獨立運行混合發(fā)電系統(tǒng)選型和容量配置的關鍵影響因素研究

劉燕華，李雅菲，趙冬梅

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京　102206)

Research on Key Influencing Factors of Type-selection and Capacity-allocation for Stand-alone Hybrid Generation SystemLIU Yanhua, LI Yafei, ZHAO Dongmei

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

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獨立運行混合發(fā)電系統(tǒng)選型和容量配置的關鍵影響因素研究

劉燕華，李雅菲，趙冬梅

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

Research on Key Influencing Factors of Type-selection and Capacity-allocation for Stand-alone Hybrid Generation SystemLIU Yanhua, LI Yafei, ZHAO Dongmei

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

0引言

隨著日益嚴重的能源危機和環(huán)保壓力，開發(fā)利用可再生能源是新能源戰(zhàn)略的發(fā)展趨勢。相對于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，混合發(fā)電系統(tǒng)具有減輕環(huán)境污染、降低終端用戶費用、提高供電可靠性、安裝地點靈活等優(yōu)點[1-3]。獨立運行的混合發(fā)電系統(tǒng)，適用于用電分散和用電量低的偏遠地區(qū)，可以解決這些地區(qū)的缺電問題，能夠獲得較好的經(jīng)濟和社會效益。

混合發(fā)電系統(tǒng)的選型和容量配置優(yōu)化是指在保證系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，根據(jù)系統(tǒng)安裝地的資源和負荷特性，對系統(tǒng)中的設備類型和容量進行合理設計，以實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性指標的最優(yōu)化，提高可再生能源利用率。具體研究主要包括優(yōu)化模型[4-6]、優(yōu)化算法[7-8]、優(yōu)化方案及影響因素分析等。

不少文獻針對一些特定系統(tǒng)的選型和容量配置及其影響因素進行了一些有針對性的研究。文獻 [9] 針對風機、光伏和燃氣輪機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分析了風速、天然氣價格和污染物排放處罰對優(yōu)化結果的影響，得出了風速增加可降低系統(tǒng)的總成本，天然氣價格增加會增加系統(tǒng)成本，污染物排放處罰對系統(tǒng)成本影響不大的結論。文獻 [10] 針對風機和汽輪機混合發(fā)電系統(tǒng)，研究了購電價格、煤價和風速對優(yōu)化結果的影響，得出購電價格和煤價的升高會導致電力生產(chǎn)成本的增加，風速增大可降低系統(tǒng)成本的結論。

本文將對一般形式的獨立運行混合發(fā)電系統(tǒng)全面分析影響系統(tǒng)選型和容量配置的關鍵因素及其影響規(guī)律。為此，基于不同電源形式在系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用,總結了主要影響因素；介紹了仿真軟件Homer的優(yōu)化模型目標和分析方法；以我國邊遠地區(qū)的一個獨立運行家庭式混合發(fā)電系統(tǒng)為例，計算了選型和容量配置的優(yōu)化結果；通過靈敏度分析，研究了自然資源、負荷水平及燃料價格對結果的規(guī)律性影響，總結出獨立運行混合式發(fā)電系統(tǒng)選型和容量配置的基本規(guī)律。

1影響混合發(fā)電系統(tǒng)的關鍵因素

1.1混合發(fā)電系統(tǒng)的一般結構

混合發(fā)電系統(tǒng)可能包含的電源有光伏、風電機組、水輪機、柴油發(fā)電機、蓄電池組、燃料電池和鍋爐等。通常以風/光伏/柴油/蓄電池的各種組合為主要電源形式。

圖1是集合了風/光伏/柴油/蓄電池的系統(tǒng)拓撲結構。其中，光伏陣列和蓄電池發(fā)出直流電通過DC/DC變換器接在直流側。風電機組發(fā)出交流電通過AC/DC變換器接在直流側。柴油機通過AC/AC變換器接在交流側。直流側和交流側之間通過換流器相連，負荷與交流側相連。

圖1　光/風/柴/蓄混合發(fā)電系統(tǒng)結構

1.2影響混合發(fā)電系統(tǒng)選型的關鍵因素

在這些電源形式中，光伏和風電是可再生能源的主要利用形式，蓄電池用于平衡多余以及不足的功率，柴油機組在可再生能源和蓄電池組合供電能力不足或緊急情況下間歇性投入，保證對負荷的可靠供電。因此，影響系統(tǒng)的關鍵因素不僅包括自然資源，還涉及到負荷水平以及柴油機組燃料的價格。

1.2.1自然資源

可再生能源的充分利用是混合發(fā)電系統(tǒng)選型和容量優(yōu)化的重要目標，也是實現(xiàn)其經(jīng)濟性的重要基礎。光伏和風電具有初始投資費用較高，運行費用低的特點，風速和光輻射強度水平會直接影響系統(tǒng)的初始投資，從而間接影響系統(tǒng)的運行費用，最終影響系統(tǒng)的選型和容量配置結果。

1.2.2負荷水平

混合發(fā)電系統(tǒng)既要最大程度利用可再生能源，又要保證負荷的可靠用電，這就需要間歇性和持續(xù)性發(fā)電形式和容量的合理配合。

1.2.3燃料價格

柴油機組的運行費用和燃料價格緊密相關，從而決定系統(tǒng)整體的運行費用。燃料價格低，采用柴油機組的經(jīng)濟性較好；反之，可能會用風電或光伏陣列與蓄電池的組合來代替柴油機組。

2仿真工具介紹

Homer(Hybrid Optimization Model for Electric Renewable，可再生能源互補發(fā)電優(yōu)化建模)是美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)開發(fā)的用于分布式發(fā)電系統(tǒng)評估選擇的軟件，可以用來評估系統(tǒng)的經(jīng)濟性和技術選擇的可行性。

2.1優(yōu)化目標

Homer將系統(tǒng)的總凈現(xiàn)成本(Net Present Cost，NPC)作為首要的經(jīng)濟衡量指標。NPC通過結合各元件投資成本、更換成本和運行維護成本等來確定各元件年度成本，將每個元件的年度成本相加，給出系統(tǒng)的總年度成本，具體計算公式為

(1)

式中：CNPC為系統(tǒng)的總凈現(xiàn)成本；Cann,tot為總的年度成本；i為貼現(xiàn)率，取6%；Rproj為項目的壽命周期，取25 a；CRF(i,Rproj) 為資本回收系數(shù)，由下式給出：

(2)

2.2不確定因素的處理

Homer軟件充分考慮了包括自然資源和負荷的變化情況。太陽能資源是根據(jù)月平均光輻射強度數(shù)據(jù)，生成具有統(tǒng)計特性的光輻射強度小時數(shù)據(jù)集[11]，其統(tǒng)計特性是自相關的。風能資源是根據(jù)月平均風速和4個統(tǒng)計參數(shù)，即韋伯形狀系數(shù)、自相關系數(shù)、每日的風強度分布和風速的峰值小時，合成風速小時數(shù)據(jù)集。負荷是在典型負荷曲線基礎上考慮了負荷每小時與前一小時有10%的波動、每天與前一天有15%的波動，以小時為單位模擬1 a 的負荷變化情況。

3案例分析

3.1研究系統(tǒng)介紹

本文選取了家庭式負荷進行研究，該地區(qū)的日平均光輻射強度為4kWh/m2·d-1，平均風速為4m/s，燃料價格為7.7元/L。典型日負荷情況如圖2所示，日用電高峰在18:00～20:00之間，用電低谷在22:00～次日5:00，小時最大負荷為1.231kW，日平均負荷為10kWh。

本文將各電源容量設為決策變量，設置了各電源類型的單機容量，其成本及參數(shù)如表1所示。根據(jù)負荷需求，尋找可行的容量搭配形式，對于每一類可行電源組合，根據(jù)NPC最小的目標，選擇出最優(yōu)容量搭配形式。各種選型最優(yōu)容量搭配形式按照初始投資從小到大排序的結果如表2所示。

圖2　混合發(fā)電系統(tǒng)日負荷情況

表1　分布式電源成本參數(shù)

表2　各種選型的最優(yōu)容量搭配形式

系統(tǒng)最優(yōu)選型和容量配置的結果是初始投資和運行費用的平衡，從而取得最低總凈現(xiàn)成本。圖3為表2中各種電源組合類型的各項成本費用的數(shù)量對比關系。隨著初始投資的增加，運行費用總體呈現(xiàn)下降趨勢。第7類光/風/柴/蓄為本系統(tǒng)的最優(yōu)選型和容量配置結果。

在光伏和風機比例偏高的情況下，置換費用較低。管理費用主要取決于風機和蓄電池的配置比例，而燃料費用則主要取決于柴油機的配置比例。

圖3　各組合類型的初始投資和運行費用關系

3.2關鍵因素對系統(tǒng)選型的影響分析

以下采用Homer軟件的靈敏度分析工具，研究自然資源、負荷水平以及燃料價格對系統(tǒng)選型和容量配置結果的影響。

3.2.1自然因素

依然設定負荷水平為10kWh/d，燃料價格為7.7元/L，光輻射強度變化范圍為0～8kWh/m2·d-1，風速變化范圍為0～8m/s。圖4為系統(tǒng)最優(yōu)選型相對于風/光資源的二維變量敏感圖。表3為不同風/光資源所對應的最優(yōu)電源組合形式。

圖4　最優(yōu)選型的二維敏感度變量圖

光輻射強度/(kWh/m2·d-1)風速/(m/s)最優(yōu)選型0～0.040～3柴0～0.13.5～6風/柴/蓄0.5～80～3光/柴/蓄1～4.64～5.8光/風/柴/蓄6～84.8～6.5光/風/蓄0～86.5～8風/蓄

由圖4和表3可以看出，當風/光資源水平適中，系統(tǒng)的最優(yōu)選型為風/光/柴/蓄。以此為中心區(qū)域，以上部分最優(yōu)選型成為風/蓄，減少了光/柴的形式；以下部分成為光/柴/蓄；以左部分為風/柴/蓄，減少了光伏陣列；以右部分為風/光/蓄，減少了柴油機組類型?？傮w來說，在光輻射強度和風速較小的情況下，柴油機組作為主要供電電源，隨著光輻射強度和風速的增強，光伏和風機所占比例逐漸增大，柴油機組不斷減少。

3.2.2負荷水平

其他條件不變，在負荷水平分別為8kWh/d和12kWh/d時的最優(yōu)選型圖，如圖5所示。通過與圖4比較可以看出，當負荷水平上升時，右上部分即風/光/蓄所占區(qū)域逐漸變小，中心區(qū)域即風/光/柴/蓄部分相應減小，其他部分變化不大。

圖5　負荷水平變化時系統(tǒng)的最優(yōu)選型敏感圖

由此說明，當自然資源單一或總體不足時，最優(yōu)選型為光/柴/蓄、風/柴/蓄或只有柴油機，負荷水平變化對最優(yōu)選型影響很小。反之，當兩種資源都較充足時，最優(yōu)選型為風/光/柴/蓄或風/光/蓄，負荷水平變化對系統(tǒng)選型的影響非常明顯，負荷水平直接影響安裝柴油機組的必要性。當負荷水平升高時，含柴油機組的系統(tǒng)區(qū)域相應增大。

3.2.3燃料價格

燃料價格直接影響含有柴油機組的混合系統(tǒng)的運行費用。采用與3.2.1相同的計算條件，燃料價格別為6.7和8.7元/L時的最優(yōu)選型如圖6所示。

圖6　燃料價格變化時系統(tǒng)的最優(yōu)選型敏感圖

與圖4比較可以看出，隨著燃料價格的上升，系統(tǒng)最優(yōu)選型的風/光/蓄區(qū)域擴大，壓縮了光/風/柴/蓄部分區(qū)域，這部分區(qū)域又向下延伸使得光/柴/蓄的區(qū)域減小。這說明燃料價格的上升導致系統(tǒng)整體運行費用上升，需要增加風電機組來抵消這部分運行費用，甚至采用沒有柴油機組的組合類型，即初始投資更大的風/光/蓄組合形式。

總之，當自然資源單一或總體不足情況下，最優(yōu)選型都包括柴油機，其參與供電且發(fā)電比例較高，燃料價格的變化直接決定是否需要其他電源形式來補充或替代。反之，當兩種自然資源都較充足時，則影響很小。

3.2.4總結

通過以上分析可知，各因素對系統(tǒng)選型的影響體現(xiàn)在不同的方面。自然資源作為首要因素決定著電源的不同組合形式；而負荷水平則決定著從可再生能源發(fā)電形式向柴油機組的過渡；燃料價格對選型中包括柴油機組的情況影響較大，決定是否需要其他電源形式來補充或替代。

3.3關鍵因素對系統(tǒng)容量配置的影響分析

在系統(tǒng)選型確定的情況下，自然資源、負荷水平和燃料價格同樣影響各類電源的容量配置。為了全面分析這些因素對容量配置的具體影響，特選擇風/光/柴/蓄組合類型為研究對象。

3.3.1自然因素

選定風速為4.5m/s，光輻射強度從1～4kWh/m2·d-1變化，容量配置結果如表4所示。同樣，選定光輻射強度為1.5kWh/m2·d-1，風速的變化范圍為4.5～5.1m/s，結果如表5所示?？梢钥闯?，一種自然資源的增加必然伴隨相應形式的裝機容量和發(fā)電量的上升和另一種可再生能源發(fā)電形式的下降，而柴油機臺數(shù)不變，發(fā)電量均有下降。

表4　光輻射強度對系統(tǒng)容量配置的影響

表5　風速對系統(tǒng)容量配置的影響

3.3.2負荷水平

由圖5可知，當光輻射強度為2kWh/m2·d-1、風速為4.5m/s、燃料價格為7.7元/L，負荷水平從8～12kWh/d變化，結果如表6所示。可以看出，隨著負荷水平的增長，光伏陣列、風機和柴油機的裝機和發(fā)電量均有增加，負荷水平是影響各類電源容量配置的重要因素。

表6　負荷水平對系統(tǒng)容量配置的影響

3.3.3燃料價格

由圖6可知，當光輻射強度為2kWh/m2·d-1、風速為4m/s、負荷水平為10kWh/d，燃料價格從6.7元/L增長到8.7元/L時，系統(tǒng)最優(yōu)選如表7所示?？梢钥闯?，隨著燃料價格的增長，光伏陣列和風機的容量和發(fā)電量均有所增加，而柴油機容量和發(fā)電量相應減少。因此，燃料價格的波動改變了可再生能源發(fā)電形式和柴油機組相對容量和發(fā)電量，是一個此消彼長的過程。

表7　燃料價格對系統(tǒng)容量配置的影響

3.3.4總結

上述分析可以得到以下結論：自然資源水平的變化只影響可再生能源容量配置結果，負荷水平?jīng)Q定著各類電源形式的容量，而燃料價格則決定著可再生能源發(fā)電形式和柴油機組相對容量的大小。

4結論

獨立運行的家庭型混合發(fā)電系統(tǒng)，可以充分利用可再生能源，提高經(jīng)濟性。本文分析了自然因素、負荷水平和燃料價格對混合發(fā)電系統(tǒng)選型和容量配置結果的影響，得出以下結論：

① 系統(tǒng)最優(yōu)選型的過程就是尋找初始投資和運行費用之間的平衡點，使所選的系統(tǒng)類型總凈現(xiàn)成本達到最低值。

② 在系統(tǒng)選型方面，自然資源作為首要因素決定電源的不同組合形式，負荷水平的變化決定著從可再生能源發(fā)電形式和柴油機組之間的過渡，燃料價格對包括柴油機組的選型情況影響較大，決定是否需要其他電源形式來補充或替代。

③ 在容量配置方面，自然資源水平的變化主要影響可再生能源的容量，負荷水平?jīng)Q定著各種電源形式的容量配置，而燃料價格則決定著可再生能源和柴油機組的相對容量。

以上對混合發(fā)電系統(tǒng)選型和容量配置的關鍵影響因素的研究結論，對實際系統(tǒng)的設計和工程實施提供一定的指導作用。

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劉燕華(1975—)，女，博士研究生，講師，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行，風力發(fā)電；

李雅菲(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制，E-mail:janet8843@126.com；

趙冬梅(1965—)，女，教授，碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行，電力系統(tǒng)智能技術。

(責任編輯：林海文)

摘要：混合發(fā)電系統(tǒng)的合理選型和容量配置是提高可再生能源利用率的關鍵。為此構建了一般獨立運行的混合發(fā)電系統(tǒng)的結構，論述了影響其選型和容量配置的關鍵影響因素；以綜合了系統(tǒng)投資費用和運行費用的總凈現(xiàn)成本(NPC)最小為優(yōu)化目標，利用Homer軟件對系統(tǒng)進行了選型及容量配置的優(yōu)化，針對關鍵影響因素進行靈敏度仿真；分別研究了自然資源、負荷水平以及燃料價格對一般形式混合發(fā)電系統(tǒng)的選型和容量配置的影響。為偏遠地區(qū)獨立運行混合發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)選型和項目規(guī)劃等工程應用提供參考。

關鍵詞：混合發(fā)電系統(tǒng)；選型優(yōu)化；容量配置；影響因素

Abstract：Reasonable type-selection and capacity allocation of hybrid power generation system is critical for improving the renewable energy utilization. In this paper, the structure of general stand-alone hybrid power system is constructed and the key factors that influence type-selection and capacity-allocation are discussed. The optimized objective is to minimize the total net present cost (NPC) of system, which includes capital cost and operation cost. In addition, Homer software is used to optimize the types and capacity allocation of the system, and the sensitivities of key influence factors are simulated. Furthermore, the influences of natural resources, load level and fuel prices on optimized type-selection and capacity-allocation of general hybrid power generation system are studied. The results can provide a reference for such engineering applications as the optimal type-selection and project planning of stand-alone hybrid power generation system in remote area.

Keywords：hybrid power generation system; optimized type-selection; capacity allocation; influencing factors

作者簡介：

收稿日期：2014-03-28

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA050201)；教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(13MS06)

文章編號：1007-2322(2015)01-0083-06

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM614; TM615