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，具有波動性和隨機性等特征，海洋能供電需調(diào)配市電，形成多能互補的能源結(jié)構(gòu)。因此，探究面向海洋能綜合利用的港口多能互補的用電策略顯得尤為重要。

國內(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1.5 MW的風(fēng)力渦輪機和一臺5 MW的光伏發(fā)電機提供；俞曉[3]研究發(fā)現(xiàn)，在油價高于5 092.59元/t或電價低于0.83元/kWh時，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%。

國內(nèi)外針對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)化組合對電力功率輸出可變性的影響。

綜上，已有針對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)濟效益，針對海洋能發(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，實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟效益的最大化，為優(yōu)化港口能源結(jié)構(gòu)、合理開發(fā)利用新能源、綠色港口運營及能源調(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)不考慮國家扶持基金、輸配電費及功率因數(shù)調(diào)整等對電價的影響；

(2)不考慮儲電設(shè)備和國家對清潔能源發(fā)電的補貼政策。

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)電機組功率和港口負(fù)荷的要求，設(shè)置海洋能發(fā)電機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為各時刻的市電供電功率，βi為各時刻的海洋能供電功率；cf為市電峰時段電價，元/kWh，cp為市電平時段電價，元/kWh，cg為市電谷時段電價，元/kWh；tf為峰時段時刻集合{8，9，10，18，19，20}，tp為平時段時刻集合{6，7，11，12，13，14，15，16，17，21}，tg為谷時段時刻集合{1，2，3，4，5，22，23，24}；b為海洋能發(fā)電電價，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。

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

(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)備的年運營成本，元/a；Topr為海洋能電站的運營年限，a；Q為海洋能發(fā)電設(shè)備的裝機容量，kW；t為海洋能發(fā)電設(shè)備的年發(fā)電時長，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)備的單位運營成本，元/(a·kW)。

1.2.2 約束條件

(1)機組約束。

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

0≤βi≤βimax

(7)

式中：βimax為i時刻海洋能最大發(fā)電功率，kW。

(2)功率約束。

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

Pi=αi+βi

(8)

式中：Pi為i時刻港口用電功率，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個非劣解的Pareto最優(yōu)解集。基于模糊隸屬度和方差賦權(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)計算最優(yōu)解集中第k個Pareto解對應(yīng)的第j個目標(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Pareto解的第j個目標(biāo)函數(shù)值，fjmax和fjmin為第j個目標(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個目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。

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

(11)

Fk的最大值所對應(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，本文對我國南方某碼頭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1 d內(nèi)各時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)電價由電度電價和基本電費構(gòu)成，基本電費根據(jù)用電單位的最大需量和變壓器容量來確定。同時該城市實施階梯電價，用電時段不同，相應(yīng)的電價也不同。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，具體電價如表1所示。

海洋能年發(fā)電時長約為3 200 h[10]。海洋能電站裝機容量每千瓦投資約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，運行期為15 a，則該碼頭海洋能發(fā)電電價為2.094元/kWh[11]。

根據(jù)《2015年中國區(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Tab.1 The adder price of large industrial electricity in the city where the terminal is located

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

2.3 結(jié)果分析

運用Gamultiobj函數(shù)對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，并選擇最優(yōu)用電策略，確定最優(yōu)用電決策下的各時刻市電供電功率和各時刻海洋能供電功率，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)海洋能電價為2.094元/kWh時，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僅降低了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)電的電價較高。通過采用浮運施工法等降低潮汐電站造價的措施，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較高，因此延長潮汐電站的使用壽命可以有效較低電價，潮汐電站的使用期最長可達(dá)75～100 a[16]；潮汐電站的不同布置形式，如加大潮汐渦輪機間距，采用潮汐渦輪機與岸上風(fēng)力渦輪機共同布置的形式，可以提高潮汐電站的發(fā)電效率，降低運行成本10%～12%[17]。結(jié)合以上降低潮汐能發(fā)電電價的措施，根據(jù)1.2.1節(jié)中海洋能電價的計算公式，本算例中海洋能發(fā)電電價最多可降低35.6%，即降至1.351元/kWh。為研究海洋能電價的變化對用電策略的影響，本文對海洋能電價進(jìn)行敏感性分析。經(jīng)計算，當(dāng)海洋能電價分別降低10%(1.885元/kWh)、20%(1.675元/kWh)、30%(1.466元/kWh)以及40%(1.256元/kWh)時，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)，對比不同用電策略下的供電效果；根據(jù)我國的碳交易市場上的二氧化碳交易價格[18]，本文選取二氧化碳交易價格為20元/t，計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)海洋能電價為2.094元/kWh時，由于海洋能電價過高，用電成本對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僅降低5.14%；隨著海洋能電價的降低，海洋能發(fā)電的使用量逐漸增多，減排效果逐漸提升，當(dāng)海洋能電價降至1.256元/kWh時，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情況下最優(yōu)用電決策的總用電成本隨著海洋能電價的降低而增長，然而增長幅度逐漸減小，當(dāng)海洋能電價低于1.466元/kWh時，總用電成本到達(dá)穩(wěn)定水平。這一結(jié)果表明，當(dāng)海洋能電價低于1.466元/kWh時，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，因此，可以認(rèn)為可接受的海洋能電價為不大于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，以我國南方某碼頭的實際用電情況為例，應(yīng)用該模型對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)海洋能電價為2.094元/kWh時，由于電價較高，全生命周期的碳排放僅降低5.14%；當(dāng)海洋能電價降至1.256元/kWh時，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為不大于1.466元/kWh。