海上風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量配置研究

胡恩德，楊 歡，趙榮祥，鄭太英

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

海洋蘊含著巨大的能量[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]。海上風電項目受到陸上風電項目的帶動，研究與開發(fā)起步較早[3]。1991年，丹麥建立第一個海上風電工程，到2001年海上風電已進入商業(yè)化示范階段[4]。到2015年，全球海上風電總裝機容量已達12 GW[5]，預(yù)測到2020年，全球海上風電總裝機容量將達55 GW[6]。截止到2015年底，我國已完成安裝海上風機總裝機容量超過1 000 MW，在建2 300 MW，待開工1 240 MW[7]。但是海上風電發(fā)展也存在一些瓶頸問題，主要是安裝維護費用較高，造價約為陸上風電的2倍[8]，且海上風力單一能源發(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，通過控制潮流電機的轉(zhuǎn)速和逆變器頻率使得潮流電機在發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)平滑切換，從而可以補償風功率的波動，使得系統(tǒng)輸出功率更加平滑[12];文獻[13]中提出了一種帶有飛輪儲能裝置的海上風力潮流聯(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。

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

1 海上風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的特點

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

圖1 舟山市岱山縣衢山島月平均風速圖

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。考慮到裝置的可靠性和安全性，一般采用基礎(chǔ)強度較高的樁柱式基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)[18]。

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

圖3 風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)平臺示意圖

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

2 海上風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模

海上風力潮流聯(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。海上風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)包括風力發(fā)電機、潮流發(fā)電機、蓄電池、逆變器、負荷、電網(wǎng)，系統(tǒng)拓撲如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)拓撲

2.1 風速模型

風機的輸出功率與風速的大小密切相關(guān)。短時間內(nèi)，風速的變化是隨機的，從長期來看，風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—實際風速；k—形狀參數(shù)；c—尺度參數(shù)。

2.2 風力機模型

風力機的葉片半徑為rw，空氣密度為ρw，風速為vw，由風輪機空氣動力學可知，風力機軸上輸出的機械功率如下式所示[23]：

(2)

式中：Cpw(λw,βw)—風能利用系數(shù)；λw—風機的最佳葉尖速比；βw—風機的槳距角。

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

(3)

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

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 潮流電機模型

潮流電機的出力特性與風力機類似，潮流能水輪機的葉片半徑為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—潮流能水輪機的最佳葉尖速比；βt—水輪機的槳距角。

3 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的評價指標

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個小時的負荷功率；PL(ti)—第i個小時的負荷功率與運行備用功率之和；PLa(ti)—第i個小時風力機、潮流電機、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—風力機、潮流機、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)是進行尋優(yōu)的最主要經(jīng)濟性指標，在進行仿真時，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，運行維護投資、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，搭建了海上風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

算例中的負荷功率Pload利用HOMER軟件的典型負荷曲線生成，平均負荷為6.16 MW，峰值負荷為20 MW。風速曲線由HOMER軟件將舟山市岱山縣衢山島月平均風速數(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。

年負荷曲線如圖5所示。

圖5 年負荷曲線

潮流流速和風速的曲線如圖6所示。

圖6 風速和潮流流速曲線

風力機采用華銳風電公司的SL3 000/121機型，風力機的出力曲線由式(3)計算得到?，F(xiàn)階段海上風力發(fā)電造價為16 000元～22 000元/kW[26]，本文取19 000元/kW，年運行維護費用取初始投資的5%，生命周期取20年[27]。

SL3000/121風力機的參數(shù)如表1所示[28]。

表1 SL3000/121風力機參數(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)電水輪機采用MCT公司的SeaGen-S機型，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]，年運行維護費同樣取初始投資的5%，生命周期取20年[30]。

SeaGen-S機型的參數(shù)如表2所示。

表2 SeaGen-S水輪機參數(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)中的負荷為重要負荷，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)置為當前負荷的10%加上風機輸出功率的50%，以應(yīng)對負荷與風機輸出功率的波動。

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)運行時，系統(tǒng)取6臺風力機與1臺潮流機時NPC最小，可再生能源供電比例為80%。當系統(tǒng)只有風力機時，系統(tǒng)需要8臺風力機，可再生能源供電比例為81%；當系統(tǒng)只有潮流機時，系統(tǒng)需要10臺潮流機，可再生能源供電比例為82%?？梢婏L潮聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)裝機臺數(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，表6中最后一行為仿真結(jié)果中4臺風力機與4臺潮流機的方案。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臺風機所占水域面積，且風力機和潮流機共用同一基礎(chǔ)平臺，總項目投資與維護費用都會有所下降，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)運行時，向電網(wǎng)售電可以獲得更多的經(jīng)濟利益，且增加蓄電池的投資較大。在系統(tǒng)獨立運行時，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值遠大于并網(wǎng)運行時的值。

HOMER軟件可進行對系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度分析，在本系統(tǒng)中對風速和潮流流速進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)。

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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電和潮流發(fā)電的互補性，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對風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進行了尋優(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，風潮聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性更好；對風速與潮流流速進行的靈敏度分析，指明了風力、潮流獨立發(fā)電與風力潮流聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的適用情況。

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