胡恩德，楊 歡，趙榮祥，鄭太英

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

海洋蘊(yùn)含著巨大的能量[1]。開發(fā)利用海洋能的主要形式有海上風(fēng)電、潮汐能發(fā)電、潮流能發(fā)電和波浪能發(fā)電等[2]。海上風(fēng)電項目受到陸上風(fēng)電項目的帶動，研究與開發(fā)起步較早[3]。1991年，丹麥建立第一個海上風(fēng)電工程，到2001年海上風(fēng)電已進(jìn)入商業(yè)化示范階段[4]。到2015年，全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)12 GW[5]，預(yù)測到2020年，全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)55 GW[6]。截止到2015年底，我國已完成安裝海上風(fēng)機(jī)總裝機(jī)容量超過1 000 MW，在建2 300 MW，待開工1 240 MW[7]。但是海上風(fēng)電發(fā)展也存在一些瓶頸問題，主要是安裝維護(hù)費(fèi)用較高，造價約為陸上風(fēng)電的2倍[8]，且海上風(fēng)力單一能源發(fā)電時，出力波動性較大，可預(yù)測性較差，海上風(fēng)電接入電網(wǎng)將直接影響陸地電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定與功率平衡[9]。而另一種成功應(yīng)用的海洋能-潮流能輸出能量的波動具有周期性，便于預(yù)測[10]。因此，海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)開始引起人們的關(guān)注，Rahman等[11]提出了一種海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)(HOTT)，給出了一種新穎的系統(tǒng)布局方式與發(fā)電控制方式，可以有效降低系統(tǒng)總成本，并提高出力穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，通過控制潮流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和逆變器頻率使得潮流電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)平滑切換，從而可以補(bǔ)償風(fēng)功率的波動，使得系統(tǒng)輸出功率更加平滑[12];文獻(xiàn)[13]中提出了一種帶有飛輪儲能裝置的海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并通過仿真驗證了該系統(tǒng)的動靜態(tài)穩(wěn)定性。

本研究主要進(jìn)行海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量配置的研究。

1 海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的特點

浙江海上風(fēng)能和潮流能具有較好的互補(bǔ)特性。從時間上來看，以舟山為例，該市岱山縣衢山島月平均風(fēng)速如圖1所示[14]。

圖1 舟山市岱山縣衢山島月平均風(fēng)速圖

該市岱山縣龜山航門水道月平均潮流流速如圖2所示[15-16]。

圖2 舟山龜山航門水道月平均潮流流速圖

可以看出，將風(fēng)能和潮流能聯(lián)合利用有利于提高發(fā)電系統(tǒng)的出力穩(wěn)定性。

2020年前，舟山市規(guī)劃近海風(fēng)電場總?cè)萘繛? 550 MW[17]。同樣，舟山市潮流能資源也十分豐富，海上風(fēng)電和潮流發(fā)電的地理位置接近，將二者建立在同一平臺可有效降低建設(shè)成本?？紤]到裝置的可靠性和安全性，一般采用基礎(chǔ)強(qiáng)度較高的樁柱式基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)[18]。

風(fēng)潮聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)平臺示意圖如圖3所示[19]。

圖3 風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)平臺示意圖

風(fēng)輪機(jī)和潮流水輪機(jī)采用發(fā)電效率較高的水平軸式渦輪機(jī)。風(fēng)力發(fā)電和潮流發(fā)電的發(fā)電機(jī)類型主要有雙饋感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。

2 海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模

海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)方式分為直流母線組網(wǎng)方式、交流母線組網(wǎng)方式和交直流混合母線組網(wǎng)方式[20]。直流母線組網(wǎng)方式不存在各分布式電源同步并網(wǎng)的問題，且使用統(tǒng)一的DC/AC變換器，采用直流母線可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性與抗擾性。因此，該系統(tǒng)采用直流母線組網(wǎng)方式。海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、潮流發(fā)電機(jī)、蓄電池、逆變器、負(fù)荷、電網(wǎng)，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2.1 風(fēng)速模型

風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的大小密切相關(guān)。短時間內(nèi)，風(fēng)速的變化是隨機(jī)的，從長期來看，風(fēng)速的概率分布可以用威布爾分布來模擬[22]，威布爾分布的概率密度如下式所示：

(1)

式中：v—實際風(fēng)速；k—形狀參數(shù)；c—尺度參數(shù)。

2.2 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)的葉片半徑為rw，空氣密度為ρw，風(fēng)速為vw，由風(fēng)輪機(jī)空氣動力學(xué)可知，風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率如下式所示[23]：

(2)

式中：Cpw(λw,βw)—風(fēng)能利用系數(shù)；λw—風(fēng)機(jī)的最佳葉尖速比；βw—風(fēng)機(jī)的槳距角。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下變槳距風(fēng)機(jī)輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系可用如下式所示的分段函數(shù)近似表示[24]：

(3)

式中：v—實際風(fēng)速；vci—切入風(fēng)速；vco—切出風(fēng)速；vr—額定風(fēng)速；Pr—風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定輸出功率。

2.3 潮流流速模型

潮流流速的波動具有周期性。潮流流速存在半日、半月、月、年、18.61年等多個周期，本研究考慮半日周期、半月周期和年周期。忽略流速的不對稱性，潮流流速的變化規(guī)律可由下式表示：

(4)

式中：Vm—指平均最大流速；k，k′—波動系數(shù)；T″—年周期(T″=8 760 h)；T′—大小潮周期(T′=354 h22 min 14 s)；T—潮流周期(T=12 h25 min 14 s)。

2.4 潮流電機(jī)模型

潮流電機(jī)的出力特性與風(fēng)力機(jī)類似，潮流能水輪機(jī)的葉片半徑為rt，海水密度為ρt，海水流速為vt，則葉輪軸上輸出的機(jī)械功率為：

(5)

式中：Cpt(λt,βt)—潮流能利用系數(shù)；λt—潮流能水輪機(jī)的最佳葉尖速比；βt—水輪機(jī)的槳距角。

3 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的評價指標(biāo)

3.1 年度容量缺額比例

年度容量缺額比例表征系統(tǒng)的供電可靠性，是聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的主要評價指標(biāo)之一，其表示方式如下式所示[25]：

(6)

(7)

式中：Ploss(ti)—第i個小時的功率缺額；PLD(ti)—第i個小時的負(fù)荷功率；PL(ti)—第i個小時的負(fù)荷功率與運(yùn)行備用功率之和；PLa(ti)—第i個小時風(fēng)力機(jī)、潮流電機(jī)、電網(wǎng)、蓄電池可以提供的功率之和；N—一年中的采樣點數(shù)，取8 760。

3.2 可再生能源供電比例

可再生能源供電比例表征系統(tǒng)的可再生能源利用率，其表示方式為：

(8)

式中：Wwt，Wtt，Wgd—風(fēng)力機(jī)、潮流機(jī)、電網(wǎng)的年度供電量。

3.3 系統(tǒng)成本

系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本(net present cost, NPC)是進(jìn)行尋優(yōu)的最主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在進(jìn)行仿真時，首先得到滿足系統(tǒng)約束條件的可行方案，再按照NPC從小到大的順序進(jìn)行最優(yōu)化排序。系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本為：

CNPC=Cint+Copt+Crep+Cgdp+Cpet-Cgds-Csav

(9)

式中：Cint，Copt，Crep，Cgdp，Cpet，Cgds，Csav—系統(tǒng)初始投資，運(yùn)行維護(hù)投資、設(shè)備更換投資、從電網(wǎng)購電投資、從電網(wǎng)購電造成等效污染處罰投資、售電給電網(wǎng)獲得的收入、系統(tǒng)殘值。其中系統(tǒng)殘值為系統(tǒng)各設(shè)備殘值之和，設(shè)備殘值定義為：

(10)

式中：Crepn—某設(shè)備的更換投資；Rrem—該設(shè)備的剩余生存時間；Rcomp—該設(shè)備的生命周期。

需要注意的是計算NPC時要考慮折現(xiàn)率，即將除初始年份外的其他年份的成本值按一定比例折算到初始年份，折現(xiàn)率一般取6%。

4 算例仿真分析

為了驗證海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可行性，基于HOMER軟件，以浙江舟山龜山水道為參考區(qū)域，搭建了海上風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

算例中的負(fù)荷功率Pload利用HOMER軟件的典型負(fù)荷曲線生成，平均負(fù)荷為6.16 MW，峰值負(fù)荷為20 MW。風(fēng)速曲線由HOMER軟件將舟山市岱山縣衢山島月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)按威布爾分布離散生成；潮流流速以岱山縣龜山水道為例，最大流速取3.76 m/s，忽略潮流不對稱性，k取0.2,k′取0.1，Vm取2.86 m/s，按照式(4)離散生成潮流流速曲線。

年負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 年負(fù)荷曲線

潮流流速和風(fēng)速的曲線如圖6所示。

圖6 風(fēng)速和潮流流速曲線

風(fēng)力機(jī)采用華銳風(fēng)電公司的SL3 000/121機(jī)型，風(fēng)力機(jī)的出力曲線由式(3)計算得到。現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電造價為16 000元～22 000元/kW[26]，本文取19 000元/kW，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取初始投資的5%，生命周期取20年[27]。

SL3000/121風(fēng)力機(jī)的參數(shù)如表1所示[28]。

表1 SL3000/121風(fēng)力機(jī)參數(shù)

軟件中的成本計算以美元為單位，成本參數(shù)按照匯率1美元等于6.88元換算。潮流能發(fā)電水輪機(jī)采用MCT公司的SeaGen-S機(jī)型，其出力曲線由HOMER給出。潮流能發(fā)電的初始投資取26 300元/kW[29]，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)同樣取初始投資的5%，生命周期取20年[30]。

SeaGen-S機(jī)型的參數(shù)如表2所示。

表2 SeaGen-S水輪機(jī)參數(shù)

蓄電池采用鋰離子電池。

仿真中使用的逆變器參數(shù)[31]如表3所示。

表3 逆變器參數(shù)

表4 蓄電池參數(shù)

系統(tǒng)中設(shè)置向電網(wǎng)購電的最大功率設(shè)置為20 MW，購電價為0.66元/kWh[32]，電網(wǎng)回購電量的最大功率設(shè)置為20 MW,回購電價為0.85元/kWh[33]，忽略分時電價，采用平均電價。此外還需考慮購電等效污染物罰款，污染物排放量與對應(yīng)罰款如表5所示。系統(tǒng)的生命周期取25年。該系統(tǒng)中的負(fù)荷為重要負(fù)荷，設(shè)置最大年度容量缺額比例為1%；為了充分利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電，本研究設(shè)置最小可再生能源供電比例為80%。

系統(tǒng)備用容量設(shè)置為當(dāng)前負(fù)荷的10%加上風(fēng)機(jī)輸出功率的50%，以應(yīng)對負(fù)荷與風(fēng)機(jī)輸出功率的波動。

表5 污染物排放量與對應(yīng)罰款

本研究在以上設(shè)置的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行尋優(yōu)仿真。

HOMER軟件中系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

容量配置優(yōu)化結(jié)果如表6所示。

表6 容量配置優(yōu)化結(jié)果

表6中前8行為系統(tǒng)以NPC排序的優(yōu)化結(jié)果。并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)取6臺風(fēng)力機(jī)與1臺潮流機(jī)時NPC最小，可再生能源供電比例為80%。當(dāng)系統(tǒng)只有風(fēng)力機(jī)時，系統(tǒng)需要8臺風(fēng)力機(jī)，可再生能源供電比例為81%；當(dāng)系統(tǒng)只有潮流機(jī)時，系統(tǒng)需要10臺潮流機(jī)，可再生能源供電比例為82%。可見風(fēng)潮聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)裝機(jī)臺數(shù)，減小系統(tǒng)所占水域面積，從而降低系統(tǒng)成本。

但NPC的值不是系統(tǒng)尋優(yōu)的唯一指標(biāo)，表6中最后一行為仿真結(jié)果中4臺風(fēng)力機(jī)與4臺潮流機(jī)的方案。與NPC最小的方案相比，該方案的NPC值上升了約5%，但是采用該方案可以節(jié)省2臺風(fēng)機(jī)所占水域面積，且風(fēng)力機(jī)和潮流機(jī)共用同一基礎(chǔ)平臺，總項目投資與維護(hù)費(fèi)用都會有所下降，且該方案的可再生能源供電比例為86%，減少了向電網(wǎng)的購電量。在具體系統(tǒng)中，可以根據(jù)實際情況合理選擇方案。

由于系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，向電網(wǎng)售電可以獲得更多的經(jīng)濟(jì)利益，且增加蓄電池的投資較大。在系統(tǒng)獨立運(yùn)行時，為了滿足最大年度容量缺額比例的約束，必須向系統(tǒng)添加蓄電池。此時系統(tǒng)的NPC值遠(yuǎn)大于并網(wǎng)運(yùn)行時的值。

HOMER軟件可進(jìn)行對系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度分析，在本系統(tǒng)中對風(fēng)速和潮流流速進(jìn)行靈敏度分析可為實際系統(tǒng)的方案選擇提供重要判斷依據(jù)。

進(jìn)口抗癌藥零關(guān)稅和藥品價格談判雙重政策對利益相關(guān)者的影響研究 …………………………………… 楊朵兒等（19）：2598

靈敏度分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 靈敏度分析結(jié)果

在具體系統(tǒng)中，可根據(jù)相應(yīng)海域風(fēng)速及潮流流速數(shù)據(jù)選擇合適的發(fā)電方案。

5 結(jié)束語

本研究從時間和空間角度定性分析了海上風(fēng)電和潮流發(fā)電的互補(bǔ)性，說明了二者聯(lián)合發(fā)電平臺的優(yōu)勢；并以其龜山為例，應(yīng)用HOMER對風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了尋優(yōu)和靈敏度分析。

結(jié)果表明：在滿足所設(shè)定的最大年度容量缺額比例與最小可再生能源供電比例的情況下，風(fēng)潮聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更好；對風(fēng)速與潮流流速進(jìn)行的靈敏度分析，指明了風(fēng)力、潮流獨立發(fā)電與風(fēng)力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的適用情況。

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