0 引言

 

  當前，在我國能源生產和能源消費結構中，常規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，過度依賴常規能源造成的環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展電力的潛在優勢[4]。在逐漸形成的以大型集中式發電和分布式發電相結合的第3 代電網中，非化石能源發電的比例將會有較大提高[5]。可再生能源規劃作為發展中的一個基礎環節，對整個可再生能源優化、有序、高效地發展起著重要作用[6]。文獻[7]研究認為，區域可再生能源規劃是落實國家可再生能源規劃主體的重要環節，進行區域可再生能源規劃對落實國家可再生能源規劃、實施可再生能源重點發展領域、項目實施優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]提出一種區域可再生能源規劃模型框架，該框架中資源評價模型是基礎，可再生能源規劃模型是核心，2 者分別給出所研究區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域可再生能源發展目標和結構，規劃評價模塊則對規劃的優劣性進行評價。

 

  科學合理地制定能源規劃是解決能源問題的有效前提和基礎，而可再生能源規劃、電力規劃是能源規劃中非常重要的專項規劃，區域能源規劃是落實國家能源規劃主體的重要環節，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展。

 

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

 

  1.3 基于自下而上角度的能源規劃模型

 

  基于自下而上角度的能源規劃模型中，

 

  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 區域可再生能源規劃模型研究現狀

 

  1.1 能源規劃模型發展過程簡述

 

  在能源系統分析中，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。

 

  能源系統模型經過獨立的能源模型、大規模的能源模型系統及人機交互的能源模型系統3 個發展階段，目前已取得大量研究成果，形成了數據外推系統模型和集成結構模型2 大類。數據外推系統模型不直接研究經濟系統的相互作用和平衡規律，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各種變量之間的相互關系，采用經濟學和能源學的規律建立模型。其中，集成結構模型的應用更為方便、范圍更廣。

 

  1.2 能源規劃集成模型

 

  在能源規劃模型研究方面，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、建模方法對能源規劃模型可進行分類[10-12]，如表1 所示。

 

  當前國內外常用的區域可再生能源規劃模型基本上是延用能源規劃模型或者國家規劃模型，包括能源市場分配(market allocation，MARKAL)模型、長期能源替代規劃系統(long-range energyalternatives planning system，LEAP)模型、能源供應戰略方案及其環境綜合影響(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劃模型，主要是可再生電力混合優化模型(hybrid optimization model for electricrenewables，HOMER)。文獻[7]對MARKAL、LEAP、MESSAGE、AIM 和RETScreen 模型的開發者、用途、基本原理及模型優缺點進行了簡要的對比，本節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 模型是動態線性規劃

 

  模型，LEAP 模型是基于情景分析的能源?環境模型工具，3 者進行能源規劃的方法不同，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? 環境模型(the IIASA-WEC EnergyEconomic Environment，IIASA-WEC E3)、中國能源環境政策綜合評價模型(integrated policy

 

  assessment model for China，IPAC)[41-42]、能源系統長期前景規劃模型(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，完成了從能源模型不斷向能源、經濟和環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劃中已成為應用最為廣泛的優化模型。

 

  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的能源需求、供應及價格的協調發展，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境的影響。

 

  1.4.2 中國能源環境政策綜合評價模型(IPAC)

 

  IPAC 主要包括能源與排放模型、環境模型和

 

  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 區域模型的結構如圖4 所示。文獻[14]

 

  以北京市能源環境對策為例，采用IPAC-AIM/Local區域能源環境綜合評價模型，綜合考慮技術現狀及發展前景、環境保護政策以及經濟發展等因素，量化分析了節能減排技術所能產生的本地環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]、環境保護[55]等各方面，研究能源與經濟、環境的相互影響，推動低碳化經濟、技術發展，提供政策措施支持[56]。文獻[54]以中國電力工業的發展及其污染物排放控制現狀為藍本，構建了電力溫室氣體減排評價模型，對電力行業2010—2050 年最優技術路線進行計算和預測，給研究電力行業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)著手研發的可再生能源混合發電經濟?技術?環境優化分析計算模型，并開發了相應軟件。

 

  HOMER 以凈現值成本(net present cost，NPC)，即可再生能源混合發電系統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規模、配置[43-44,57-69]，在一次計算中能同時實現仿真、優化和靈敏度分析3 種功能。其優化和靈敏度分析算法，可以用來評估系統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]。它能夠模擬系統的運行過程，提供全年每小時各種可再生能源發電量及系統電力平衡情況；能夠詳細計算系統全年燃料、環境、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化可再生能源發電規劃方案。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配置，該步長小到足以跟蹤負載波動以及可再生資源統計特性的變化，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性能分析[59]。

 

  HOMER 模型適用范圍較廣，無論系統規模大小

 

  都可應用[44]，目前已在城市[58]、海島[60-61]、村莊[62-64]、社區[66]、住宅[67-68]等規模下的可再生能源規劃及電網優化設計[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模旅游城市進行可再生能源規劃研究，采用了光伏發電與柴油機發電配合的策略，并以凈現值成本、可再生能源比例和投資回收期為標準對設計的規劃方案做了評估.

 

  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、光伏發電、儲能電池組合作為供電系統進行了海島能源規劃。

 

  計算的經濟-環境指標均表明，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，優化環境效益。文獻[61]對希臘的喀帕蘇斯島進行了可持續發展的能源規劃，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 種發電形式，配備逆變器和儲能裝置，并對引入H2 儲能對系統的影響做了分析。

 

  文獻[62]對加拿大北部建有約300 個社區的村

 

  莊，分析了可再生能源供電的潛力，在原來柴油機發電的基礎上增加了風力發電，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電、儲能裝置以及柴油機發電的供電系統的經濟和環境效益，并用MATLAB Simulink 建立了一個經濟-環境優化模型進行仿真，比較二者計算結果發現經濟、環境指標的區別很小，僅在儲能電池的相關結果中有區別，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，對7 個村莊進行了供電能源規劃和設計，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

 

  海地區大型觀光酒店為例進行了能源規劃及優化設計，與HYBRIDS 的計算結果進行了比較后發現二者的凈現值成本可相比擬。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，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別。此外，RETScreen 以美國國家航空航天局(NASA)的全球衛星太陽能數據為基礎開發了一種新的全球氣候數據庫[70]，節省了大量成本，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）基于線性規劃理論；2）能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環境等功能在相應的獨立子模塊中實現；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）模塊之間相互聯系、相互影響；6）多針對全球、國家或區域范圍進行研究；7）規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劃中也有一些應用，但所得規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劃分析，但在規劃中通常只能考慮一種可再生資源發電形式。

 

  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、環境等功能統一實現，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化規劃方案，還能模擬系統的運行過程，提供全年每小時各種可再生能源發電量及系統電力平衡情況；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域可再生電力能源規劃或者規模更小的村莊、社區、住宅的能源規劃及優化設計中得到了較為廣泛的應用，其仿真優化結果能為發展規劃的制定、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

 

  通過可再生能源規劃模型對比及應用研究發現：

 

  1）目前在可再生能源規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性和友好性較差。

 

  現有基本框架不能較明晰地反映不同規模研究對象、不同行業等方面的特點。

 

  現有基本框架模塊的輸入數據量較大，統計數據的嚴重缺失成為阻礙能源規劃研究有效進行的一個重要問題；同時，較多重要規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劃模型中，所包含的可再生資源種類較少，以當前開發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劃模型在實踐中受到很大限制。

 

  基于單一角度的能源規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，在能源規劃中應用將更為廣泛。

 

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

 

  2.2 展望

 

  可再生能源規劃能夠為可再生能源發展提供發展方向和思路，因此，需要進一步提高研究、開發、使用能源規劃模型解決能源規劃、布局問題必要性和重要性的認識。解決能源可持續發展問題的迫切需求將會促進可再生能源規劃模型的迅速發展。從目前的研究情況來看，未來可再生能源規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、有參考價值的規劃結果將有利于可再生能源的開發利用走出實驗室階段，加速其商業化進程。

 

  2）可再生能源規劃模型功能將繼續得到優化，具備多種能源形式統一協調規劃功能的能源規劃模型將得到更長足的發展，能綜合考慮經濟、環境、技術等方面因素的混合能源模型功能將得到優化。

 

  3）有必要在可再生能源規劃模型的優化目標中增加對技術形式的考量，這樣規劃結果就不僅僅是經濟性最優，同時也對應用各種新技術帶來的效益進行了優劣排序，提高能源規劃結果的可實現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，為能源可持續發展戰略提供技術保障和可實現性。

 

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

 

  5）我國統計年鑒的數據結構需要進一步得到完善，各項統計指標的歷史資料需要有效得到保存，以解決能源規劃中可再生能源統計數據嚴重缺失的問題；需要建立可再生能源相關指標統計的標準體系，完善區域級甚至國家級指標的統計，并研究這些指標的綜合處理方法以保證能源規劃的客觀性，使得各級可再生能源規劃的結果更合理、更有指導意義，最終落實國家可再生能源規劃，為實施可再生能源重點發展領域、項目實施優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、利用的特點，研究開發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劃面臨的一項重要任務。

 

  為更有效地進行能源規劃，更好地發揮能源規劃對國家能源戰略制定、推動科學技術發展方面的作用，如何更合理地構建能源規劃模型框架、實現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，結合區域自身資源優勢和特點，考慮未來可再生能源技術發展的特征，制定不同時期各種可再生能源的激勵政策及發展目標，進行可再生能源規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劃研究的集成結構模型及其現狀進行了綜述，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劃提供參考。

 

  基于線性規劃理論的IIASA-WEC E3、IPAC、POLES 和NEMS 等混合能源規劃模型能在獨立子模塊中分別實現能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環境等功能；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電優化模型HOMER能同時考慮經濟與技術因素，統一實現能源、經濟、供應、轉化、需求、社會、環境等功能，進行區域能源規劃研究；但在較廣闊區域能源規劃的應用上有待深入。

 

  可再生能源發電技術的發展為更充分、更合理開發潛力巨大的可再生資源提供了技術基礎。為了發揮可再生能源發電在實現能源、經濟、環境綜合可持續發展中的積極效應，進行區域可再生電力能源規劃研究有著重要的理論與應用價值。