面向海洋能綜合利用的港口用電策略研究

彭 云，劉華錕，李相達(dá)

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，大連 116023)

隨著港口能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出，傳統(tǒng)燃油、煤電供能的能源結(jié)構(gòu)越來越難以滿足綠色港口發(fā)展的需要。為此，世界各主要港口積極推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、提高能源利用率，例如，西班牙Ribadeo港口通過建造海洋能發(fā)電站來實(shí)現(xiàn)港口用能的自給自足[1]。然而，以海洋能為代表的清潔能源，其發(fā)電功率受自然環(huán)境影響較大，具有波動(dòng)性和隨機(jī)性等特征，海洋能供電需調(diào)配市電，形成多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)。因此，探究面向海洋能綜合利用的港口多能互補(bǔ)的用電策略顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)港口用電策略的研究主要集中在利用風(fēng)電、光電等清潔能源供電和使用岸電等方面。例如，Anna Maria Kotriklan等[2]通過仿真得到，米特里尼港的船舶總能源需求可以由4臺(tái)1.5 MW的風(fēng)力渦輪機(jī)和一臺(tái)5 MW的光伏發(fā)電機(jī)提供；俞曉[3]研究發(fā)現(xiàn)，在油價(jià)高于5 092.59元/t或電價(jià)低于0.83元/kWh時(shí)，使用岸電的成本將低于使用重油發(fā)電的成本，船舶節(jié)能率可達(dá)58.22%。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)海洋能綜合利用的研究主要集中在宏觀政策和海洋能發(fā)電技術(shù)等領(lǐng)域。麻常雷等[4]提出了我國(guó)開發(fā)利用海洋能的相關(guān)政策建議。N. Khan等[5]研究了潮汐能、波浪能等能源的發(fā)電潛力。陳鳳云[6]研究了海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)方式問題。Babarit等[7]研究了海上風(fēng)能、波浪能與陸地電網(wǎng)聯(lián)合為海島居民供電的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模問題。Fusco等[8]研究了風(fēng)能和波浪能資源的優(yōu)化組合對(duì)電力功率輸出可變性的影響。

綜上，已有針對(duì)港口用電策略的研究多從利用風(fēng)電、光電等清潔能源供電和使用岸電兩方面來分析港口的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)海洋能發(fā)電的研究多集中于技術(shù)層面，還需進(jìn)一步將海洋能與市電并網(wǎng)，考慮海洋能供電的不確定性，確定港口的用電策略。為此，本文在分析海洋能供電不確定性的基礎(chǔ)上，結(jié)合港口作業(yè)系統(tǒng)用電需求變化規(guī)律，構(gòu)建了面向海洋能綜合利用的港口用電多目標(biāo)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，為優(yōu)化港口能源結(jié)構(gòu)、合理開發(fā)利用新能源、綠色港口運(yùn)營(yíng)及能源調(diào)配決策提供理論依據(jù)。

1 港口用電策略多目標(biāo)優(yōu)化模型

本文在分析港口生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)用電負(fù)荷和海洋能發(fā)電功率變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，考慮海洋能供電和傳統(tǒng)市電的調(diào)配，構(gòu)建港口用電策略的多目標(biāo)優(yōu)化模型，以港口用電成本最低、碳排放量最少以及電網(wǎng)資源利用率最高為目標(biāo)，探究面向海洋能綜合利用的港口用電策略。

1.1 模型假設(shè)

(1)不考慮國(guó)家扶持基金、輸配電費(fèi)及功率因數(shù)調(diào)整等對(duì)電價(jià)的影響；

(2)不考慮儲(chǔ)電設(shè)備和國(guó)家對(duì)清潔能源發(fā)電的補(bǔ)貼政策。

1.2 模型構(gòu)建

本文以碼頭用電總成本最低、全生命周期碳排放量最少和電網(wǎng)資源利用率最高為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，根據(jù)海洋能發(fā)電機(jī)組功率和港口負(fù)荷的要求，設(shè)置海洋能發(fā)電機(jī)組約束和港口用電功率約束。該模型不僅考慮海洋能發(fā)電在港區(qū)的直接碳排放，同時(shí)也考慮了海洋能發(fā)電在全生命周期的間接碳排放，包括海洋能發(fā)電設(shè)備在制造過程中產(chǎn)生的碳排放等。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)用電成本最低

(1)

(2)全生命周期碳排放量最少

(2)

(3)電網(wǎng)資源利用率最高

(3)

式中：模型的決策變量為αi和βi，αi為各時(shí)刻的市電供電功率，βi為各時(shí)刻的海洋能供電功率；cf為市電峰時(shí)段電價(jià)，元/kWh，cp為市電平時(shí)段電價(jià)，元/kWh，cg為市電谷時(shí)段電價(jià)，元/kWh；tf為峰時(shí)段時(shí)刻集合{8，9，10，18，19，20}，tp為平時(shí)段時(shí)刻集合{6，7，11，12，13，14，15，16，17，21}，tg為谷時(shí)段時(shí)刻集合{1，2，3，4，5，22，23，24}；b為海洋能發(fā)電電價(jià)，元/kWh；k1為市電的全生命周期碳排放系數(shù)，t/kWh，k2為海洋能發(fā)電的全生命周期碳排放系數(shù)，t/kWh，f1為用電成本，元，f2為全生命周期碳排放量，t，f3為公共網(wǎng)絡(luò)資源利用率，η為海洋能發(fā)電的電網(wǎng)資源利用率。

由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于海洋能電價(jià)的標(biāo)定尚未制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文參考鄒健健等[11]對(duì)潮汐能發(fā)電電價(jià)的敏感性分析研究，確定海洋能電價(jià)b的計(jì)算公式為

(4)

bcon=10 000×Ccon×Q

(5)

bopr=10 000×Copr×Q

(6)

式中：bcon為海洋能發(fā)電設(shè)備的總建設(shè)成本，元；bopr為海洋能發(fā)電設(shè)備的年運(yùn)營(yíng)成本，元/a；Topr為海洋能電站的運(yùn)營(yíng)年限，a；Q為海洋能發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量，kW；t為海洋能發(fā)電設(shè)備的年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，h/a；Ccon為海洋能發(fā)電設(shè)備的單位建設(shè)成本，元/kWh；Copr為海洋能發(fā)電設(shè)備的單位運(yùn)營(yíng)成本，元/(a·kW)。

1.2.2 約束條件

(1)機(jī)組約束。

各時(shí)刻海洋能發(fā)電功率有限，因此各時(shí)刻海洋能發(fā)電的供電功率不能超過該時(shí)刻的海洋能最大發(fā)電功率，即

0≤βi≤βimax

(7)

式中：βimax為i時(shí)刻海洋能最大發(fā)電功率，kW。

(2)功率約束。

為滿足港口負(fù)荷的要求，各時(shí)刻的海洋能發(fā)電功率和市電購(gòu)電功率之和應(yīng)等于該時(shí)刻的港口負(fù)荷，即

Pi=αi+βi

(8)

式中：Pi為i時(shí)刻港口用電功率，kW。

1.3 模型求解

港口用電策略多目標(biāo)優(yōu)化模型選用Matlab中的Gamultiobj函數(shù)進(jìn)行求解，獲得包含200個(gè)非劣解的Pareto最優(yōu)解集?；谀：`屬度和方差賦權(quán)的方法選取最優(yōu)解，目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化程度可以通過隸屬度的大小來反映，求解步驟如下：

(1)計(jì)算最優(yōu)解集中第k個(gè)Pareto解對(duì)應(yīng)的第j個(gè)目標(biāo)值的隸屬度函數(shù)ukj

(9)

式中：N為Pareto解數(shù)目，M為目標(biāo)函數(shù)數(shù)目，fkj為第k個(gè)Pareto解的第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，fjmax和fjmin為第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)值在優(yōu)化過程中的最大值和最小值。

(2)采用基于目標(biāo)函數(shù)隸屬度方差的客觀賦權(quán)方法

(10)

式中：ωj為第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。

(3)把隸屬度加權(quán)和Fk作為對(duì)應(yīng)第k個(gè)Pareto解的選擇優(yōu)先度

(11)

Fk的最大值所對(duì)應(yīng)的Pareto解為該次優(yōu)化的無偏最優(yōu)解。

2 算例分析

2.1 算例背景

圖1 港口負(fù)荷及海洋能最大發(fā)電功率Fig.1 The load of port and the maximum power generation of marine energy

在該算例中，本文對(duì)我國(guó)南方某碼頭2014年9月8日的用電負(fù)荷進(jìn)行了分析，采用市電與海洋能聯(lián)合供電的策略，選用潮汐能發(fā)電效率較高的雙水庫(kù)連接方案進(jìn)行海洋能供電，應(yīng)用前文提出的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)1 d內(nèi)各時(shí)刻的市電供電功率和海洋能供電功率進(jìn)行優(yōu)化，通過遺傳算法求得市電供電功率和海洋能供電功率的帕累托最優(yōu)解集，利用基于模糊隸屬度和方差賦權(quán)的方法求得該碼頭1 d內(nèi)各時(shí)刻的最優(yōu)用電策略。該碼頭2014年9月8日的港口負(fù)荷曲線及海洋能最大發(fā)電功率曲線如圖1所示。

2.2 輸入?yún)?shù)

該碼頭所在城市的大工業(yè)電價(jià)由電度電價(jià)和基本電費(fèi)構(gòu)成，基本電費(fèi)根據(jù)用電單位的最大需量和變壓器容量來確定。同時(shí)該城市實(shí)施階梯電價(jià)，用電時(shí)段不同，相應(yīng)的電價(jià)也不同。該碼頭日最大負(fù)荷為2.7 kW，日總用電量為195.12 MWh，變壓器容量為25 MVA，具體電價(jià)如表1所示。

海洋能年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)約為3 200 h[10]。海洋能電站裝機(jī)容量每千瓦投資約3萬元，年發(fā)電成本約為每千瓦0.470萬元，設(shè)備建設(shè)期為2 a，運(yùn)行期為15 a，則該碼頭海洋能發(fā)電電價(jià)為2.094元/kWh[11]。

根據(jù)《2015年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子公告》[12]，該碼頭所在的華東區(qū)域電網(wǎng)的全生命周期碳排放系數(shù)為0.811 2 kg/kWh；潮汐能發(fā)電的全生命周期碳排放系數(shù)為9.5～11.0 g/kWh[13]，本文取值為10.0 g/kWh，即0.01 kg/kWh；海洋能發(fā)電裝置僅有20%左右的滿功率輸出率，若發(fā)電站的裝機(jī)條件滿足滿功率發(fā)電要求，則海洋能發(fā)電的電網(wǎng)資源利用率約為20%[14]，因此式(3)中η值取為0.2。

表1 大工業(yè)用電階梯電價(jià)Tab.1 The adder price of large industrial electricity in the city where the terminal is located

注：峰時(shí)段為每日的8～11時(shí)、18～21時(shí)，平時(shí)段為每日的6～8時(shí)、11～18時(shí)、21～22時(shí)，谷時(shí)段為每日的22時(shí)～次日6時(shí)。

2.3 結(jié)果分析

運(yùn)用Gamultiobj函數(shù)對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，并選擇最優(yōu)用電策略，確定最優(yōu)用電決策下的各時(shí)刻市電供電功率和各時(shí)刻海洋能供電功率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 b=2.094元/kWh，港口負(fù)荷-市電供 電功率-海洋能供電功率曲線Fig.2 The load of port-mains power-marine energy power, while b=2.094 yuan/kWh

圖2表明，當(dāng)海洋能電價(jià)為2.094元/kWh時(shí)，在最優(yōu)策略下，1 d內(nèi)的市電總供電量為184 957.2 kWh，海洋能總供電量為10 162.8 kWh，由于最優(yōu)用電決策的海洋能用電量較少(僅占總負(fù)荷的11.08%)，大部分電力供應(yīng)仍來源于市電，因此全生命周期的碳排放量?jī)H降低了5.14%，減排效果并不明顯。由于海洋能電站的建設(shè)成本較高，因此海洋能發(fā)電的電價(jià)較高。通過采用浮運(yùn)施工法等降低潮汐電站造價(jià)的措施，可使潮汐電站的建設(shè)成本降低25%～38%[15]；由于潮汐電站的工程造價(jià)較高，因此延長(zhǎng)潮汐電站的使用壽命可以有效較低電價(jià)，潮汐電站的使用期最長(zhǎng)可達(dá)75～100 a[16]；潮汐電站的不同布置形式，如加大潮汐渦輪機(jī)間距，采用潮汐渦輪機(jī)與岸上風(fēng)力渦輪機(jī)共同布置的形式，可以提高潮汐電站的發(fā)電效率，降低運(yùn)行成本10%～12%[17]。結(jié)合以上降低潮汐能發(fā)電電價(jià)的措施，根據(jù)1.2.1節(jié)中海洋能電價(jià)的計(jì)算公式，本算例中海洋能發(fā)電電價(jià)最多可降低35.6%，即降至1.351元/kWh。為研究海洋能電價(jià)的變化對(duì)用電策略的影響，本文對(duì)海洋能電價(jià)進(jìn)行敏感性分析。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)海洋能電價(jià)分別降低10%(1.885元/kWh)、20%(1.675元/kWh)、30%(1.466元/kWh)以及40%(1.256元/kWh)時(shí)，最優(yōu)用電決策的港口負(fù)荷-市電供電功率-海洋能供電功率曲線如圖3所示。

選取海洋能供電量、總用電成本、全生命周期碳排放量等指標(biāo)，對(duì)比不同用電策略下的供電效果；根據(jù)我國(guó)的碳交易市場(chǎng)上的二氧化碳交易價(jià)格[18]，本文選取二氧化碳交易價(jià)格為20元/t，計(jì)算了考慮碳交易的總用電成本，結(jié)果如表2所示。

表2 用電策略指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison on indicators of power consumption strategies

表2結(jié)果顯示，與全部使用市電進(jìn)行供電相比，在使用海洋能和市電聯(lián)合供電的條件下，當(dāng)海洋能電價(jià)為2.094元/kWh時(shí)，由于海洋能電價(jià)過高，用電成本對(duì)使用海洋能的限制較大，最優(yōu)供電策略下的全生命周期碳排放量?jī)H降低5.14%；隨著海洋能電價(jià)的降低，海洋能發(fā)電的使用量逐漸增多，減排效果逐漸提升，當(dāng)海洋能電價(jià)降至1.256元/kWh時(shí)，在使用海洋能和市電聯(lián)合供電的最優(yōu)策略下，全生命周期碳排放量降低31.09%，減排效果明顯。

考慮碳交易引起的二氧化碳排放成本，在不同的海洋能電價(jià)情況下最優(yōu)用電決策的總用電成本隨著海洋能電價(jià)的降低而增長(zhǎng)，然而增長(zhǎng)幅度逐漸減小，當(dāng)海洋能電價(jià)低于1.466元/kWh時(shí)，總用電成本到達(dá)穩(wěn)定水平。這一結(jié)果表明，當(dāng)海洋能電價(jià)低于1.466元/kWh時(shí)，全生命周期的碳排放量降低率超過24%，減排效果明顯，且考慮碳交易的總用電成本不再增長(zhǎng)，因此，可以認(rèn)為可接受的海洋能電價(jià)為不大于1.466元/kWh。

3 結(jié)論

本文首先建立了面向海洋能綜合利用的港口用電決策優(yōu)化模型，以環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)資源利用率的最大化為目標(biāo)，通過遺傳算法求得帕累托最優(yōu)解集；其次，運(yùn)用基于模糊隸屬度和方差賦權(quán)的最優(yōu)解決策方法選出最優(yōu)用電決策；最后，以我國(guó)南方某碼頭的實(shí)際用電情況為例，應(yīng)用該模型對(duì)算例碼頭的用電策略進(jìn)行優(yōu)化。算例分析結(jié)果表明，使用海洋能和市電聯(lián)合供電能夠起到減排效果，當(dāng)海洋能電價(jià)為2.094元/kWh時(shí)，由于電價(jià)較高，全生命周期的碳排放僅降低5.14%；當(dāng)海洋能電價(jià)降至1.256元/kWh時(shí)，全生命周期的碳排放降低31.09%，最優(yōu)策略的減排效果越明顯。結(jié)合碳交易分析得，當(dāng)前可接受的海洋能電價(jià)為不大于1.466元/kWh。