0 引言

 

  當前，在我國能源生產和能源消費結構中，常規(guī)能源所占比重均超過九成[1-2]。能源資源的過度消耗導致不可再生化石能源供給能力的不斷衰減，過度依賴常規(guī)能源造成的環(huán)境污染問題也日益嚴重[3]。

 

  我國豐富的風能、水能、太陽能、海洋能以及生物能等可再生能源具有發(fā)展電力的潛在優(yōu)勢[4]。在逐漸形成的以大型集中式發(fā)電和分布式發(fā)電相結合的第3 代電網中，非化石能源發(fā)電的比例將會有較大提高[5]。可再生能源規(guī)劃作為發(fā)展中的一個基礎環(huán)節(jié)，對整個可再生能源優(yōu)化、有序、高效地發(fā)展起著重要作用[6]。文獻[7]研究認為，區(qū)域可再生能源規(guī)劃是落實國家可再生能源規(guī)劃主體的重要環(huán)節(jié)，進行區(qū)域可再生能源規(guī)劃對落實國家可再生能源規(guī)劃、實施可再生能源重點發(fā)展領域、項目實施優(yōu)先布局及制定相關政策具有重要的理論與應用價值。

 

  通過研究，文獻[7]提出一種區(qū)域可再生能源規(guī)劃模型框架，該框架中資源評價模型是基礎，可再生能源規(guī)劃模型是核心，2 者分別給出所研究區(qū)域的可再生能源資源量以及在給定資源分布、能源需求和政策情景下的區(qū)域可再生能源發(fā)展目標和結構，規(guī)劃評價模塊則對規(guī)劃的優(yōu)劣性進行評價。

 

  科學合理地制定能源規(guī)劃是解決能源問題的有效前提和基礎，而可再生能源規(guī)劃、電力規(guī)劃是能源規(guī)劃中非常重要的專項規(guī)劃，區(qū)域能源規(guī)劃是落實國家能源規(guī)劃主體的重要環(huán)節(jié)，將3 者相結合進行研究，有利于充分利用我國豐富的可再生能源資源、推動節(jié)能減排進程、提高電源結構低碳化程度、促進智能化綠色電力的發(fā)展。

 

  本文對目前國內外集成結構能源模型及其現(xiàn)狀進行了綜述，指出了存在的一些問題及未來發(fā)展方向，旨在為科學合理地制定能源規(guī)劃提供參考。

 

  1.3 基于自下而上角度的能源規(guī)劃模型

 

  基于自下而上角度的能源規(guī)劃模型中，

 

  MARKAL 模型和LEAP 模型應用較為廣泛，

 

  MESSAGE 模型在上世紀90 年代也得到一定范圍的應用.

 

  1 區(qū)域可再生能源規(guī)劃模型研究現(xiàn)狀

 

  1.1 能源規(guī)劃模型發(fā)展過程簡述

 

  在能源系統(tǒng)分析中，定性方法具有主觀局限性且不可重復，定量方法的完全客觀抽象則與真實結果出入較大，而能源模型的研究則能客觀真實地模擬能源系統(tǒng)。

 

  能源系統(tǒng)模型經過獨立的能源模型、大規(guī)模的能源模型系統(tǒng)及人機交互的能源模型系統(tǒng)3 個發(fā)展階段，目前已取得大量研究成果，形成了數據外推系統(tǒng)模型和集成結構模型2 大類。數據外推系統(tǒng)模型不直接研究經濟系統(tǒng)的相互作用和平衡規(guī)律，而僅僅根據數據之間的相關關系進行外推；集成結構模型則綜合考慮經濟能源系統(tǒng)各種變量之間的相互關系，采用經濟學和能源學的規(guī)律建立模型。其中，集成結構模型的應用更為方便、范圍更廣。

 

  1.2 能源規(guī)劃集成模型

 

  在能源規(guī)劃模型研究方面，國內外有2 種典型的建模角度[8-9]，即自上而下(top-down)的宏觀經濟角度和自下而上(bottom-up)的工程角度。按照起源、研究內容、研究方法、模型功能、研究層面、建模方法對能源規(guī)劃模型可進行分類[10-12]，如表1 所示。

 

  當前國內外常用的區(qū)域可再生能源規(guī)劃模型基本上是延用能源規(guī)劃模型或者國家規(guī)劃模型，包括能源市場分配(market allocation，MARKAL)模型、長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(long-range energyalternatives planning system，LEAP)模型、能源供應戰(zhàn)略方案及其環(huán)境綜合影響(model of energy supplystrategy alternatives and their general environmentalimpacts，MESSAGE)模型、亞洲氣候變化綜合評價模型(AIM，也稱亞太地區(qū)溫室氣體綜合評價模型)、清潔能源項目分析軟件(RETScreen)等；另一類為針對電力領域的能源規(guī)劃模型，主要是可再生電力混合優(yōu)化模型(hybrid optimization model for electricrenewables，HOMER)。文獻[7]對MARKAL、LEAP、MESSAGE、AIM 和RETScreen 模型的開發(fā)者、用途、基本原理及模型優(yōu)缺點進行了簡要的對比，本節(jié)則從模型的結構入手，對國內外應用相對較廣的模型進行綜述。

 

  MARKAL 和MESSAGE 模型是動態(tài)線性規(guī)劃

 

  模型，LEAP 模型是基于情景分析的能源?環(huán)境模型工具，3 者進行能源規(guī)劃的方法不同，但都是基于自下而上的工程角度的，這就使得它們能夠描述底層技術經濟微觀變化引起的綜合效應，卻不能反映資源、經濟的相互關系，也不能做出對一般經濟和非技術市場要素的反饋[17,26]。

 

  1.4 混合能源模型結構及其應用

 

  1.4.1 混合能源模型概述

 

  僅從單一的自上而下或者自下而上的角度建模

 

  的方法，不能進行經濟與技術的綜合分析。當模型的結構性較強且設計有外部接口時，才能與外部經濟或技術模型相結合，進而在能源規(guī)劃中綜合考慮經濟、技術因素。因此，既包括自上而下宏觀經濟模型又包括自下而上能源供應及需求模型的混合能源模型(mixed energy model)得到進一步的研究[10,12]。

 

  較具代表性的混合能源模型有：IIASA?WEC

 

  能源? 經濟? 環(huán)境模型(the IIASA-WEC EnergyEconomic Environment，IIASA-WEC E3)、中國能源環(huán)境政策綜合評價模型(integrated policy

 

  assessment model for China，IPAC)[41-42]、能源系統(tǒng)長期前景規(guī)劃模型(prospective outlook on long-termenergy systems，POLES)、國家能源模型(the nationalenergy modeling systems，NEMS)、RETScreen 模型以及HOMER 模型[43-44]。IPAC 模型自1992 年著手研發(fā)，完成了從能源模型不斷向能源、經濟和環(huán)境綜合模型完善的過程，也得到了相對較廣泛的應用。HOMER 模型于2000 年2 月14 日發(fā)布第1 代軟件初始版本HOMER Original Version 1.0 后迅速在全球范圍內得到應用，目前在可再生電力能源規(guī)劃中已成為應用最為廣泛的優(yōu)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 等子模型組成[12,38]。子模型可以單獨使用，也可組合使用。文獻[45]利用SG、MESSAGE、MACRO 和MAGICC 模型的組合，采用場景分析

 

  法進行了全球溫室氣體排放及能源消費結構的研究。文獻[46-47]單獨采用RAINS 模型，分別對東歐的經濟結構和能源效率、中國和印度等亞洲國家的可再生能源發(fā)展潛力及污染物排放成本進行了研究，制定了相應的污染物減排策略。

 

  POLES 模型的多個子模塊相互連接、多層嵌套，能夠描述全球范圍內不同地區(qū)的能源需求、供應及價格的協(xié)調發(fā)展，在油氣資源的相關仿真中應用較多[12,48]。文獻[49-50]應用POLES 分別在實行碳排放交易的經濟潛力、世界能源需求預測方面做了分析。

 

  與IIASA-WEC E3 模型、POLES 模型相似，

 

  NEMS 模型也是由多個子模塊組合而成[13]，各子模塊獨立實行不同的功能。文獻[51]結合場景分析方法，將NEMS 模型應用于美國電力發(fā)展的政策制定與選擇中，分析了溫室氣體及其它大氣污染物對環(huán)境的影響。

 

  1.4.2 中國能源環(huán)境政策綜合評價模型(IPAC)

 

  IPAC 主要包括能源與排放模型、環(huán)境模型和

 

  影響模型3 個部分，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 個子模塊組成[42 ]，各子模塊可單獨使用。IPACAIM/Local 區(qū)域模型的結構如圖4 所示。文獻[14]

 

  以北京市能源環(huán)境對策為例，采用IPAC-AIM/Local區(qū)域能源環(huán)境綜合評價模型，綜合考慮技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景、環(huán)境保護政策以及經濟發(fā)展等因素，量化分析了節(jié)能減排技術所能產生的本地環(huán)境效應及對全國范圍氣候變化政策的影響。在能源需求不斷增長以及節(jié)能減排的影響下，許多學者將IPAC模型或其子模塊應用到了交通[52]、石油[53]、電力[54]、環(huán)境保護[55]等各方面，研究能源與經濟、環(huán)境的相互影響，推動低碳化經濟、技術發(fā)展，提供政策措施支持[56]。文獻[54]以中國電力工業(yè)的發(fā)展及其污染物排放控制現(xiàn)狀為藍本，構建了電力溫室氣體減排評價模型，對電力行業(yè)2010—2050 年最優(yōu)技術路線進行計算和預測，給研究電力行業(yè)溫室氣體排放控制的機構提供了參考方案。

 

  1.4.3 HOMER 模型

 

  HOMER 是由美國可再生能源實驗室(National

 

  Renewable Energy Laboratory，NREL)著手研發(fā)的可再生能源混合發(fā)電經濟?技術?環(huán)境優(yōu)化分析計算模型，并開發(fā)了相應軟件。

 

  HOMER 以凈現(xiàn)值成本(net present cost，NPC)，即可再生能源混合發(fā)電系統(tǒng)在其生命周期內的安裝和運行總成本，為基礎模擬不同可再生能源系統(tǒng)規(guī)模、配置[43-44,57-69]，在一次計算中能同時實現(xiàn)仿真、優(yōu)化和靈敏度分析3 種功能。其優(yōu)化和靈敏度分析算法，可以用來評估系統(tǒng)的經濟性和技術選擇的可行性，可以考慮技術成本的變化和能源資源的可用性[69]。它能夠模擬系統(tǒng)的運行過程，提供全年每小時各種可再生能源發(fā)電量及系統(tǒng)電力平衡情況；能夠詳細計算系統(tǒng)全年燃料、環(huán)境、可靠性、電源、電網等各項成本；能給出不同限制條件下的最優(yōu)化可再生能源發(fā)電規(guī)劃方案。其計算原理、結構示意圖分別如圖5、6 所示。

 

  HOMER 在計算時，建立為期1 a、步長為1 h

 

  的模型來模擬每一組系統(tǒng)配置，該步長小到足以跟蹤負載波動以及可再生資源統(tǒng)計特性的變化，但是卻不影響計算速度；其詳細的計算結果可以提供全年可再生能源系統(tǒng)性能分析[59]。

 

  HOMER 模型適用范圍較廣，無論系統(tǒng)規(guī)模大小

 

  都可應用[44]，目前已在城市[58]、海島[60-61]、村莊[62-64]、社區(qū)[66]、住宅[67-68]等規(guī)模下的可再生能源規(guī)劃及電網優(yōu)化設計[69]中得到應用。

 

  文獻[58]選擇澳大利亞境內3 個氣候、地理位

 

  置各不相同的中小規(guī)模旅游城市進行可再生能源規(guī)劃研究，采用了光伏發(fā)電與柴油機發(fā)電配合的策略，并以凈現(xiàn)值成本、可再生能源比例和投資回收期為標準對設計的規(guī)劃方案做了評估.

 

  文獻[60]以希臘的基斯諾斯島為例，分別以燃

 

  料電池、電解槽、H2 儲能組合和柴油機、光伏發(fā)電、儲能電池組合作為供電系統(tǒng)進行了海島能源規(guī)劃。

 

  計算的經濟-環(huán)境指標均表明，可再生能源的引入能夠降低對化石能源的依賴程度，大幅減少購買燃料的經濟成本，優(yōu)化環(huán)境效益。文獻[61]對希臘的喀帕蘇斯島進行了可持續(xù)發(fā)展的能源規(guī)劃，所設計的電網運行于孤島模式，涵括了柴油機、風機、光伏、電解槽等4 種發(fā)電形式，配備逆變器和儲能裝置，并對引入H2 儲能對系統(tǒng)的影響做了分析。

 

  文獻[62]對加拿大北部建有約300 個社區(qū)的村

 

  莊，分析了可再生能源供電的潛力，在原來柴油機發(fā)電的基礎上增加了風力發(fā)電，大量減少柴油消耗、CO2 排放及資金投入。

 

  文獻[63]以阿拉斯加較偏遠的村莊Lime 為研

 

  究對象，用HOMER 分析了同時設有光伏發(fā)電、儲能裝置以及柴油機發(fā)電的供電系統(tǒng)的經濟和環(huán)境效益，并用MATLAB Simulink 建立了一個經濟-環(huán)境優(yōu)化模型進行仿真，比較二者計算結果發(fā)現(xiàn)經濟、環(huán)境指標的區(qū)別很小，僅在儲能電池的相關結果中有區(qū)別，而這是由電池充放電閾值設定不同引起的。文獻[64]將研究對象的地域范圍做了擴大，在印度Uttarakhand 州的阿爾莫拉區(qū)，對7 個村莊進行了供電能源規(guī)劃和設計，并與the LINGO

 

  software 的結果進行了比較。

 

  文獻[67]以位于澳大利亞皇后島上的亞熱帶沿

 

  海地區(qū)大型觀光酒店為例進行了能源規(guī)劃及優(yōu)化設計，與HYBRIDS 的計算結果進行了比較后發(fā)現(xiàn)二者的凈現(xiàn)值成本可相比擬。文獻[68]以HOMER為工具，以幾個家庭或者幾棟建筑為對象，構建了完全依靠可再生能源供能的系統(tǒng)，成為不消耗化石能源的“零能源之家”(zero energy home)。

 

  1.4.4 RETScreen 模型

 

  RETScreen 模型是用以評估一些可再生能源技術的能源生產、壽命周期成本和溫室氣體排放減少程度的標準化的、完整的可再生能源計劃分析模型[70-73]，其中可再生能源包括了風能、小水電、光伏、燃料電池、熱電聯(lián)產、太陽能采暖供熱、地熱能以及海洋能等。與HOMER 模型類似，RETScreen 模型在結構上設置了系統(tǒng)參數、資源條件和其它參數等模塊，如圖7 所示，只是2 個模型在各模塊中涉及的參數有所區(qū)別。此外，RETScreen 以美國國家航空航天局(NASA)的全球衛(wèi)星太陽能數據為基礎開發(fā)了一種新的全球氣候數據庫[70]，節(jié)省了大量成本，增加了對潛在的可再生能源進行評估的可行性。

 

  1.5 混合能源模型的比較

 

  IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 模型

 

  具有如下共同特點：1）基于線性規(guī)劃理論；2）能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環(huán)境等功能在相應的獨立子模塊中實現(xiàn)；3）子模塊相互連接、多層嵌套構成；4）自上而下和自下而上的模型間的供需平衡、數據傳遞由集成模塊完成；5）模塊之間相互聯(lián)系、相互影響；6）多針對全球、國家或區(qū)域范圍進行研究；7）規(guī)劃軟件的約束條件為經濟和社會因素。因此，IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 等混合能源模型雖然在以電力為對象的能源規(guī)劃中也有一些應用，但所得規(guī)劃結果多為較宏觀地描述經濟、社會因素的指標值。

 

  RETScreen 模型中雖然能夠進行完整的可再生能源規(guī)劃分析，但在規(guī)劃中通常只能考慮一種可再生資源發(fā)電形式。

 

  HOMER 模型在結構上由能源組件模型、資源模型等組成，能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環(huán)境等功能統(tǒng)一實現(xiàn)，而不是在獨立子模塊中完成；不僅能夠輸出技術可行的最優(yōu)化規(guī)劃方案，還能模擬系統(tǒng)的運行過程，提供全年每小時各種可再生能源發(fā)電量及系統(tǒng)電力平衡情況；能夠提供每個組件每小時的能量流動以及成本、性能的年度情況；能提供經濟最優(yōu)化條件下，各組件參數輸入值的指導量；約束條件不僅包括經濟、環(huán)境條件，也包括供電可靠性和資源可獲得量等約束條件。因此，HOMER 模型在近幾年國外的區(qū)域可再生電力能源規(guī)劃或者規(guī)模更小的村莊、社區(qū)、住宅的能源規(guī)劃及優(yōu)化設計中得到了較為廣泛的應用，其仿真優(yōu)化結果能為發(fā)展規(guī)劃的制定、技術措施的實施提供有力的信息支持和指導意見，但在其研究對象的規(guī)模方面還有待更深入的探索。

 

  2 啟示與展望

 

  2.1 啟示

 

  通過可再生能源規(guī)劃模型對比及應用研究發(fā)現(xiàn)：

 

  1）目前在可再生能源規(guī)劃模型基本框架方面的研究還較少，框架的模塊內容尚未有標準可依，從而也導致了模型的系統(tǒng)性和友好性較差。

 

  現(xiàn)有基本框架不能較明晰地反映不同規(guī)模研究對象、不同行業(yè)等方面的特點。

 

  現(xiàn)有基本框架模塊的輸入數據量較大，統(tǒng)計數據的嚴重缺失成為阻礙能源規(guī)劃研究有效進行的一個重要問題；同時，較多重要規(guī)劃參數的人工確定缺乏相關方法的支撐。

 

  2）在已有的可再生能源規(guī)劃模型中，所包含的可再生資源種類較少，以當前開發(fā)技術較為成熟的水能、風資源和太陽能資源較多。

 

  我國可再生能源種類及儲量豐富，開發(fā)利用風能、太陽能、水能、海洋能、生物質能、地熱能等儲量豐富的可再生能源，開發(fā)氫能、天然氣水合物、核聚變等新型能源對保障國家能源安全有著重要意義，因此，海洋能、生物質能、地熱能等可再生能源的相關模型亟待建立。

 

  3）多種能源形式的組合更有利于提高能源綜合利用效率，僅能考慮單一能源類型的規(guī)劃模型在實踐中受到很大限制。

 

  基于單一角度的能源規(guī)劃模型需要與其它模型相結合最終完成經濟、技術的綜合考量，降低了模型的實用性；而混合能源模型恰能彌補這一缺點，在能源規(guī)劃中應用將更為廣泛。

 

  4）當前大多數可再生能源規(guī)劃模型較為宏觀，往往是尋求給定技術條件下的最優(yōu)能源結構及發(fā)展目標，從規(guī)劃的輸出結果中能獲取的可執(zhí)行規(guī)劃方案不夠具體，對技術實施方案的指導性不足；而相對較具體的規(guī)劃模型，其規(guī)劃目標多為在給定技術和資源條件下的經濟性最優(yōu)；這些模型都缺乏對技術形式的具體指導。

 

  2.2 展望

 

  可再生能源規(guī)劃能夠為可再生能源發(fā)展提供發(fā)展方向和思路，因此，需要進一步提高研究、開發(fā)、使用能源規(guī)劃模型解決能源規(guī)劃、布局問題必要性和重要性的認識。解決能源可持續(xù)發(fā)展問題的迫切需求將會促進可再生能源規(guī)劃模型的迅速發(fā)展。從目前的研究情況來看，未來可再生能源規(guī)劃模型在以下幾個方面將得到更為深入的研究：

 

  1）為更有效地開發(fā)海洋能、生物質能、地熱能等可再生能源以及氫能、天然氣水合物、核聚變等新型能源，能源規(guī)劃模型中必將涵括這些形式的能源模型，因此，模型中可再生能源種類將更為豐富，合理的、有參考價值的規(guī)劃結果將有利于可再生能源的開發(fā)利用走出實驗室階段，加速其商業(yè)化進程。

 

  2）可再生能源規(guī)劃模型功能將繼續(xù)得到優(yōu)化，具備多種能源形式統(tǒng)一協(xié)調規(guī)劃功能的能源規(guī)劃模型將得到更長足的發(fā)展，能綜合考慮經濟、環(huán)境、技術等方面因素的混合能源模型功能將得到優(yōu)化。

 

  3）有必要在可再生能源規(guī)劃模型的優(yōu)化目標中增加對技術形式的考量，這樣規(guī)劃結果就不僅僅是經濟性最優(yōu)，同時也對應用各種新技術帶來的效益進行了優(yōu)劣排序，提高能源規(guī)劃結果的可實現(xiàn)性以及對技術實施方案的指導性，從而促進能源技術的研發(fā)，為能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供技術保障和可實現(xiàn)性。

 

  4）合理有效評估可再生資源儲量的方法有待深入研究，仍需對現(xiàn)有資源評估方法進行優(yōu)化以減小評估誤差，并最終在可再生能源規(guī)劃模型中應用這些先進的方法，為能源規(guī)劃奠定良好基礎。

 

  5）我國統(tǒng)計年鑒的數據結構需要進一步得到完善，各項統(tǒng)計指標的歷史資料需要有效得到保存，以解決能源規(guī)劃中可再生能源統(tǒng)計數據嚴重缺失的問題；需要建立可再生能源相關指標統(tǒng)計的標準體系，完善區(qū)域級甚至國家級指標的統(tǒng)計，并研究這些指標的綜合處理方法以保證能源規(guī)劃的客觀性，使得各級可再生能源規(guī)劃的結果更合理、更有指導意義，最終落實國家可再生能源規(guī)劃，為實施可再生能源重點發(fā)展領域、項目實施優(yōu)先布局及制定相關政策提供重要的理論與應用參考。

 

  6）應當結合我國可再生能源資源、開發(fā)、利用的特點，研究開發(fā)適應于我國能源特點的國產化模型和軟件，這也是當前我國可再生能源規(guī)劃面臨的一項重要任務。

 

  為更有效地進行能源規(guī)劃，更好地發(fā)揮能源規(guī)劃對國家能源戰(zhàn)略制定、推動科學技術發(fā)展方面的作用，如何更合理地構建能源規(guī)劃模型框架、實現(xiàn)模型功能還需要國內外專家學者進行更深入的探討。

 

  3 結論

 

  在對可再生能源資源進行評價的基礎上，結合區(qū)域自身資源優(yōu)勢和特點，考慮未來可再生能源技術發(fā)展的特征，制定不同時期各種可再生能源的激勵政策及發(fā)展目標，進行可再生能源規(guī)劃對能源安全有著重大意義。

 

  本文對目前國內外應用于能源規(guī)劃研究的集成結構模型及其現(xiàn)狀進行了綜述，重點總結了混合能源模型的結構，旨在為順利進行可再生能源規(guī)劃提供參考。

 

  基于線性規(guī)劃理論的IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 等混合能源規(guī)劃模型能在獨立子模塊中分別實現(xiàn)能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環(huán)境等功能；在以電力為對象的應用研究中還需要進一步深入研究。專屬電力領域的可再生能源發(fā)電優(yōu)化模型HOMER能同時考慮經濟與技術因素，統(tǒng)一實現(xiàn)能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環(huán)境等功能，進行區(qū)域能源規(guī)劃研究；但在較廣闊區(qū)域能源規(guī)劃的應用上有待深入。

 

  可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展為更充分、更合理開發(fā)潛力巨大的可再生資源提供了技術基礎。為了發(fā)揮可再生能源發(fā)電在實現(xiàn)能源、經濟、環(huán)境綜合可持續(xù)發(fā)展中的積極效應，進行區(qū)域可再生電力能源規(guī)劃研究有著重要的理論與應用價值。