幸旭彬，陳淼，李飛宇，曹健，馬云聰，魏繁榮，陳笑云

(1.南方電網(wǎng)廣東珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；3.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

海洋資源的探索與開發(fā)對(duì)于實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略至關(guān)重要。作為一個(gè)瀕海大國，我國擁有3.2×104kW海岸線，海洋能資源豐富，近海海洋能資源蘊(yùn)藏量約16.7×108kW，可開發(fā)量超6×108kW[1]。與此同時(shí)，針對(duì)海島電力供應(yīng)問題，近岸大型群島多以海底電纜與大陸并網(wǎng)，鋪設(shè)成本高且檢修難度大，而偏遠(yuǎn)小型海島仍以柴油發(fā)電機(jī)供電為主，供電可靠性差，發(fā)電成本高[2-3]。因海島陸上可開發(fā)太陽能、風(fēng)能資源規(guī)模受限，合理利用海島周邊波浪能、風(fēng)能等海洋可再生能源，構(gòu)建島內(nèi)發(fā)電單元協(xié)調(diào)生產(chǎn)、島間資源共享利用的多能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)海島可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。波浪能發(fā)電作為一種新興海洋可再生能源，具有就地取材、高效轉(zhuǎn)換與原位供能等優(yōu)勢，國內(nèi)外已對(duì)其展開了廣泛的研究[4]。按照發(fā)電技術(shù)不同，波浪能發(fā)電可大致分為近岸的小型波浪能發(fā)電系統(tǒng)群以及大型離岸漂浮式波浪能發(fā)電系統(tǒng)，后者在投放運(yùn)行時(shí)更加靈活方便，逐漸發(fā)展成為波浪能發(fā)電技術(shù)的主流[5-6]。

當(dāng)前，不少學(xué)者針對(duì)波浪能發(fā)電技術(shù)展開了研究。在資源開發(fā)利用方面：文獻(xiàn)[7]評(píng)估了中國南海海域波浪能開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益；文獻(xiàn)[8]分析了近年來中國南海島礁波候特征的長期變化趨勢；文獻(xiàn)[9-10]探討了在南海海域進(jìn)行波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的可行性。在功率預(yù)測方面：文獻(xiàn)[11]提出一種基于MEEMD-ARIMA模型的波浪能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率預(yù)測方法；文獻(xiàn)[12]提出一種利用灰色模型修正波浪能短期預(yù)測結(jié)果的方法；文獻(xiàn)[13-14]指出相比于其他形式清潔能源發(fā)電，波浪能功率具有更高的可預(yù)測性。在優(yōu)化運(yùn)行方面：文獻(xiàn)[15]針對(duì)近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)提出一種發(fā)電單元與儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同控制策略；文獻(xiàn)[16]提出一種基于近岸波浪能發(fā)電的海島供電方案；文獻(xiàn)[17]提出一種含波浪能、潮汐能的海島微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度方法；文獻(xiàn)[18]提出一種考慮運(yùn)行維護(hù)需求的海上風(fēng)能與波浪能聯(lián)合發(fā)電非同期規(guī)劃方法。

以上的研究多聚焦于近岸固定波浪能發(fā)電，以海底電纜形式與海島或大陸電網(wǎng)相連，通過岸邊儲(chǔ)能系統(tǒng)加以協(xié)同控制。然而，一方面，受地形、洋流等氣候條件影響，同一時(shí)間不同海域波浪能流密度分布差別迥異，將離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)通過海底電纜固定于某一泊位并不能完全發(fā)揮資源優(yōu)勢；另一方面，受海洋航道安全性、海底電纜鋪設(shè)成本等限制，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)通過架設(shè)海底電纜方式進(jìn)行能量外送的執(zhí)行難度較大。相比之下，換電船舶以集裝箱電池組為媒介，將清潔能源輸出電能儲(chǔ)存于電池中，并通過海島上閑置的船舶資源進(jìn)行外送，實(shí)現(xiàn)島嶼群間能量共享，具有更高運(yùn)行靈活性與經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)目前已得到廣泛的研究，具有良好的應(yīng)用前景[19-20]。

綜上所述，為解決近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)效率低、經(jīng)濟(jì)性差的問題，結(jié)合波浪能資源時(shí)空分布特征，本文提出一種基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略。第1階段：首先，針對(duì)離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電轉(zhuǎn)移計(jì)劃，提出基于虛擬泊位的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法；其次，基于南海北部海域歷史波浪能資源分布特征與逐月變化趨勢，以年發(fā)電量最大為目標(biāo)，制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年轉(zhuǎn)移策略。第2階段：針對(duì)四季典型運(yùn)行日下波能發(fā)電量外送問題，基于換電船舶時(shí)空轉(zhuǎn)移模型，構(gòu)建以集裝箱電池組為載體的能量外送通道，并以海島群典型運(yùn)行日下用能成本最低為目標(biāo)，制訂換電船舶最優(yōu)電量外送方案。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了電池組數(shù)、離岸距離等因素對(duì)采用換電船舶外送電量經(jīng)濟(jì)性的影響。最后，通過仿真算例驗(yàn)證本文所提策略的優(yōu)越性。

1 考慮海洋資源時(shí)空分布特征的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)靈活電量外送策略研究

1.1 我國南海北部海域波浪能資源時(shí)空分布特征與出力特性分析

當(dāng)前研究表明[7,21]，我國南海海域蘊(yùn)藏著十分豐富的波浪能資源。這些波浪能資源具有明顯的時(shí)空分布特征。從地理位置上看，南海北部海域波資源分布大致呈現(xiàn)出東北-西南走向，大部分海域波浪能流密度為5～15 kW/m，具有極大的可開發(fā)潛力；另一方面，從時(shí)間尺度上看，受西太平洋的季風(fēng)氣候影響，波浪能資源分布隨季節(jié)有較明顯的變化趨勢，秋冬季節(jié)的波功率密度較大，為8～15 kW/m，春夏季節(jié)波功率密度較小，在5～9 kW/m之間。

當(dāng)前，500 kW以上大功率波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用主要集中于近岸海域，以海底電纜形式饋入海島電網(wǎng)或大電網(wǎng)，通過岸邊儲(chǔ)能系統(tǒng)加以協(xié)同控制。然而，這樣的運(yùn)行方式存在諸多問題[22]：一方面，由于近岸波浪能資源相對(duì)稀疏，發(fā)電系統(tǒng)并不能完全發(fā)揮其資源優(yōu)勢，發(fā)電效率低下，且由于海纜投資成本大，系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)；另一方面，受地形、海洋季風(fēng)氣候變化影響，波浪能資源分布具有明顯季節(jié)變化特征，一天之中具有明顯間歇性和波動(dòng)性，電能質(zhì)量不高，難以滿足負(fù)荷需求。

隨著離岸技術(shù)的發(fā)展與成熟，將波浪能發(fā)電系統(tǒng)向深海海域投放得到進(jìn)一步關(guān)注[23]。相比于近岸波浪能發(fā)電，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)可通過船舶拖航、投放、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)到達(dá)指定海域開展作業(yè)。這一特性極大地提升了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和靈活性。一方面，依據(jù)不同季節(jié)下不同海域波浪能分布特征，可制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)較長時(shí)間尺度下的轉(zhuǎn)移和發(fā)電計(jì)劃，以進(jìn)一步提升發(fā)電效率；另一方面，結(jié)合短時(shí)間尺度下不同海島群負(fù)荷需求特性，能夠優(yōu)化波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量外送方案，發(fā)揮海島間資源互補(bǔ)優(yōu)勢，在降低海島群用能成本的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。

1.2 基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略

基于前一節(jié)的分析，本研究提出一種基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略，如圖1所示，圖中N、M、I、S分別為泊位、換電船舶、海島、電池組的總數(shù)。

SOC—荷電狀態(tài)，state of charge的縮寫。

第1階段，根據(jù)南海北部海域歷史波浪能資源分布特征與逐月變化趨勢，以年發(fā)電量最大為目標(biāo)，制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年拖航計(jì)劃。由于海洋氣候變化具有的周期性和時(shí)空連續(xù)性特點(diǎn)，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航計(jì)劃同樣伴隨著周期性和連續(xù)性特征；另一方面，考慮到拖行投放需要經(jīng)過拖輪拖帶、拋錨及收錨等步驟，轉(zhuǎn)移過程較為繁瑣，且拖行航行時(shí)間容易受海洋季風(fēng)氣候影響，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年拖行計(jì)劃的內(nèi)容不宜過多。基于以上分析，本文提出基于虛擬泊位的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法，并以月為時(shí)間間隔進(jìn)行優(yōu)化，將其在時(shí)間尺度和空間尺度上的動(dòng)作行為解耦。以3個(gè)泊位點(diǎn)為例進(jìn)行說明，如圖2所示。

圖2 虛擬泊位連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of virtual berth connection

采用1組布爾變量{In,n,t，Ij,n,t}描述波浪能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移過程，其中：In,n=1時(shí)表示離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)位于泊位n，處于發(fā)電狀態(tài)；Ij,n=1則表示離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)處于從泊位j向泊位n的拖行過程中，此時(shí)無法開展電力生產(chǎn)；用下標(biāo)t表示時(shí)段t時(shí)的參數(shù)，下同。當(dāng)由于拖行距離較遠(yuǎn)無法在單一調(diào)度時(shí)間尺度內(nèi)完成拖航時(shí)(如從泊位1至3)，引入泊位2作為中間泊位點(diǎn)，此時(shí)，I2,2置1，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)可在泊位2處進(jìn)行電力生產(chǎn)，并在下一時(shí)刻轉(zhuǎn)運(yùn)至泊位3。

第2階段，針對(duì)四季典型運(yùn)行日下的波能發(fā)電量外送問題，考慮以海島上閑置的柴油動(dòng)力運(yùn)輸船(班船、旅游船、貨船等)為載體，以換電集裝箱電池組為媒介，構(gòu)建波能發(fā)電量外送通道。基于海島群四季(3月、6月、9月、12月)典型運(yùn)行日下負(fù)荷與清潔能源出力數(shù)據(jù)，模擬不同海島之間需求差異性以及同一海島在不同季節(jié)典型運(yùn)行日下的負(fù)荷變化特征。進(jìn)一步研究，以海島群日用能成本最低為目標(biāo)，以1 h為時(shí)間尺度進(jìn)行優(yōu)化，得到四季典型運(yùn)行日下的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)電量外送策略。

2 模型構(gòu)建

本章旨在構(gòu)建離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)、動(dòng)力運(yùn)輸船舶及換電集裝箱的時(shí)空轉(zhuǎn)移模型。

2.1 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 出力模型

根據(jù)文獻(xiàn)[24]研究成果，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程主要由波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(wave energy converter，WEC)完成，其功率密度模型為

(1)

式中：pwave,t為時(shí)段t每米波峰產(chǎn)生的波功率；ρ為海水密度；g為重力加速度；ht為時(shí)段t有效波高；Tw為來波周期。

當(dāng)WEC的有效寬度為L時(shí)，波浪能發(fā)電系統(tǒng)的捕獲功率

Pwave,t=pwave,tηwvL.

(2)

式中ηwv為來波吸收率，取值為0.1～0.15。

2.1.2 拖航模型

經(jīng)過1.2節(jié)分析，推導(dǎo)出N個(gè)泊位點(diǎn)下離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航建模過程，如圖3所示。

圖3 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移示意圖Fig.3 Schematic diagram of the movement of offshore wave power generation system

N個(gè)泊位點(diǎn)下離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)的拖航過程可采用式(3)拖航狀態(tài)唯一性約束、式(4)路徑連續(xù)性約束以及式(5)調(diào)度周期性來表征：

(3)

(4)

In,n,0=In,n,T.

(5)

2.2 動(dòng)力運(yùn)輸船

以海島周圍閑置的柴油動(dòng)力運(yùn)輸船作為載體，構(gòu)建其時(shí)空轉(zhuǎn)移模型。當(dāng)船舶以固定航速vs行駛時(shí)，船舶出行時(shí)間成本可以表示為：

(6)

船舶時(shí)空轉(zhuǎn)移模型如下所示：

(7)

ev,i,t+dv,i,t≤1,?i∈ψ,?t∈Γ；

(8)

(9)

ev,i,t-dv,i,t=uv,i,t-uv,i,t-1,?i∈ψ,?t∈Γ.

(10)

式(7)—(10)描述了船舶航行的空間唯一性與連續(xù)性約束，式中：布爾變量{uv,i,t，ev,i,t，dv,i,t}用來描述船舶轉(zhuǎn)移過程建模，其中uv,i,t為換電船舶在海島i的位置變量，ev,i,t、dv,i,t分別為到達(dá)、離開變量；ψ為節(jié)點(diǎn)(海島、泊位等)集合；Γ為優(yōu)化周期內(nèi)時(shí)段集合。

動(dòng)力運(yùn)輸船出行成本包含柴油消耗成本Cf及船舶等效投資及人工維護(hù)成本Cv。當(dāng)以動(dòng)力運(yùn)輸船固定航速vs行駛時(shí)，Cf與航行里程和載重有關(guān)，

(11)

式中：εv,1為換電船舶空載時(shí)的轉(zhuǎn)移成本；εv,2為單個(gè)集裝箱電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的附加轉(zhuǎn)移成本；ub,s,i,t為電池組s在海島i的位置變量。

采用年等效投資成本對(duì)船舶維護(hù)成本Cv進(jìn)行計(jì)算，

(12)

式中：Cs為總投資成本；l為貼現(xiàn)率，取值0.05；p為有效運(yùn)行年限，取值為25。

2.3 換電集裝箱

兆瓦級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝便捷等特點(diǎn)，目前已得到廣泛研究與應(yīng)用[25]。其運(yùn)行約束如下所示。

2.3.1 時(shí)空轉(zhuǎn)移約束

換電集裝箱時(shí)空轉(zhuǎn)移過程依賴于柴油動(dòng)力船舶實(shí)現(xiàn)，換電集裝箱時(shí)空轉(zhuǎn)移模型如下所示：

(13)

eb,s,i,t+db,s,i,t≤1，

(14)

eb,s,i,t-db,s,i,t=ub,s,i,t-ub,s,i,t-1，

(15)

eb,s,i,t≤ev,i,t，

(16)

db,s,i,t≤dv,i,t.

(17)

式(13)—(17)中布爾變量{ub,s,i,t，eb,s,i,t，db,s,i,t}用來描述電池組轉(zhuǎn)移過程建模，eb,s,i,t、db,s,i,t分別為電池組s在時(shí)段t到達(dá)、離開海島i的指針變量。式(13)—(15)表征集裝箱電池組的空間唯一性與連續(xù)性約束，式(16)、(17)建立起電池組與動(dòng)力船舶轉(zhuǎn)移過程的耦合關(guān)系。

2.3.2 功率守恒約束

換電集裝箱充放電過程需滿足以下功率守恒約束：

0≤Pc,s,i,t≤ub,s,i,tPmax，

(18)

0≤Pd,s,i,t≤ub,s,i,tPmax，

(19)

kSOC,min≤kSOC,s,i,t≤kSOC,max，

(20)

kSOC,s,i,0≤kSOC,s,i,24，

(21)

kSOC,s,i,t-(1-γ)kSOC,s,i,t-1=

(Pc,s,i,tη-Pd,s,i,t/η)/Eb.

(22)

式(18)—(22)中：Pc,s,i,t、Pd,s,i,t為時(shí)段t電池組s在海島i上的充、放電功率；kSOC,s,i,t為SOC值，kSOC,max、kSOC,min分別為其上、下限；Eb為集裝箱電池組的額定容量；γ為電池自損耗系數(shù)；η為電池充放電損耗系數(shù)；Pmax為充放電功率最大值。

為簡化表示，采用損耗成本系數(shù)εb來描述集裝箱電池組單次充放電對(duì)應(yīng)的等效損耗成本Cb[26]，

(23)

式中：εb取值0.02元/kW；Δt為時(shí)段的時(shí)長。

2.4 柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行約束包含機(jī)組出力上下限約束和爬坡約束，如下所示：

utPDG,min≤PDG,t≤utPDG,max，

(24)

-Rd≤PDG,t-PDG,t-1≤Rd.

(25)

式(24)、(25)中：ut為機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變量，其值為1表示運(yùn)行狀態(tài)，值為0表示關(guān)停狀態(tài)；PDG,t為柴油發(fā)電機(jī)出力，PDG,max、PDG,min分別為其上、下限；Rd為柴油機(jī)組最大爬坡速率。

柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電成本

(26)

式中εDG為燃油購買價(jià)格。

3 優(yōu)化框架與求解

第1階段，以離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量最大化(maxW)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，即

(27)

第2階段，以海島群在四季典型運(yùn)行日下的用能成本最低(minC)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，即

(28)

本研究仿真環(huán)境為MATLAB r2021b，內(nèi)存為16 GB，i7處理器2.5 GHz。式(27)、(28)所示優(yōu)化模型均為混合整數(shù)線性模型，可基于MATLAB調(diào)用gurobi商業(yè)求解器進(jìn)行求解。

4 算例分析

4.1 仿真基礎(chǔ)

以廣東珠海萬山海域某孤立海島群為例進(jìn)行分析，海島地理位置及波浪能泊位分布如圖4所示。其中，海島1裝設(shè)有2×250 kW小型風(fēng)力機(jī)和3×1 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組，海島2裝設(shè)500 kW分布式光伏發(fā)電和3×1 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組?？紤]海島沿岸500 m范圍內(nèi)設(shè)有波浪能發(fā)電泊位1和泊位2，500 kW波浪能發(fā)電系統(tǒng)可通過35 kV海纜并入海島電網(wǎng)。為簡化分析，考慮泊位3—8均勻排布位于海島附近近海海域，換電船舶可在1個(gè)調(diào)度時(shí)間間隔內(nèi)完成集裝箱電池組的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

圖4 采用換電船舶外送電量示意圖Fig.4 Schematic diagram of power delivery using power exchange ships

海島四季典型運(yùn)行日負(fù)荷與清潔能源出力情況如圖5所示；基于國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)，典型泊位有效波高分布如圖6所示[27]。根據(jù)天津力神電池股份有限公司提供的數(shù)據(jù)，集裝箱電池組采用磷酸鐵鋰電池為能量載體，額定容量2×1 000 kWh，有效利用小時(shí)數(shù)8 h，SOC最大、最小值分別為0.95、0.1，充放電損耗系數(shù)0.015，自損耗系數(shù)0.001，等效充放電成本0.06元/kW[28]。島上柴油發(fā)電機(jī)出力的爬坡速率為0.2Pe(Pe為發(fā)電機(jī)額定出力)，出力上、下限分別為1.05Pe、0.1Pe，發(fā)電成本2.68元/kWh；根據(jù)廣東江龍船舶制造有限公司提供的數(shù)據(jù)，船舶初始投資費(fèi)用800萬元，設(shè)計(jì)航速10 n mile/h，航行成本εv,1=150元/次，εv,2=40元/(組?次)；海纜年均投資成本30萬元/km，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航成本5 000元/次。

圖5 負(fù)荷與清潔能源出力曲線Fig.5 Load and new energy output curves

圖6 年有效波高分布圖Fig.6 Distribution of annual significant wave heights

為了進(jìn)一步體現(xiàn)本文所提策略優(yōu)越性，設(shè)置如下對(duì)比方案：

方案1，離岸(泊位3—8)波浪能發(fā)電經(jīng)換電船舶送至海島1、2；

方案2，近岸(泊位1)波浪能發(fā)電經(jīng)海纜接入海島1；

方案3，近岸(泊位2)波浪能發(fā)電經(jīng)海纜接入海島2。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 不同方案出力與收益情況分析

不同方案四季典型運(yùn)行日下各種能源出力情況如圖7所示，方案1、2、3的年發(fā)電量分別為3 498.29 MWh、643.96 MWh、799.72 MWh。

圖7 四季典型運(yùn)行日海島各種能源出力Fig.7 Various energy outputs in the island on a typical day in four seasons

由圖7可以看出，相比于方案2、3，通過優(yōu)化年發(fā)電及轉(zhuǎn)移計(jì)劃，方案1中離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四季的功率最大跟蹤，發(fā)電效率大大提升。從年優(yōu)化時(shí)間尺度上看，在需求側(cè)，海島1負(fù)荷高峰主要位于夏秋季，海島2負(fù)荷高峰位于夏冬季；在新能源出力方面，海島1風(fēng)電出力在春冬兩季較為旺盛，在夏秋季節(jié)較為貧乏，海島2光伏出力在夏秋季節(jié)較為旺盛，在春冬季節(jié)較少(由圖5可知)。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模波浪能能量外送，方案1中換電船舶選擇在夏秋季節(jié)前往海島1供電，在春冬季節(jié)前往海島2供電，以填補(bǔ)負(fù)荷增長和新能源削弱造成的發(fā)電空缺，實(shí)現(xiàn)島間功率協(xié)同互補(bǔ)。從日內(nèi)優(yōu)化時(shí)間尺度上看：在春冬典型運(yùn)行日下，集裝箱電池組出力時(shí)段集中于傍晚和凌晨，與海島2光伏出力形成良好互補(bǔ)；而在夏秋典型運(yùn)行日下，出力時(shí)段則集中于白天，與海島1風(fēng)電出力時(shí)段形成互補(bǔ)?？梢?，以換電船舶形式進(jìn)行波浪能能量外送，不僅可以實(shí)現(xiàn)大小可調(diào)的功率輸出，還能滿足外送波浪能功率在島間的靈活切換，進(jìn)一步降低了海島群整體用能成本。

相比之下，在方案2、3中，由于波浪能發(fā)電功率直接饋入海島電網(wǎng)，其自身出力波動(dòng)性無法與風(fēng)光出力波動(dòng)性相互協(xié)調(diào)。當(dāng)海島負(fù)荷小于清潔能源出力時(shí)，會(huì)引發(fā)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，新能源利用率降低；而當(dāng)負(fù)荷大于清潔能源出力時(shí)，僅能靠柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率缺額補(bǔ)充，進(jìn)而導(dǎo)致海島用能成本增加。

不同方案下海島群年用能成本見表1?？梢钥闯觯啾扔诜桨?、3，方案1中雖然增加了集裝箱電池組、換電船舶的投資維護(hù)成本，但能夠協(xié)助消納更多清潔能源出力，柴油發(fā)電機(jī)負(fù)擔(dān)明顯減少，海島群年用能成本下降約10.91%?？梢?，以換電船舶形式進(jìn)行離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)電量外送具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表1 不同方案下海島群用能成本對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of island energy costs in different schemes 萬元

4.2.2 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移計(jì)劃分析

方案1中離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年轉(zhuǎn)移計(jì)劃如圖8所示?？梢钥闯?，受波浪能資源在時(shí)間和空間分布變化的影響，在春冬兩季，波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要位于泊位3、4，在夏秋季節(jié)，波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要位于泊位5—7，年均發(fā)電功率在300 kW以上。相比之下，近岸泊位1、2全年波浪能資源較少，年均發(fā)電功率低于150 kW。

圖8 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年轉(zhuǎn)移計(jì)劃Fig.8 Annual transfer plan of offshore wave power generation system

4.2.3 方案1集裝箱電池組優(yōu)化結(jié)果分析

四季典型運(yùn)行日下集裝箱電池組SOC變化趨勢如圖9所示；換電船舶及集裝箱電池組轉(zhuǎn)運(yùn)過程如圖10所示，圖中位置0為離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)所處位置，位置1為海島1(風(fēng)電)，位置2為海島2(光伏)?？梢钥闯觯谒募镜湫瓦\(yùn)行日下，每個(gè)集裝箱電池組均有1次較為完整的充放電過程，運(yùn)行效率較高。以春季典型運(yùn)行日12時(shí)刻左右為例分析，此時(shí)1號(hào)電池組在離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)處充電，2號(hào)電池組SOC處于較高水平，依托換電船舶由波浪能發(fā)電泊位處向海島2轉(zhuǎn)移，3號(hào)電池組則位于海島2，處于放電狀態(tài)?？梢姡煌姵亟M優(yōu)化運(yùn)行在時(shí)間和空間尺度上形成良好的互補(bǔ)性，能夠滿足海島負(fù)荷不間斷供電需求。

圖9 四季典型運(yùn)行日電池組SOC變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of battery pack SOC changes on typical days in four seasons

圖10 四季典型運(yùn)行日電池組位置變化示意圖Fig.10 Schematic diagram of battery pack position changes on typical days in four seasons

除此之外，由圖10可知，從季節(jié)尺度上看，在季風(fēng)較強(qiáng)的春冬季節(jié)，換電船舶主要參與光伏海島(海島2)的能量外送和補(bǔ)給，而在光照較強(qiáng)的夏秋季節(jié)，換電船舶前往風(fēng)電海島(海島1)進(jìn)行能量補(bǔ)給，從而避免了海島上大規(guī)模季節(jié)性的棄風(fēng)棄光?？梢姡該Q電船舶為載體構(gòu)建能量轉(zhuǎn)移通道能夠?qū)崿F(xiàn)不同海島之間靈活能量供給，在避免資源冗余配置的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度下清潔能源最大化利用。

4.3 影響因素分析

為進(jìn)一步分析波浪能發(fā)電系統(tǒng)離岸距離以及電池組數(shù)對(duì)換電船舶外送電量經(jīng)濟(jì)性的影響，考慮在同一波況下(以春季典型運(yùn)行日下波能發(fā)電量外送海島1為例)，對(duì)離岸距離與電池組數(shù)進(jìn)行遍歷，得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 同一波況下方案一收益變化情況示意圖Fig.11 Schematic diagram of income changes of scheme 1 under the same wave

由圖11可以看出，當(dāng)波況和離岸距離保持不變，電池組數(shù)逐漸增多時(shí)，換電船舶外送收益先增大后減小，其原因是：當(dāng)電池組數(shù)(容量)較小時(shí)，電量外送通道受限，換電船舶無法及時(shí)將富余的波能發(fā)電量外送至海島消納；隨著電池組數(shù)的逐漸增大，電池組數(shù)能夠滿足波浪能發(fā)電在外送時(shí)間上的連續(xù)性，效率大大提升；而隨著電池組數(shù)的進(jìn)一步增加，外送電量總額并未有太大提升，導(dǎo)致單組電池的利用率下降，供電成本提升。另一方面，當(dāng)波況與電池組數(shù)保持不變時(shí)，隨著航行距離的增大，換電船舶外送電量時(shí)效性有所下降，其在運(yùn)行周期內(nèi)服務(wù)次數(shù)減少，收益率降低。換電船舶只能通過增多電池組數(shù)和船舶航行次數(shù)來滿足供電的連續(xù)性，以期增加部分收益，但收益仍低于距離較近時(shí)。由此可見，合理評(píng)估海洋波浪能資源分布情況，優(yōu)化換電集裝箱電池組數(shù)(容量)，對(duì)于制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移計(jì)劃和采用換電船舶外送電量計(jì)劃、提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是至關(guān)重要的。

5 結(jié)論

本文提出了基于換電船舶協(xié)同優(yōu)化的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略。通過理論和仿真分析，可以得出如下結(jié)論。

a)所提基于虛擬鏈路的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法能夠合理描述離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量轉(zhuǎn)移計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電功率跟蹤，進(jìn)一步提升波浪能發(fā)電系統(tǒng)利用率。

b)所提基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略能夠在降低海島用能成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度下不同海島間的清潔能源互補(bǔ)，促進(jìn)海島群可持續(xù)發(fā)展。

基于實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行算例仿真，結(jié)果驗(yàn)證了本文所提策略及方法的有效性。本文所提策略為孤立海島群波浪能資源開發(fā)和利用提供了思路。后續(xù)的研究工作將圍繞波浪能綜合一體化發(fā)電平臺(tái)優(yōu)化運(yùn)行及波浪能輸出功率波動(dòng)性平抑等展開。