小水電與風光并網(wǎng)的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益研究

白雪，袁越，傅質(zhì)馨

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京210098）

風能、太陽能和水能是國際公認的清潔可再生能源，我國的這些能源十分豐富。風能和太陽能發(fā)電是近年來發(fā)展較快的可再生綠色電力，但是獨立的風光發(fā)電系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)容量的要求較高，且蓄電池設(shè)備的價格昂貴[1]。徑流式小水電易受季節(jié)、來水影響，設(shè)備利用小時數(shù)偏低，與太陽能、風能相比，其經(jīng)濟效益較差[2-3]。因此，在我國風能與太陽能資源豐富的地區(qū)，利用二者在時間上的互補性，并根據(jù)這些地區(qū)同時存在著一些河流和水庫的自然條件，建成風、光、水聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。利用河流建成小水電站，并在水電站取水口上游水庫加裝可逆式機組，利用帶蓄水庫小水電的啟停靈活性以及短期調(diào)節(jié)性，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰填谷，提高電力輸出的平穩(wěn)性和可靠性。利用天然的河流和水庫建成的儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比起加裝蓄電池設(shè)備或建設(shè)抽水蓄能電站的投資，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。從生態(tài)效益上講，將小水電、風能和太陽能進行聯(lián)合開發(fā)，減少了煙塵、二氧化碳、一氧化碳、氯化氮及大量廢棄物對環(huán)境的污染和破壞，對保護生態(tài)環(huán)境非常有益。

目前，各國對于小水電的研究主要是提高供電可靠性、降低電能成本，增加小水電在電力市場中的競爭力上。對風光互補系統(tǒng)的研究主要是優(yōu)化資源配置以及控制策略方面。小水電與風光互補的研究較少。文獻[4]對互補發(fā)電研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了介紹，給出仿真結(jié)構(gòu)圖，并指出仿真可以為建設(shè)互補發(fā)電系統(tǒng)提供技術(shù)保障。文獻[5]對風光水互補的戶用微型系統(tǒng)進行了潮流計算。但都未進行仿真算例研究。本文對風、光、小水電的聯(lián)合互補系統(tǒng)建立了結(jié)構(gòu)模型并進行了仿真算例研究，從而驗證了互補系統(tǒng)的可靠性。為了提高新能源的供電可靠性，目前，利用水力的抽水儲能特性與風電互補的研究很多，文獻[6-8]是利用抽水蓄能與風電場聯(lián)合開發(fā)，從而提高風電場的運行利潤和電網(wǎng)供電可靠性的研究。而近年來在節(jié)能減排的政策環(huán)境下，許多文獻都提出了可再生能源在我國的資源優(yōu)勢以及對節(jié)能減排的環(huán)境貢獻。

本文對風電、光伏、小水電混合系統(tǒng)的節(jié)能減排進行了研究，提出用天然蓄水庫來代替蓄電池設(shè)備，為風光混合系統(tǒng)進行調(diào)峰填谷和短期事故備用。為實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，將小水電的上網(wǎng)電價按風光混合系統(tǒng)的上網(wǎng)電價標準制定。同時考慮峰谷電價，利用蓄水庫將低谷時段的廉價電能轉(zhuǎn)化為高峰時段的稀缺電能，使能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟效益最大化。

1 風光水蓄聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模

1.1 風光水蓄聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶有天然蓄水庫的風光水聯(lián)合互補系統(tǒng)可以為負荷系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定可靠的電力。與抽水蓄能電站具有上、下水庫相比，只有一個天然蓄水庫的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對簡單，且能達到抽水蓄能的效果。圖1為本文建立的風電(WP-Wind power)、光伏(PV-Photovoltaic)、小水電(SH-Small hydropower)、蓄水庫(PSR-Pumped storage reservoir)四者聯(lián)合供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。通過控制中心的控制對風電、光伏、小水電所發(fā)的電能進行統(tǒng)一調(diào)度，將多發(fā)的電能用于抽水泵抽水，儲存在蓄水庫中。

圖1 風光水蓄聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 風力發(fā)電(WP)的輸出功率特性

在風電機組裝機容量確定的情況下，其輸出功率主要決定于風速。

風速模擬

風速是隨機變量，可以用威布爾分布來描述，因此其概率密度函數(shù)[9]為

式中，v為風速；k為風速頻譜特性；k=(σv/v)-1.086；c為尺度參數(shù)

當風速服從F(v)∈(0,1)時，產(chǎn)生的隨機數(shù)V就是符合威布爾分布的實時風速[10]

圖2 符合威布爾分布的風速曲線

圖3為風速基于威布爾分布的某50 MW風力發(fā)電機的輸出功率曲線。

圖3 某50MW風電機組輸出功率曲線

1.3 光伏發(fā)電(PV)的輸出功率特性

在光伏陣列容量確定的情況下，其最大輸出功率隨太陽輻射度和表面溫度變化。

光伏陣列模型是根據(jù)標準條件下光伏的輸出曲線，計及隨溫度和輻射度變化的偏差量，得到的不同溫度和輻射度下的特性曲線，從而求取最大功率輸出時的電壓和電流[11]。

本文根據(jù)某地日輻射度和溫度變化曲線，如圖4、圖5所示，取標準開路電壓為40 V，標準短路電流為5 A時，建立了某額定功率為30 MW的光伏陣列日輸出功率曲線如圖6所示。

圖4 某日溫度變化曲線

圖5 某日太陽輻射度變化曲線

圖6 某日PV輸出功率曲線

1.4 小水電(SH)與蓄水庫(PSR)的輸出功率特性

1.4.1 小水電(SH)輸出功率特性

在小水電裝機容量確定的情況下，其輸出功率主要取決于河流的徑流量以及水頭高度，其表達式為[12]

式中，Psh為小水電的輸出功率；η為水輪發(fā)電機組效率；Qt為t時段發(fā)電引用流量；Ht為t時段的水頭高度；Δt為發(fā)電時間段；T為一個運行周期；Qtmin、Qtmax分別為t時段小水電發(fā)電可以引用的最小和最大流量。

根據(jù)某地河流日來水量的計算獲得小水電的日輸出功率特性曲線，如圖7所示。

圖7 某日小水電輸出功率曲線

1.4.2 蓄水庫(PSR)輸出功率特性

在蓄水庫可逆機組裝機容量確定的情況下，其輸入輸出功率主要決定于水庫的庫容和水頭高度，因此本文建立了考慮抽發(fā)水頭高度變化時的蓄水庫輸出功率特性，其表達式如下：

當PSR運行于發(fā)電狀態(tài)時輸出功率為

式中，Ph為PSR水輪發(fā)電機輸出功率；ηh為水輪發(fā)電機組效率；Qh為發(fā)電引用流量；H1為發(fā)電水頭高度；Vt0是任一發(fā)電時段開始前蓄水庫儲水量，[t0，t1]指發(fā)電工況時間段；Vmax為蓄水庫可用最大水量。

當PSR運行于抽水狀態(tài)時消耗功率為

式中，Pp為PSR水泵的抽水功率；ηp為水泵抽水效率；Qh是水泵抽水流量；H2為抽水水頭高度，且H1t≈H2t+Ht，即蓄水庫t時段發(fā)電的水頭高度為抽水高度與小水電水頭高度之和；[t1，t2]指蓄水庫的抽水時間段；Vt1是任一抽水時段開始前水庫儲水量。

2 小水電與風光混合系統(tǒng)經(jīng)濟效益研究

本文在建立了小水電與風光混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型以及數(shù)學(xué)模型后，對峰谷電價給小水電與風光互補發(fā)電系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益進行了算例研究。從4個方面進行考慮：1)能量轉(zhuǎn)化效益；2)小水電低成本發(fā)電高價賣電效益；3)蓄水庫低抽高發(fā)的水頭效益；4)蓄水庫與小水電建設(shè)低投資成本與低運行、檢修成本效益。

2.1 經(jīng)濟效益評價模型

本文以日為一個調(diào)節(jié)周期，平均分為96個時段進行研究。劃分峰谷負荷時段，峰時段執(zhí)行高上網(wǎng)電價、谷時段執(zhí)行低上網(wǎng)電價，介于兩者之間的腰時段執(zhí)行中間電價。

設(shè)混合供電系統(tǒng)與負荷系統(tǒng)的功率差為Pex(t)，且Pex∈[Pexmin,Pexmax]。則t時段風電場，光伏陣列和小水電的輸出功率分別為Pwp(t)，PPv(t)和Psh(t)，負荷系統(tǒng)消耗功率為Plo(t)，若假設(shè)機組在不同時段接入電網(wǎng)時，聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率為各輸出功率之和，則發(fā)電系統(tǒng)與負荷系統(tǒng)功率之間的關(guān)系為

式中，Pp(t)為蓄水庫水泵抽水功率為蓄水庫水泵額定功率，即此時蓄水庫抽水泵抽水，將電能轉(zhuǎn)化為勢能，儲存多余的電能。

式中，Ph(t)為水輪機發(fā)電功率為蓄水庫水輪機額定功率，即此時蓄水庫水輪機發(fā)電，將勢能轉(zhuǎn)化為電能，釋放儲能。

在一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)，蓄水庫抽水量等于發(fā)電泄水量。由于蓄水庫抽水與發(fā)電使用的是可逆設(shè)備，因此任意時間抽水和發(fā)電只能有一個處于工作狀態(tài)。則小水電與風光混合系統(tǒng)在任一時間段t內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益，即為由儲存在蓄水庫中的能量所發(fā)的電能與用于抽水消耗的電能價值的差值，此處考慮低抽高發(fā)的水頭效益，同時計及建設(shè)小水電與蓄水庫的投資、運行及檢修成本，按運行40 a，日運行費用為日平均投資的5%，檢修費用按日平均投資的1%計算。定義任一時間段上網(wǎng)電價為ci，設(shè)總投資為I，任一時間段投資為Ii，則聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效益模型為

式中，Qhi，Qpi分別為第i個時間段蓄水庫發(fā)電和抽水引用的流量。

2.2 計算流程與算例驗證

2.2.1 計算流程

本文考慮峰谷電價的條件下，借助帶天然蓄水庫的小水電站的抽水儲能調(diào)節(jié)能力，將低谷時段風、光所發(fā)的廉價電能儲存到高峰時段以高價發(fā)出，提高其發(fā)電價值，從而獲得能量調(diào)節(jié)的經(jīng)濟效益。考慮綜合投資成本對系統(tǒng)進行定價，較之小水電的獨立上網(wǎng)電價，其經(jīng)濟效益大大提高。將蓄水庫的運行狀態(tài)變量作為優(yōu)化變量，求解最優(yōu)的狀態(tài)變量從而獲得最大的經(jīng)濟效益。根據(jù)經(jīng)濟效益評價模型，采用優(yōu)化算法進行迭代求解，流程如圖8所示。

圖8 風光水能量轉(zhuǎn)化效益的計算流程

2.2.2 算例驗證

本文以日調(diào)節(jié)的蓄水庫為研究對象，以帶庫容的小水電與風光混合系統(tǒng)的儲發(fā)電能轉(zhuǎn)化帶來的經(jīng)濟效益最大化為目標，計算當風電、光伏發(fā)電和小水電的日輸出功率特性已知的情況下，根據(jù)蓄水庫低抽高發(fā)的最優(yōu)運行策略，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。根據(jù)我國某地峰谷電價分時政策，參考相關(guān)資料中風電和光伏上網(wǎng)電價，按照混合系統(tǒng)中風電、光伏的額定功率比例，通過加權(quán)平均的方法制定混合系統(tǒng)的峰谷分時上網(wǎng)電價。因小水電的上網(wǎng)電價較之風光系統(tǒng)的上網(wǎng)電價要低得多，因此僅參考風光發(fā)電系統(tǒng)的峰谷電價政策制定風光水蓄聯(lián)合系統(tǒng)的統(tǒng)一上網(wǎng)峰谷電價。對某50 MW風機和30 MW光伏陣列以及20 MW小水電組成的混合發(fā)電系統(tǒng)制定的上網(wǎng)峰谷電價如表1所示。

在算例中，任一時間段的風電、光伏陣列、小水電以及蓄水庫可逆機組輸出功率均取該時間段的平均值，并假定蓄水庫抽水和發(fā)電功率隨時可控，且小水電與蓄水庫機組的綜合利用效率都為0.7。小水電與蓄水庫建設(shè)總投資按500萬元計。

表1 小水電與風電光伏上網(wǎng)峰谷電價情況元·（kW·h）-1

根據(jù)式(15)、(16)可得小水電與風光混合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益，見表2。

表2 小水電與風光混合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益

由表2可知，在聯(lián)合系統(tǒng)功率參數(shù)和日負荷一定的情況下，有蓄水庫的小水電站的能量轉(zhuǎn)化效益受蓄水庫庫容的影響，庫容越大，能量轉(zhuǎn)化效益越大；庫容越小，能量轉(zhuǎn)化效益越小。即，風光混合系統(tǒng)低谷時段所發(fā)的電以高價賣出的效率越高，帶來的經(jīng)濟效益也就越大。

圖9給出了有蓄水庫的小水電與風光并網(wǎng)，調(diào)節(jié)峰谷時段發(fā)電功率滿足更高的可靠性和穩(wěn)定性的功率曲線。圖9描述了蓄水庫的運行狀態(tài)，有蓄水庫的小水電與風光混合系統(tǒng)，無蓄水庫的小水電與風光混合系統(tǒng)以及負荷系統(tǒng)的日功率變化曲線特性。

圖9 風光水聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率曲線

由圖9可知：由于風電、光伏發(fā)電以及小水電的波動性造成無蓄水庫的混合系統(tǒng)輸出功率頻繁波動，不能滿足負荷需求；而加入蓄水庫的小水電與風光混合系統(tǒng)的運行功率則與負荷曲線更貼近，即降低了供電系統(tǒng)的波動性，減輕了對負荷系統(tǒng)的影響，提高了供電可靠性。

由圖10可以看出，在谷電價時段蓄水庫主要工作于抽水狀態(tài)，儲存能量；而在峰電價時段主要工作于發(fā)電狀態(tài)，將低谷時段存儲的水能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能量在時間上的轉(zhuǎn)移，賺取差價。

圖10 蓄水庫運行時間與峰谷電價時段對比

小水電的上網(wǎng)電價按風光混合發(fā)電系統(tǒng)的平均上網(wǎng)電價計算，經(jīng)濟收益達到46.3萬元/d；而若按小水電峰谷電價計算，其日收益僅有11.2萬元/d，因此小水電1 d的經(jīng)濟效益就提高了35.1萬元。

上述關(guān)于能量轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益的研究是在風電光伏小水電輸出功率日變化曲線已知的情況下，對蓄水庫在移峰填谷方面的經(jīng)濟效益進行定量評估，同時計及水頭增發(fā)電量效益和小水電的低價發(fā)電高價售電效益，得出將小水電與風光系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電帶來的最大經(jīng)濟效益。

3 小水電與風光聯(lián)合系統(tǒng)環(huán)境效益

我國煤炭資源豐富，但是高強度開采，遠距離大規(guī)模運輸，不僅使煤炭資源消耗過快，也增加了環(huán)保壓力[13]。因此，應(yīng)充分利用天然的無污染資源，減少燃煤發(fā)電比例，帶來節(jié)能減排的環(huán)境效益。

3.1 環(huán)境價值評價模型

評價小水電與風光混合系統(tǒng)的環(huán)境價值是相對于火電廠耗煤排污量來說的。參考中國排污總量收費標準和根據(jù)該標準評估出的中國電力行業(yè)各種污染物減排的環(huán)境價值標準[14-15]，見表3，評價小水電與風光聯(lián)合發(fā)電對社會帶來的節(jié)能減排環(huán)境效益。

定義燃煤污染物排放率為燃燒1 t標煤所排放的污染物質(zhì)量。根據(jù)某火電廠平均每kW·h供電煤耗355 g標煤計算，小水電與風光互補系統(tǒng)一天所發(fā)的電量節(jié)省的標煤量為

聯(lián)合系統(tǒng)的環(huán)境價值

式中，A為發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境價值；Bi為污染物的環(huán)境價值；Ci為污染物的排放量。

根據(jù)算例中全天小水電與風光混合系統(tǒng)總發(fā)電量約130萬kW·h（蓄水庫庫容為15 MW·h混合系統(tǒng)1 d總發(fā)電量），計算出該系統(tǒng)的節(jié)煤減排量以及污染物減排量的環(huán)境價值見表3。

表3 風光水聯(lián)合系統(tǒng)的節(jié)能減排效益

由表3可知，用該聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)電，每天可以節(jié)省462 t標煤，按環(huán)境價值計算可以節(jié)省總計46.5萬元/d，同時溫室氣體和其他廢渣大大減少，對環(huán)境保護十分有益。因此，應(yīng)該大力推行節(jié)能減排政策，為我國環(huán)境質(zhì)量以及經(jīng)濟效益的提高做出貢獻。

4 結(jié)語

本文建立了有庫容的小水電與風光聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化經(jīng)濟效益定量評估模型，并對環(huán)境價值效益進行評估分析。仿真結(jié)果表明，小水電與風光聯(lián)合系統(tǒng)能利用小水電的調(diào)節(jié)性將風光多發(fā)的電能儲存在蓄水庫，通過將低谷時段的剩余電能轉(zhuǎn)化為高峰時段的緊缺電能，取得良好的經(jīng)濟效益。裝機容量為50 MW的風電場與裝機容量為30 MW的光伏陣列聯(lián)合運行時，利用20 MW小水電的15 MW蓄水庫的調(diào)節(jié)能力每天的能量轉(zhuǎn)化效益達5.021 4~9.360 2萬元，小水電抬高上網(wǎng)電價的經(jīng)濟效益達35.1萬元，根據(jù)節(jié)煤價值與環(huán)境價值的計算，新能源發(fā)電可以節(jié)省約46.5萬元。這些都證實了小水電與風光并網(wǎng)帶來的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益非常可觀，同時，聯(lián)合系統(tǒng)有效的平抑了風光輸出功率的波動性，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

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