合能源系統(tǒng)對于各種母線電壓分布的改善指標(biāo)可用下式表示。

VPII=VPw/DG/VPWO/DG

VPII<1，分布式發(fā)電沒有改善系統(tǒng)電壓分布；

VPII=1，分布式發(fā)電對系統(tǒng)電壓分布沒有影響，

VPII>1，分布式發(fā)電能夠改善系統(tǒng)電壓分布。

VPW/DG和VPWO/DG分別表示使用和不使用分布式發(fā)電情況下輸電系統(tǒng)的電壓分布，其具體由下式計(jì)算得出：

VP=∑Ni=1ViLiKi

其中V表示母線i的電壓級別，L表示母線i的負(fù)荷，K表示母線i的權(quán)重。

（2）線路損失降低指標(biāo)（LLRI）。由于綜合能源系統(tǒng)的發(fā)電源與負(fù)荷側(cè)的距離很近，能夠減少輸電線路中的潮流，從而降低線路的電能損耗。線路損耗降低指標(biāo)（Line loss reduction index，LLRI）可用下式表達(dá)：

LLRI=（LLw/DG-LLWO/DG）ECarea/LLw/DG其中，ECarea表示項(xiàng)目區(qū)域的年供電量，LLW/DG和LLWO/DG分別表示使用和不使用分布式發(fā)電情況下輸電系統(tǒng)總的線路損耗，其具體由下式計(jì)算得出：

LLw/DG=3×∑Mi=1I2i×R×Di

其中I表示電流，R表示電阻，D表示輸電線路的長度，M表示輸電線路的數(shù)目。

因此使用項(xiàng)目區(qū)域年供電量乘以線路損失差額的百分比和電價(jià)即可以得到應(yīng)用綜合能源系統(tǒng)獲得的降低線路損耗獲得的收益。

BLR=LLRI×Pc

（3）線路容量釋放指標(biāo)（LCRI）。綜合能源系統(tǒng)可以減小配電網(wǎng)對電網(wǎng)輸送容量的需求，從而可以延遲電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級需要的成本與投資。綜合能源系統(tǒng)節(jié)約的配電網(wǎng)容量由下式計(jì)算得出：

ΔC=（1-u）r（1+r）Y（1+r）Y-1∑Ni=1Pixi

其中：u為電網(wǎng)對綜合能源系統(tǒng)的備用率，Y為延緩電網(wǎng)擴(kuò)建的年數(shù)，r為折現(xiàn)率，xi為綜合能源系統(tǒng)中第i種電源，Pi為其裝機(jī)容量。節(jié)約的網(wǎng)絡(luò)升級容量ΔC乘以單位容量的投資成本即得到線路容量釋放指標(biāo)（LCRI）。

LCRI=ΔC×Iac

（4）能源效率提升指標(biāo)（EEPI）。節(jié)能率、總熱效率（一次能源利用率）是評價(jià)綜合能源系統(tǒng)技術(shù)方案優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，綜合能源系統(tǒng)能源效率提升所節(jié)約的能源經(jīng)濟(jì)價(jià)值為：（綜合能源系統(tǒng)熱電冷聯(lián)產(chǎn)總熱效率-煤電的熱效率）*綜合能源系統(tǒng)的年發(fā)電量*發(fā)電平均煤耗*煤價(jià)。

4.2 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)外部性指標(biāo)。本文借鑒投入-產(chǎn)出分析中的直接消耗與完全消耗的概念，使用單位投資的帶動的上下游年產(chǎn)值作為綜合能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)外部性指標(biāo)。

IE=IiesEIC

經(jīng)濟(jì)外部性綜合指標(biāo)為上述指標(biāo)的加權(quán)之和：EEI=wLRBLR+wLCRILCRI+wEEPIEEPI+wIEIE式中：wi（i=LR，LCRI，EEPI，IE）分別表示各三級指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重。

4.3環(huán)境外部性指標(biāo)的量化。環(huán)境外部性的量化方法主要可分為自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）兩種。自上而下的方法采用高度綜合的數(shù)據(jù)，來估算特定污染物的損害價(jià)值。自下而上的方法則使用具體位置和技術(shù)的排放數(shù)據(jù)、污染物擴(kuò)散模式、接受體的詳細(xì)信息和劑量-響應(yīng)函數(shù)等來計(jì)算整個(gè)生產(chǎn)鏈的活動造成的環(huán)境和社會影響，然后以貨幣單位來計(jì)量這些影響，也被稱為影響路徑法（Impact Pathway Analysis）。

（1）氣候變化指標(biāo)的量化。對全球變暖有貢獻(xiàn)的氣體包括CO2、NOX、CO和CH4。依據(jù)國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會、IPCC和ISO14042建立的框架，可將全球氣候變暖的影響特征化，用全球變暖潛值表示（global warming potential， GWP）。各種物質(zhì)的排放量乘以相應(yīng)的當(dāng)量因子可以轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳排放量。

δGW=ΣQj×δEFj

其中Qj表示第j種氣體排放量，δEFj表示第j種氣體轉(zhuǎn)化為二氧化碳的系數(shù)因子。

綜合能源系統(tǒng)單位發(fā)電量節(jié)約的溫室氣體排放量（用CO2表示）乘以碳交易價(jià)格。

（2）環(huán)境污染指標(biāo)的量化。綜合能源系統(tǒng)節(jié)約排放的污染物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值用下式表示：

PS=∑Ni=1∑Mj=1Vjδc，j-δi，jEe，ixi

其中：Vj表示第j種排放物的環(huán)境價(jià)值，Ee，i表示第i種分布式電源的年發(fā)電量，δc，j表示煤電單位發(fā)電量產(chǎn)生的第j種污染物的排放量，δi，j表示第i種分布式電源單位發(fā)電量產(chǎn)生的第j種污染物的排放量。

環(huán)境價(jià)值是較難確定的變量，主要與生態(tài)環(huán)境的治理與恢復(fù)以及對人身體健康效應(yīng)的影響有關(guān)。

首先，建立每種污染物與健康效應(yīng)之間的劑量-反應(yīng)關(guān)系等式，如式所示：

HExrh=DRxh×Crx×POPr

式中：HExrh為r地區(qū)由于污染物x（SO2、NOx）導(dǎo)致的第h類型健康效應(yīng)；DRxh表示污染物x與第h種健康效應(yīng)的劑量-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)（即污染物濃度增加1μg/m3，每百萬人中發(fā)生特定健康問題的人數(shù)）；Crx為大氣中x的濃度，POPr為人口數(shù)。

在得到各種類型健康效應(yīng)之后，使用支付意愿法（willing to pay， WTP），通過實(shí)際調(diào)查得到人們對于每種健康效應(yīng)所愿意付出的金錢代價(jià)，進(jìn)而估算得到各種類型健康效應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

HEVxrh=Vxh×HExrh

最后通過加總就可以計(jì)算得到環(huán)境污染導(dǎo)致的健康效應(yīng)總的經(jīng)濟(jì)成本。

THEV=∑r∑x∑hHEVxrh