唐浩，楊國華，李卿

(寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)低碳效益建模研究

唐浩，楊國華，李卿

(寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021)

對風光互補發(fā)電系統(tǒng)低碳效益的研究具有重要意義。首先對系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的初始投入和運營維護成本及系統(tǒng)儲能設(shè)備的投入和維護成本進行建模;然后對系統(tǒng)的碳排放量及維護過程中產(chǎn)生的碳排放量進行模型分析;最后以某地的離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)為例，與單獨的風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果表明風光互補發(fā)電系統(tǒng)比單獨的風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更好的低碳效益。

風光互補;低碳效益;成本;建模

0 引言

環(huán)境問題越來越引起人們的關(guān)注，《巴黎協(xié)定》指出，全球?qū)⒈M快實現(xiàn)溫室氣體排放達峰，本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放;中國提出，到2030年左右CO2排放達到峰值、單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%～65%［1－3］。目前，我國電力行業(yè)CO2排放量占全國排放總量的很大一部分［4－5］，發(fā)展以風能和太陽能等新能源發(fā)電系統(tǒng)，對節(jié)能減排緩解溫室效應(yīng)具有重要意義。風能和太陽能具有隨機性和間接性，造成其能量密度比較低、穩(wěn)定性比較差;但風能和太陽能在時間和氣候上具有互補性，夏天陽光充足，風比較小，春天和冬天風大，陽光比較弱［6］。

利用風能和太陽能在時間和氣候上的互補性，組成風光互補發(fā)電系統(tǒng)，并合理的配置兩者容量的大小，可以提高系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性，并減少儲能容量的投入，對節(jié)能減排具有積極的作用，有助于推動低碳電力的發(fā)展。

對風光互補發(fā)電系統(tǒng)低碳效益研究具有重要意義。當前有關(guān)風電和光伏發(fā)電的低碳效益的分析大多針對單獨風力發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)，如羅鳳章給出了一種考慮并網(wǎng)光伏發(fā)電工程全壽命周期的低碳綜合效益分析模型［7］;孫英云介紹了一種考慮儲能影響的光伏發(fā)電碳減排量的計算方法［8］;朱柯丁對風電并網(wǎng)發(fā)電現(xiàn)在及未來的節(jié)能減排效益進行了研究［9］。然而，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)低碳效益的研究還比較少，本文分析了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的低碳效益并進行了建模研究。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)一般由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池組、逆變器等組成［10］?；谥绷髂妇€的組網(wǎng)方式，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示［11］。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)

根據(jù)天氣的變化情況可以將天氣情況大體分為四種:有風無光，有光無風，有風有光，無風無光。根據(jù)天氣的不同情況相應(yīng)的風光互補發(fā)電系統(tǒng)中風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組和蓄電池組的工作情況如表1所示。

表1 風光互補系統(tǒng)各部分工作情況

“+”表示蓄電池充電，“－”表示蓄電池放電。系統(tǒng)出力有余時取“+”，出力不足時取“－”。由于風能和太陽能的隨機性，致使風力發(fā)電機和太陽能光伏電池組輸出的功率輸出也具有隨機性。風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率關(guān)系可表示為［11］:

式中:Pz(t)為t時刻系統(tǒng)輸出的總功率;Pf(t)為t時刻風力發(fā)電機組輸出的功率;Px(t)為t時刻蓄電池組的輸出功率;Pg(t)為t時刻太陽能光伏電池組輸出功率;當風力發(fā)電機組和太陽能光伏電池組出力不足時取“+”，出力多余時取“－”。

從(1)式可知，當風能與太陽能具有較好的互補性時，Pz(t)輸出保持較好的穩(wěn)定性，Px(t)出力較少。則系統(tǒng)儲能容量的配置會相應(yīng)地減小。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排評估模型

2.1 系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的成本

對系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的成本研究主要從初始投入成本和后期的運行維護成本兩方面考慮。

2.1.1 初始投入成本

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本可表示為:

式中:Cz為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的總投入成本;Cf、Cg分別為單個風機和單位面積光伏電池板的費用;C為系統(tǒng)逆變器，變壓器，母線等的成本總和;N、M分別指風光互補發(fā)電系統(tǒng)中單個風機和單位面積光伏電池板的個數(shù)。

2.1.2 運行維護成本

運行維護成本主要考慮對風機和光伏電池板故障的維修和更換。年維護成本可表示為:

式中:Cwz為光伏互補發(fā)電系統(tǒng)總的年維護成本;N，M分別為單個風機和單位面積光伏電池板的個數(shù); Pf，Pg分別為單個風機和單位面積光伏電池板年維護成本系數(shù);Cwf，Cwg分別為單個風機和單位面積光伏電池板原固定資產(chǎn)值。

2.2 系統(tǒng)儲能設(shè)備的成本

由于風能和太陽能的隨機性和間接性，為保證風光互補發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的穩(wěn)定性和可靠性，需要在系統(tǒng)中增設(shè)一定的儲能設(shè)備。顯然，儲能設(shè)備的增設(shè)會增加投入成本和碳排放量。在系統(tǒng)節(jié)能減排效益研究中應(yīng)予以考慮。儲能設(shè)備的成本主要考慮投入成本和維護成本。

2.2.1 投入成本

投入成本可表示為:

式中:CB為總的儲能成本;cB為單位容量儲能設(shè)備的成本;G為系統(tǒng)中單位容量儲能設(shè)備的個數(shù)。

2.2.2 維護成本

年維護成本可表示為:

式中:CBz總的年維護成本;cBz單位容量儲能設(shè)備的原成本;l單位容量儲能設(shè)備的年維護成本系數(shù)。

2.3 系統(tǒng)減排效益的模型

對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的減排效益主要從發(fā)電設(shè)備的投入運行和維護過程中產(chǎn)生的碳排放量及儲能容量的投入運行和維護過程產(chǎn)生的碳排放量四個方面考慮。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備投入運行中的碳排放量可表示為［12－13］:

式中:Tz為風光互補發(fā)電系統(tǒng)年總碳排放量;Tf，Tg分別為單個風機和單位面積光伏電池板年碳排放量;T為系統(tǒng)逆變器，變壓器，母線等的碳成本總和; Ef，Eg為單位風機和單位面積光伏電池板的年發(fā)電量;f，g分別為風力發(fā)電機和太陽能光伏電池板發(fā)電的碳足跡計算結(jié)果。

對維護過程中產(chǎn)生的碳排放量按照維護成本進行估算可表示為:

式中:Twz為風光互補發(fā)電系統(tǒng)維護過程中的碳排放總量;Twf，Twg分別為單個風機和單位面積光伏電池板年碳排放量;Pwf，Pwg分別為單個風機和單位面積光伏電池板年維修率。設(shè)單位儲能容量設(shè)備在生產(chǎn)運輸安裝過程中的碳排放量為，則系統(tǒng)儲能設(shè)備總的碳成本投入量用TZB可表示為:

式中:b為儲能設(shè)備的碳足跡計算結(jié)果;B為儲能設(shè)備的單位容量大小。

維護過程中的碳排放量為:

式中:TWB為年維護總的碳排放量;tB為單位儲能容量的碳成本。

2.4 離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電收益

對于離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電收益研究，以滿足用戶的用電量所產(chǎn)生的收益為主。發(fā)電收益可表示為:

式中:Q總收益，元;J單位電的售價，kW·h;R為年用戶用電量，kW·h。

3 實例分析

以某地區(qū)測定的風力發(fā)電量，光伏發(fā)電量和居民用電量為例［14］(數(shù)據(jù)表2所示)，對該地區(qū)離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效益進行計算，并與單獨的風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)進行比較。該系統(tǒng)中選用的風力發(fā)電機容量為150W，太陽能電池板容量85WP，蓄電池容量為250A·h。

表2 某地區(qū)測定的風光發(fā)電量和用電量kW·h

3.1 初始投入估算

文獻［14］中給出了各部件當時的市場價。為定性的分析系統(tǒng)的效益，在此例分析中各部件的價格以當時的市場價為基準(見表3)。

表3 各部件的的價格

采用150W的風力發(fā)電機和85WP的太陽能電池板組成的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的一次性總得投入為6125元。

若采用單獨風力發(fā)電或太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在滿足居民用電量的條件下需重新配置風力發(fā)電機和太陽能光伏電池板的容量和儲能容量。

3.1.1 使用單獨的風力發(fā)電系統(tǒng)給用戶供電

從表2中可知，如果要采用單獨風力發(fā)電滿足8、9月份的用戶用電量，風機的容量應(yīng)為3×150W。相應(yīng)的控制逆變器的數(shù)量需增加，根據(jù)儲能容量的確定方法［11］，單獨風力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池容量應(yīng)選取500A·h較為合適。則計算可得單獨風力發(fā)電系統(tǒng)一次初始投入為6850元，其中控制逆變器費用為1800元。

3.1.2 使用單獨太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)給用戶供電

從表2中可以看出如果使用單獨太陽能光伏發(fā)電給用戶供電，太陽能電池板的容量選取為200WP較為合適。為避免連續(xù)的陰雨天對用電的影響，單獨太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池容量取500A·h較為合適。計算可得單獨太陽能光伏發(fā)電給負載供電系統(tǒng)的初始投入為9300元。

3.2 運行維護成本估算

運行維護成本主要包括發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的維護成本。根據(jù)(3)式和(5)式可得風光互補發(fā)電系統(tǒng)的年維修費為52.75元。單獨風力發(fā)電系統(tǒng)的年維修費為83.73元，單獨太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年維修費為63.3元。其中Pf、Pg、l分別取1.87%、0.79%、0.8%［15］。

3.3 減排效益估算

根據(jù)相關(guān)文獻，風力發(fā)電碳足跡的計算結(jié)果為4.97～69.60g/(kW·h)［16］。光伏電池板碳足跡按光伏發(fā)電最高碳足跡值計算，晶硅光伏電池發(fā)電系統(tǒng)碳排放33～50g/(kW·h)［17］。針對本文中選取的150W風力發(fā)電機，85WP太陽能光伏電池板，250A·h蓄電池。取f值為18g/(kW·h)，g值為33g/(kW·h)，b為50g/A·h［18］。

則根據(jù)式(6)、(7)、(8)、(10)、(11)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的年碳排放量為14.269kg;單獨風力發(fā)電系統(tǒng)的年碳排放量為14.836kg;單獨光伏發(fā)電系統(tǒng)的年碳排放量為21.999kg。根據(jù)式(9)、(12)風光互補發(fā)電系統(tǒng)年維護碳排放量為0.169kg;單獨風力發(fā)電系統(tǒng)年維護碳排放量為0.284kg;單獨光伏發(fā)電系統(tǒng)年維護碳排放量為0.181kg。

減排效益方面，風光互補發(fā)電系統(tǒng)年碳排放量比單獨風力發(fā)電系統(tǒng)少2835kg，比單獨太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)少38650kg。系統(tǒng)年維修碳排量方面，風光互補發(fā)電系統(tǒng)比單獨風力發(fā)電系統(tǒng)少575kg，比單獨太陽能發(fā)電系統(tǒng)少60kg。該系統(tǒng)的使用壽命以15a為限，一個生命周期風光互補發(fā)電系統(tǒng)與單獨的風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比成本投入將減少594.85萬元和1666.625萬元，將減少CO2排放51150kg和580650kg。

4 結(jié)語

建立了風光互補發(fā)電系統(tǒng)初始投入成本及減排效益的分析模型，并以某地區(qū)離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)為例對離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效益進行定量的計算，結(jié)果表明風光互補發(fā)電系統(tǒng)利用風能和太陽能的互補性，不但提高了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性，而且比單獨風力和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更好的節(jié)能減排效益。對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效益的研究，有助于對項目建設(shè)的評估和有效的利用風光資源，推動低碳電力的發(fā)展。

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Modeling of wind－solar hybrid generation system low－carbon benefits

It is significant to research the wind－solar hybrid generation system for its low－carbon comprehensive benefits.Firstly，it constructs the model for the initial investment in generating electricity equipment of system and the investment in operating maintenance costs，energy storage equipment of system as well as maintenance costs;Secondly，it analyzes the model of carbon emissions of system and carbon emissions generated in the process of maintaining;Finally，compared with individual wind and photovoltaic electricity system，taking the off－grid wind－solar hybrid generating electricity system somewhere as an example，a conclusion is drawn that wind－solar hybrid generating electricity system does better in saving energy than individual wind and photovoltaic electricity system.

wind－solar hybrid system;low－carbon benefits;cost;modeling

TK51

B

1674－8069(2016)05－047－04

2016-05-19

唐浩(1990-)，男，寧夏海原人，在讀研究生，研究方向為電工電子新技術(shù)。E－mail:757986177@qq.com

國家自然科學基金資助項目(71263043);寧夏自治區(qū)自然科學基金資助項目(NZ12140);寧夏自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計劃(2014)