適用于海島的獨立供電電源規(guī)劃設(shè)計

陳一誠，王志新

（上海交通大學(xué)電子信息及電氣工程學(xué)院，上海 200240）

海島的土地和線路廊道資源緊張，變電站選址和線路選線較為困難，同時由于海島特殊的地理位置原因，島嶼間輸電線路多采用大跨越架空線路或海底電纜，導(dǎo)致海島電網(wǎng)的建設(shè)成本遠(yuǎn)高于大陸電網(wǎng)，成為海島電源規(guī)劃和建設(shè)的制約因素。而且海島地區(qū)不僅僅電網(wǎng)建設(shè)成本高，同時由于電力體制革相對滯后等原因，多數(shù)海島上的供電系統(tǒng)與大陸電網(wǎng)聯(lián)系薄弱且發(fā)展較為緩慢，電源性缺電與網(wǎng)架性缺電問題在一段時間內(nèi)同時并存。

島上的新能源發(fā)展成為一個熱門研究課題。海島上的可再生能源十分豐富，風(fēng)力發(fā)電日趨成熟，其天然的地理環(huán)境也使得光伏發(fā)電和波浪能發(fā)電可以得到很好的利用[1]。

由于這些新能源不連續(xù)穩(wěn)定，因此當(dāng)用其為島嶼供電時，需要配有大量的儲能設(shè)備，致使系統(tǒng)容量龐大，成本上升，維護(hù)困難。針對這種情況，采取多能互補供電的方案可以有效地解決問題[2]。

隨著社會對于供電系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)效益要求越來越高，全球?qū)τ谛履茉吹拈_發(fā)研究越發(fā)深入，世界各地關(guān)于海島電網(wǎng)的可再生能源試點計劃越來越多。希臘實施了“克里特島的可再生能源實施計劃”，克里特島上10%的電力來自風(fēng)電場,生物質(zhì)能和太陽能熱水系統(tǒng)等可再生能源發(fā)展計劃也均已啟動,特別是針對小型村莊和當(dāng)?shù)鼐用窦訌娏颂柲軣崴到y(tǒng)的使用[3]。西班牙El Hierro島可再生能源建設(shè)項目包括一個11.5 MW的風(fēng)電站和一個11.3 MW的抽水蓄能電站的建設(shè),可以滿足全島1.1萬居民80%的電力需求，剩余的20%將通過太陽能收集器和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來滿足[4]。隨著新能源技術(shù)的不斷研究和進(jìn)步，海島新能源發(fā)電所占比例將不斷提高，直至實現(xiàn)海島供電最終全部由新能源提供，促進(jìn)海島電能更加綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保[5-6]。

1 系統(tǒng)總體框架及發(fā)電子系統(tǒng)設(shè)計

多能互補供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由發(fā)電環(huán)節(jié)、儲能環(huán)節(jié)、用電負(fù)荷環(huán)節(jié)3個部分組成的。其中發(fā)電環(huán)節(jié)又分為風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電和光伏發(fā)電部分;而儲能環(huán)節(jié)為蓄電電池組;用電環(huán)節(jié)為各種用電負(fù)載和蓄電電池組。柴油發(fā)電機作為備用電源，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池陣和波浪能發(fā)電機所發(fā)電量跟不上負(fù)荷需求時，由柴油發(fā)電機來向負(fù)載提供電力。

圖1 多能互補供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The whole system framework of hybrid power system

2 海島用電負(fù)荷預(yù)測

首先對舟山的全年用電量進(jìn)行收集和分析，對舟山市進(jìn)行10年期的負(fù)荷預(yù)測，然后根據(jù)人口比例和現(xiàn)有的用電比例進(jìn)行折算，獲得嵊山島的10年期的負(fù)荷預(yù)測[7-8]。

通過在舟山統(tǒng)計年鑒[9]中查找，可以查出歷年全市總用電量數(shù)據(jù)和歷年全市生產(chǎn)總值（GDP）的數(shù)據(jù)，如表1和表2所列。

表1 歷年舟山市總用電量情況Tab.1 Electricity consumption of Zhoushan city in recent 10 years unit MkW·h

表2 歷年舟山市生產(chǎn)總值Tab.2 GDP of Zhoushan city in recent 10 years unit:10 million RMB 千萬元

由上述兩表可知，經(jīng)過初步分析可以得出無論是總用電量數(shù)據(jù)還是GDP數(shù)據(jù)都成規(guī)律性增長。因此對海島用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測時，采用回歸分析的方法。

因此可以得出市總用電量擬合數(shù)學(xué)模型如公式1所示：

式中，系數(shù)a=2884.4；b=2820.7；c=91175.5；

市生產(chǎn)總值與市總用電量的擬合數(shù)學(xué)模型如公式2所示。

式中，系數(shù)a=-0.3；b=820.6；c=3387.2。

在保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性同時也為了簡便，負(fù)荷預(yù)測通過式（1）確定最終的預(yù)測結(jié)果：

1）嵊山島2022年的預(yù)計總用電量為9682萬kW·h。

2）嵊山島2022年的預(yù)計最高負(fù)荷為23 MW。

3 嵊山島供電電源規(guī)劃

通過對于嵊山島實際的風(fēng)力數(shù)據(jù)的查找，已知年平均有效風(fēng)時為7105 h。又通過查找到的嵊山島上的年平均日照時數(shù)，可以得出太陽能電池陣列的年峰值小時數(shù)為1980 h。波浪能發(fā)電機組的全年工作小時數(shù)為8760 h。

3.1 發(fā)電子系統(tǒng)的容量約束條件

首先考慮風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能電池陣列的地理限制因素，即考慮海島上可供建造發(fā)電機組的面積。嵊山島全島面積為4.47 km2，可以估計出風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電所能利用的面積約為島嶼面積的1/4，即各占地約50萬m2。根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)今市場上大容量風(fēng)力發(fā)電機的占地面積約為50畝/MW，折算后為35000 m2/MW。所以，最后可以計算得Pwindmax=14.28 MW。同理對太陽能電池陣列的上限進(jìn)行估算得出Psolarmax=20 MW。

對于波浪能發(fā)電機組，其容量的取值主要受限于海島周圍可用于發(fā)電的海域面積。嵊山島附近海域蘊藏豐富的波浪能，其海岸線總長19.26 km。其中可以較好地被用于波浪能發(fā)電的水深10 m岸線長3.7km，新型波浪能發(fā)電機組單個平臺的半徑為150m，且各平臺之間需要100 m的間隔，根據(jù)海岸線長度計算得出約建造15座波浪能發(fā)電機平臺。所以最后可以計算得Pwavemax=14700 kW。

綜合可得發(fā)電子系統(tǒng)的約束條件如式（3）所示。

3.2 經(jīng)濟(jì)性子函數(shù)

實際計算是只需要將風(fēng)力發(fā)電機，太陽能電池陣列和波浪能發(fā)電機的單位千瓦成本求出即可。將采用等年值法進(jìn)行計算。

1）波浪能發(fā)電機：根據(jù)調(diào)查每個波浪能發(fā)電平臺的初始造價為12000元/kW；每年的維護(hù)費約為初始造價的20%，即2400元/kW；輸配電費用為4000元/kW；使用期限為10年；殘值為0；貼現(xiàn)率取0.1[10]。所以得出其等年值為5000元/kW/每年。

2）風(fēng)力發(fā)電機：根據(jù)調(diào)查風(fēng)力發(fā)電機組的初始造價為4000元/kW，其機組自身造價占總體成本的80%；單位電量維護(hù)費基本單位電量成本持平；使用期限為20年；殘值為5%；貼現(xiàn)率取0.1[11]。同理可以計算得出其等年值為1457元/kW/每年。

3）太陽能電池陣列：根據(jù)調(diào)查太陽能電池陣列的初始造價為26000元/kW；每年的維護(hù)費約為初始造價的10%，即2600元/kW；配備蓄電池的費用約占初始造價額10%，即2600元/kW；使用期限為20年；殘值為10%；貼現(xiàn)率取0.1[12-13]。得出其等年值為3920元/kW/每年。

分別計算出的各個發(fā)電子系統(tǒng)的單位發(fā)電量價格（元/kWh），根據(jù)所求的3個價格進(jìn)行一定比例的折算，得出期望的供電系統(tǒng)的單位電量價格cp=1元/kW·h。

由以上求得的成本價和供電系統(tǒng)單位發(fā)電價格可以得出實際的經(jīng)濟(jì)性子函數(shù)如式（4）所示。

3.3 環(huán)境效益子函數(shù)

要計算系統(tǒng)的環(huán)境價值就必須計算出每項污染物的環(huán)境價值以及系統(tǒng)對于污染物的減排量。因為本文中對于海島的供電電源全部由風(fēng)能、太陽能和波浪能3種新能源構(gòu)成，這些新能源相對火力發(fā)電沒有任何污染物的排放，所以整個供電系統(tǒng)的減排量就等于所有發(fā)電量代替火力發(fā)電獲得的減排量。

對于一個火力發(fā)電廠而言，每發(fā)電1 kW·h的耗煤量約為0.475 kg[14]。而每噸煤的燃煤燃煤污染排放量如表3所列。

表3 燃煤污染物排放率Tab.3 Pollution emission rate per ton of coal kg/t

所以可以得到火電廠每發(fā)電1kWh的污染物排放率如表4所列。

表4 每度電的污染物排放率Tab.4 Pollution emission rate per kilowatt by a thermal power plant g/kWh

通過以上兩表可以計算出每度電的污染物排放率，但是為了計算系統(tǒng)的環(huán)境效益，這就需要將其貨幣化，即計算其環(huán)境價值。因此根據(jù)以上分析，供電系統(tǒng)每發(fā)電1kWh所能得到的環(huán)境價值如表5所列。

表5 海島供電系統(tǒng)的環(huán)境價值Tab.5 Environmental benefit rate for islands，per kilowatt by the new energy Yuan/kWh

最終可以得出實際有關(guān)環(huán)境效益的計算公式如公式（5）所示。

3.4 供電可靠性子函數(shù)

考慮運行最惡劣情況，只需要得出月風(fēng)時最少小時數(shù)、月光照最小小時數(shù)和月波浪能發(fā)電工作小時數(shù)，就能得海島的實際供電可靠性子函數(shù)。

通過數(shù)據(jù)的查找，可以得出月風(fēng)時最少小時數(shù)、月光照最小小時數(shù)和月波浪能發(fā)電工作最小小時數(shù)分別為640 h、141 h和720 h。由于在第2節(jié)中已計算出嵊山島最高負(fù)荷為23 MW，因此取分別為23000 kW和11500 kW。

實際的供電可靠性子函數(shù)計算式如式（6）所示。

3.5 目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建

使用Matlab對目標(biāo)函數(shù)[15-16]進(jìn)行求最優(yōu)解。因此最終的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下。

其中r1，r2，r3為各個子函數(shù)所對應(yīng)的權(quán)數(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)要求的不同而形成不同的權(quán)數(shù)集。

若取權(quán)數(shù)集r1，r2，r3為0.8、0.1、0.1，則通過Matlab的程序求得最優(yōu)配置方案為：

Pwind=14280 kW；

Psolar=7270 kW；

Pwave=6050 kW。

4 結(jié)果分析

在實際情況中，每個供電系統(tǒng)的要求各不相同，即使針對同一個海島設(shè)計的供電系統(tǒng)其要求也會因項目而異。根據(jù)系統(tǒng)要求的不同會形成不同的權(quán)數(shù)集，而不同的權(quán)數(shù)集也會得出不同的優(yōu)化配置方案。給出了6種情況下的優(yōu)化配置方案的比較，如表6所列。

表6 不同權(quán)數(shù)下的優(yōu)化配置方案比較Tab.6 Optimizing allocations comparisons in different weights

前3種情況分別為考慮單個極限情況下的配置方案，即單因素的最優(yōu)配置方案。后3種配置方案則是在考慮了綜合因素作用下的最優(yōu)配置方案，其區(qū)別在于所偏重因素的不同。整體看來在3種新能源發(fā)電系統(tǒng)中，無論是從經(jīng)濟(jì)性，環(huán)保效益還是可靠性方面考慮，風(fēng)力發(fā)電最值得被利用。對于波浪能發(fā)電而言，其經(jīng)濟(jì)型稍差一點，不過環(huán)境效益和供電可靠性就很不錯。而光伏發(fā)電這3方面因素上都稍遜之前兩者。

根據(jù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)求解所得到的最優(yōu)配置方案，雖然滿足了系統(tǒng)整體的電力電量平衡約束條件，但是這兩個約束條件的滿足只能表示整個系統(tǒng)對于瞬時負(fù)荷平衡和總供電量需求滿足條件。然而供電系統(tǒng)的供電是連續(xù)的，而新能源供電卻并非連續(xù)性，僅使用裝機容量指標(biāo)難以判斷發(fā)電量能否真正滿足居民的用電負(fù)荷需求，而且風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和波浪能發(fā)電3個發(fā)電子系統(tǒng)他們各自有隨季節(jié)變化的供電特性曲線，因此有必要對每個發(fā)電子系統(tǒng)分別做出他們的年發(fā)電曲線，并與系統(tǒng)的年負(fù)荷曲線進(jìn)行比較驗證。

本文僅選取一種以經(jīng)濟(jì)性為主的綜合性配置方案（配置方案4）進(jìn)行驗證，首先做出各個發(fā)電子系統(tǒng)的年發(fā)電曲線。

1）風(fēng)電機組

配置方案4中風(fēng)電機組的容量Pwind=14280 kW，所以根據(jù)分析可以得出風(fēng)力發(fā)電機組的各月發(fā)電量和年發(fā)電曲線，如圖2所示。

2）太陽能電池陣列

配置方案4中太陽能電池陣列的容量Psolar=7270 kW，所以根據(jù)分析可以得出太陽能電池陣列的各月發(fā)電量和年發(fā)電曲線，如圖3所示。

3）波浪能發(fā)電系統(tǒng)

圖2 風(fēng)力發(fā)電機組年發(fā)電曲線Fig.2 The wind annual power generation curve

圖3 太陽能電池陣列年發(fā)電曲線Fig.3 The photovoltaic annual power generation curve

對于波浪能發(fā)電機組而言，其全年一直處于運行狀態(tài)，因此其月度發(fā)電量等于波浪能發(fā)電機組的額定功率乘以全月工作小時數(shù)。配置方案4中波浪能發(fā)電系統(tǒng)的容量Pwave=6050 kW，因此根據(jù)分析可以得出波浪能發(fā)電系統(tǒng)每月的發(fā)電量都為各月3920400，其年發(fā)電曲線如圖4所示。

圖4 波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電曲線Fig.4 reviseThe wave annual power generation curve

可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電特性為夏秋兩季電量較少而春冬兩季電量較多，太陽能電池陣列的發(fā)電特性則為夏秋兩季電量較少而春冬兩季電量較多。兩者的供電特性曲線正好形成一定的互補性，而這正是前文中所說的海島多能互補供電系統(tǒng)的最大特點。

可以簡化的預(yù)測出海島的時序年負(fù)荷曲線，將之與供電系統(tǒng)的總發(fā)電曲線進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 時序年負(fù)荷曲線和系統(tǒng)總發(fā)電量曲線Fig.5 Annual power generation curve and the load curve

可以看出供電系統(tǒng)每月的供電量都能滿足海島上的每月用電需求。不過這里值得注意的一點是，在構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)時，在確定系統(tǒng)的電力電量平衡約束的時候為了保證供電系統(tǒng)的供電性，對于電量的上限值乘以了一個安全系數(shù)（即多給了一定的供電額度），其安全系數(shù)取值1.2。因此在對系統(tǒng)發(fā)電量和用電負(fù)荷進(jìn)行比較時，為了得出更準(zhǔn)確的比較值，同樣需要對海島的用電負(fù)荷乘以這個系數(shù)，也就是對用電負(fù)荷進(jìn)行一定的修正。經(jīng)過修正后的曲線如圖6。

圖6 修正的時序年負(fù)荷曲線和系統(tǒng)總發(fā)電量曲線Fig.6 Revise annual power generation curve and the total load curve of system

從中可以看出，用電負(fù)荷曲線經(jīng)過修正之后，供電系統(tǒng)供電量并不是每個月都能滿足海島上的用電需求。在夏季和冬季用電高峰時，供電系統(tǒng)就會出現(xiàn)“供不應(yīng)求”的狀況。這時就需要島上備用的柴油發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電來填補這一段的用電負(fù)荷差。因此，圖6也就說明了海島供電系統(tǒng)中備用柴油發(fā)電機的必要性，為了最大程度上保證系統(tǒng)的供電性，柴油發(fā)電機對海島的獨立供電系統(tǒng)是必不可少的一部分。柴油發(fā)電機組的容量由最大負(fù)荷差值決定，如配置方案4中，柴油發(fā)電機組的容量應(yīng)為Pfire=2235 kW。

5 結(jié)論

本文主要介紹的是一種適用于海島的獨立供電電源規(guī)劃設(shè)計。因為海島上各種新能源豐富且可以利用，因此本文中的供電系統(tǒng)主要采用新能源發(fā)電。又因為對于獨立的供電系統(tǒng)而言，單一的一種新能源不能實現(xiàn)全年的連續(xù)可靠供電。所以，本文中所設(shè)計的供電系統(tǒng)采用多種新能源的多能互補供電系統(tǒng)，這個供電系統(tǒng)的特點是利用各種新能源不同的強度周期，形成彼此間的能量互補，是實現(xiàn)均衡供電，滿足海島用電負(fù)荷要求。

本文研究成果主要包括以下內(nèi)容：

1）確定了海島獨立的多能互補供電系統(tǒng)的總體構(gòu)架。

2）通過分析太陽能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，波浪能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，確立了海島上各個新能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與自然環(huán)境因素的關(guān)系式。

3）收集、分析并處理海島歷史用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，并利用回歸分析的方法，對歷年海島用電負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)的擬合，通過擬合函數(shù)從而得到海島的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

4）針對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境效益、供電可靠性3個因素不同的特性，構(gòu)建出屬于他們的隸屬度函數(shù)，并通過線性加權(quán)優(yōu)化的方法，將3個子函數(shù)歸一化構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)海島實際的地理條件限制和電力電量約束平衡確定目標(biāo)函數(shù)的約束條件。最后通過Matlab程序的編譯求對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。

5）通過對不同權(quán)數(shù)下的各個優(yōu)化配置方案的比較，分析得出海島的獨立電源規(guī)劃的特點。又通過系統(tǒng)年發(fā)電曲線與海島的年負(fù)荷曲線進(jìn)行比較，驗證了海島多能互補供電系統(tǒng)的供電性，并且以此備用柴油發(fā)電系統(tǒng)的容量。

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