劉 忠, 張 樂(lè), 寇攀高, 鄒淑云

(1．長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114;2．國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長(zhǎng)沙 410007)

在中國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的驅(qū)使下,構(gòu)建以風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為我國(guó)能源發(fā)展的趨勢(shì)[1]。然而,由于風(fēng)電和光伏發(fā)電具有很強(qiáng)的間歇性和隨機(jī)性,大規(guī)模并網(wǎng)消納將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是解決風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電(下文簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)光電)利用難的關(guān)鍵技術(shù)。目前,電力系統(tǒng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)主要為物理儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能[2]。其中,物理儲(chǔ)能中的抽水蓄能以及電化學(xué)儲(chǔ)能中的鋰離子蓄電池是技術(shù)成熟度較高、應(yīng)用規(guī)模較廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[4]中僅研究了風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性的容量?jī)?yōu)化配置。但單一儲(chǔ)能技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和局限性使得容量密度和功率密度難以兩全。由抽水蓄能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合了2種儲(chǔ)能技術(shù)的不同特性,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),系統(tǒng)具有更好的靈活性、高效性和可靠性。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的容量配置問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。Xu等[5]評(píng)估了風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,并通過(guò)粒子群算法對(duì)系統(tǒng)各部件的容量進(jìn)行了優(yōu)化。Guezgouz等[6]以成本和負(fù)荷失電率作為風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù),通過(guò)與單儲(chǔ)能系統(tǒng)比較,證明混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。Abdelshafy等[7]將風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)與單儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)比,從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面證明了風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的有效性。Shabani等[8]對(duì)比分析了風(fēng)電-光伏-抽水蓄能系統(tǒng)和風(fēng)電-光伏-蓄電池系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明風(fēng)電-光伏-蓄電池系統(tǒng)是滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性的最佳選擇。Javed等[9]比較了離網(wǎng)型風(fēng)電、光伏、抽水蓄能和蓄電池的各種組合,結(jié)果表明雙儲(chǔ)能系統(tǒng)有著更靈活的運(yùn)行策略,能以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高的可靠性。通過(guò)以上分析可以看出,現(xiàn)有研究大多數(shù)以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性為優(yōu)化目標(biāo),在利用優(yōu)化算法求得帕累托解集之后根據(jù)需求人為選擇最優(yōu)解。少有研究人員在并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中考慮全生命周期內(nèi)的碳排放量,并且使用多目標(biāo)決策方法進(jìn)行無(wú)偏折中獲取最優(yōu)解。

筆者將成本最低、碳排放量最小作為并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo),并綜合考慮系統(tǒng)棄風(fēng)棄光和供電可靠性,利用帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)和逼近理想解排序法(TOPSIS)求解得到適合所研究地區(qū)的系統(tǒng)最優(yōu)容量配置方案。

1 風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)主要由風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、抽水蓄能電站、蓄電池和控制中心等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)風(fēng)電和光伏的總功率大于當(dāng)?shù)刎?fù)荷時(shí),多余的電能將儲(chǔ)存在抽水蓄能和蓄電池中;當(dāng)風(fēng)電和光伏的總功率小于當(dāng)?shù)刎?fù)荷時(shí),由抽水蓄能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)放水發(fā)電和放電共同滿足負(fù)荷需求。

圖1 并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)

1.2 風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)電機(jī)組的輸出功率主要取決于所選機(jī)組的輪轂高度和功率輸出曲線,以及所研究地區(qū)輪轂高度處的風(fēng)速。其風(fēng)速-輸出功率函數(shù)[10]表示為

(1)

式中:Pw、Pr分別為風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率和額定輸出功率,kW;V、Vci、Vr和Vco分別為風(fēng)力機(jī)在輪轂高度處的實(shí)際風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速,m/s。

1.3 光伏發(fā)電模型

光伏電池的輸出功率主要受到當(dāng)?shù)靥?yáng)能輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度等因素的影響。光伏電池的輸出功率Ppv[11]可表示為

(2)

式中:Ps為光伏電池的額定輸出功率,W;Gβ為照射到光伏電池表面的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度,W/m2;θT為光伏電池的功率溫度系數(shù),取-0.35%/K;T為電池的工作溫度,℃;Tref為參考溫度,取25 ℃。

1.4 抽水蓄能電站模型

抽水蓄能具有儲(chǔ)能容量大、壽命周期長(zhǎng)和環(huán)保性好等優(yōu)勢(shì),但同時(shí)存在響應(yīng)速度較慢、電站建設(shè)對(duì)地理環(huán)境要求高等不足[12]。抽水蓄能電站經(jīng)抽水和發(fā)電工況前后的水庫(kù)水量V[13]可表示為

V(t)=V(t-1)+[qV,rain(t)+qV,p(t)-qV,h(t)]Δt

(3)

(4)

(5)

式中:V(t)和V(t-1)分別為t時(shí)刻和t-1時(shí)刻水庫(kù)的水量,m3;qV,rain(t)、qV,p(t)和qV,h(t)分別為t時(shí)刻流入水庫(kù)的雨水體積流量、抽水蓄能電站抽水和發(fā)電時(shí)對(duì)應(yīng)的水體積流量,m3/h;Pp(t)和Ph(t)分別為t時(shí)刻抽水蓄能電站運(yùn)行時(shí)的抽水功率和發(fā)電功率,kW;ηp、ηh和ηwp分別為抽水效率、發(fā)電效率和管道效率,取80%、90%和95%;ρ為水的密度,取1 000 kg/m3;g為重力加速度,取9.81 m/s2;h為水頭高度,取100 m;Kp和Kh分別為抽水和發(fā)電時(shí)的流量功率比;Δt為時(shí)間間隔,s。

1.5 蓄電池模型

蓄電池不受地理環(huán)境限制,具有響應(yīng)速度快、配置靈活和建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì),但其在循環(huán)壽命、安全性和環(huán)保性方面存在不足[12]。蓄電池經(jīng)充電和放電工況前后的容量[14]可表示為

(6)

式中:Ebat(t)和Ebat(t-1)分別為t時(shí)刻和t-1時(shí)刻的蓄電池容量,kW·h;Pbp(t)和Pbh(t)分別為蓄電池的充電功率和放電功率,kW;ηbp和ηbh分別為蓄電池的充電效率和放電效率,取85%。

1.6 系統(tǒng)運(yùn)行策略

所研究的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行策略如圖2所示。其中:Pz(t)、Pload(t)分別為t時(shí)刻風(fēng)光電的輸出功率和當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求;Pg(t)為t時(shí)刻風(fēng)光電的上網(wǎng)功率;Pe1(t)、Pe2(t)分別為風(fēng)光電相對(duì)負(fù)荷的過(guò)剩功率、風(fēng)光電在滿足負(fù)荷和抽水蓄能抽水后的剩余功率;Pp1(t)、Pbp1(t)分別為由風(fēng)光電供給的抽水功率和充電功率;Pp2(t)、Pbp2(t)分別為由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供給的抽水功率和充電功率;α為抽水蓄能與蓄電池的供電比例。

圖2 并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行策略

由圖2可知,當(dāng)Pz(t)小于Pload(t)時(shí),由抽水蓄能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能將共同發(fā)電以滿足負(fù)荷需求,此時(shí)抽水蓄能運(yùn)行在發(fā)電工況,蓄電池開(kāi)始放電;當(dāng)Pz(t)大于Pload(t)時(shí),多余的風(fēng)光電將依次儲(chǔ)存在抽水蓄能和蓄電池中。該時(shí)段內(nèi)若Pe1(t)大于所需的抽水功率Pp(t),則抽水蓄能開(kāi)始抽水;若Pe1(t)小于抽水蓄能所需的抽水功率Pp(t),則由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供一部分電能用于抽水,多余的電能全部由抽水蓄能儲(chǔ)存。若Pe2(t)大于蓄電池的充電功率Pbp(t),則蓄電池開(kāi)始充電,剩余的電能Pg(t)將送入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng);若Pe2(t)小于蓄電池的充電功率Pbp(t),則由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供一部分電能給蓄電池充電。

2 優(yōu)化模型和方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 系統(tǒng)成本最低

并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的總成本(F1)包括每個(gè)主體的初始投資成本Mi、整個(gè)項(xiàng)目周期的替換成本Mr和運(yùn)維成本Mo。系統(tǒng)成本最低的計(jì)算式為:

min(F1)=min(Mi+Mr+Mo)

(7)

Mi=CwNw+CpvNpv+CptPpt+CbatNbat+CcapVcap

(8)

(9)

Co,batNbat+Co,capVcap)/(1+r)n]

(10)

式中:Cw、Cpv、Cpt、Cbat和Ccap分別為風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、可逆式水泵水輪機(jī)、蓄電池和水庫(kù)庫(kù)容的投資成本,元;Nw為風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組數(shù)量;Npv為光伏電站中光伏電池?cái)?shù)量;Nbat為蓄電池?cái)?shù)量;Ppt為可逆式水泵水輪機(jī)的裝機(jī)容量,kW;Vcap為水庫(kù)的庫(kù)容,m3;Cr,w、Cr,pv、Cr,pt和Cr,bat分別為風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、可逆式水泵水輪機(jī)和蓄電池的替換成本,元;Tw、Tpv、Tpt和Tbat分別為風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、可逆式水泵水輪機(jī)和蓄電池的壽命周期,a;Co,w、Co,pv、Co,pt、Co,bat和Co,cap分別為風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、可逆式水泵水輪機(jī)、蓄電池和水庫(kù)的運(yùn)維成本,元/a;Ta為項(xiàng)目的周期(即水庫(kù)的壽命周期),a;r為貼現(xiàn)率,取5%。

2.1.2 系統(tǒng)碳排放量最小

電力系統(tǒng)的全生命周期一般指相關(guān)組件的生產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)和回收處理等階段[15]。風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、抽水蓄能和蓄電池產(chǎn)生的碳排放主要集中在除運(yùn)行維護(hù)之外的各個(gè)階段。燃煤發(fā)電作為目前電網(wǎng)主要的電能供應(yīng)方式,其在各個(gè)階段均會(huì)產(chǎn)生碳排放。本節(jié)假設(shè)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)得的電能全部來(lái)自燃煤發(fā)電。

現(xiàn)有研究常采用全生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment,LCA)方法求得風(fēng)電、光伏、抽水蓄能、蓄電池和燃煤發(fā)電歸一計(jì)量后的碳排放系數(shù)[16-17]。在此基礎(chǔ)上,利用風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的年發(fā)電量、抽水蓄能電站的年運(yùn)行電量(發(fā)電量和耗電量)、從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的年購(gòu)電量、水庫(kù)和蓄電池的儲(chǔ)能容量,計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的年碳排放量。系統(tǒng)碳排放量(F2)最小的計(jì)算式為:

min(F2)=

(11)

式中:Rw、Rpv、Rbat、Rpt、Rcap和Rcg分別為風(fēng)電、光伏發(fā)電、蓄電池、抽水蓄能電站運(yùn)行、抽水蓄能電站水庫(kù)和燃煤發(fā)電的碳排放系數(shù),kg/(kW·h)。

2.2 約束條件

2.2.1 各部件容量大小約束

在實(shí)際項(xiàng)目建設(shè)前,系統(tǒng)中各部件的容量往往受到占地面積、安裝條件和地形條件的限制。

0≤Nw≤Nw,max

(12)

0≤Npv≤Npv,max

(13)

0≤Nbat≤Nbat,max

(14)

0≤Ppt≤Ppt,max

(15)

0≤Vcap≤Vcap,max

(16)

式中:Nw,max、Npv,max和Nbat,max分別為系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組、光伏電池和蓄電池允許的最大安裝數(shù)量;Ppt,max為可逆式水泵水輪機(jī)的允許最大裝機(jī)容量;Vcap,max為水庫(kù)允許的最大建設(shè)容量。

2.2.2 儲(chǔ)能容量變化約束

為了模擬水庫(kù)和蓄電池的實(shí)際運(yùn)行情況,限制在任意時(shí)刻水庫(kù)的水量和蓄電池的電量不能超過(guò)設(shè)定的容量值。另外,假設(shè)在運(yùn)行任意一天后,水庫(kù)的水量變化和蓄電池的電量變化等于0 kW·h。

(1-DDOD)·Ebat,max≤Ebat≤Ebat,max

(17)

0≤V(t)≤Vcap,t=1,2,…,8 760

(18)

i=1,2,…,365

(19)

(20)

式中:Ebat,max為蓄電池容量的上限;DDOD為放電深度,取80%;i為一年中的天數(shù);Ebat,c(t)、Ebat,d(t)分別為t時(shí)刻蓄電池的充電量和放電量。

2.2.3 系統(tǒng)棄電率和負(fù)荷失電率約束

風(fēng)光電較大的波動(dòng)性使得現(xiàn)階段電網(wǎng)消納風(fēng)光電時(shí)常會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。引入系統(tǒng)棄電率(curtailment rate,CR)DCR來(lái)表示系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光電的利用程度。具體計(jì)算式為

(21)

式中:Pz,load(t)為t時(shí)刻風(fēng)光電供給負(fù)荷的功率,kW。

負(fù)荷失電率(loss of power supply probability, LPSP)DLPSP常用于評(píng)估發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性,表示在模擬時(shí)間內(nèi)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)電功率不能滿足負(fù)荷需求的概率。具體計(jì)算式為

(22)

式中:PESS(t)為t時(shí)刻由混合儲(chǔ)能滿足負(fù)荷需求的功率,kW。

為使聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)在供電可靠性得到保證的同時(shí)能最大限度地利用風(fēng)光電,限制系統(tǒng)的DCR和DLPSP為0。

2.2.4 入網(wǎng)率和購(gòu)電率約束

為使所研究的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)盡量減少系統(tǒng)的碳排放量,對(duì)入網(wǎng)率λ和購(gòu)電率ε限制如下。

0≤λ≤20%

(23)

0≤ε≤20%

(24)

(25)

(26)

2.3 NSGA-Ⅱ算法和TOPSIS方法

帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)是由 Deb 提出的一種基于Pareto最優(yōu)解的多目標(biāo)優(yōu)化算法[18]。NSGA-Ⅱ已廣泛應(yīng)用于多能互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的多目標(biāo)容量?jī)?yōu)化問(wèn)題。逼近理想解排序法(TOPSIS)作為一種常用的多目標(biāo)決策方法,其通過(guò)衡量評(píng)價(jià)方案距離理想最優(yōu)方案和最劣方案的歐氏距離來(lái)精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距[19]。

本文通過(guò)NSGA-II和TOPSIS求得所研究系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置方案,以實(shí)現(xiàn)最低的成本和最小的碳排放量。設(shè)置的NSGA-Ⅱ 參數(shù)如下:種群數(shù)量為300,最大迭代次數(shù)為200次,變異概率為0.1,交叉權(quán)重系數(shù)為0.5。為均衡考慮系統(tǒng)成本和碳排放量2個(gè)不同指標(biāo)對(duì)容量配置方案選擇的影響,在TOPSIS中設(shè)置2個(gè)不同指標(biāo)的權(quán)重ω均為0.5,待決策的系統(tǒng)容量配置方案數(shù)量為300。由于本文的2個(gè)指標(biāo)均為極小型指標(biāo),計(jì)算得到的歐氏距離值越小,說(shuō)明方案越優(yōu)。將通過(guò)TOPSIS決策得到的歐氏距離最小的容量配置方案作為最優(yōu)容量配置方案。

3 算例仿真及其結(jié)果分析

3.1 算例系統(tǒng)參數(shù)

以中國(guó)北方某地區(qū)的風(fēng)速、太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度等真實(shí)數(shù)據(jù)為例,分析聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響。所研究地區(qū)一年內(nèi)的每月平均風(fēng)速、太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度如圖3(a)所示,每月的溫度和降雨量分布如圖3(b)所示[20]。

(a) 風(fēng)速、太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布

根據(jù)負(fù)荷需求及氣象數(shù)據(jù)選擇的風(fēng)電機(jī)組、光伏電池和蓄電池的規(guī)格分別為1 000 kW/臺(tái)、400 W/片、1 000 A·h/2 V/塊。風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為2 m/s、11 m/s和25 m/s。設(shè)定初始時(shí)刻水庫(kù)和蓄電池的容量均為其最大容量的50%。

表1為聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)各部件的投資成本、運(yùn)維成本、替換成本和壽命周期[4,7,21]。表2為系統(tǒng)各碳排放來(lái)源全生命周期內(nèi)的碳排放系數(shù)[7,16-17]。

表1 系統(tǒng)各部件成本及壽命周期

3.2 結(jié)果分析

表3為通過(guò)NSGA-Ⅱ和TOPSIS求解得到的并網(wǎng)型風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)最優(yōu)容量配置方案。圖4為最優(yōu)容量配置下系統(tǒng)各部件的成本分布。由表3可知,當(dāng)系統(tǒng)各部件處于最優(yōu)容量配置時(shí),聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的DCR和DLPSP均為0,系統(tǒng)在具有高可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)光電的高效消納。

表3 最優(yōu)容量配置方案

圖4 最優(yōu)容量配置的成本分布

為了更直觀地反映最優(yōu)容量配置下聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果,選取一個(gè)樣本日進(jìn)行詳細(xì)分析。樣本日的每小時(shí)模擬結(jié)果如圖5所示,系統(tǒng)輸出功率分布如圖6(a)所示。由圖5和圖6(a)可以看出,該典型日風(fēng)電機(jī)組全天發(fā)電,光伏陣列只在白天的5:00—17:00時(shí)段發(fā)電。在夜間22:00—5:00時(shí)段,由于風(fēng)力發(fā)電功率較大且負(fù)荷需求較小,導(dǎo)致新能源發(fā)電功率大于負(fù)荷需求,過(guò)剩的電能將依次儲(chǔ)存在抽水蓄能和蓄電池中,該時(shí)段水庫(kù)水量和蓄電池容量均呈上升趨勢(shì)。在5:00—7:00和17:00—22:00這2個(gè)時(shí)段,由于新能源發(fā)電功率小于負(fù)荷功率,該時(shí)段需通過(guò)抽水蓄能和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合供電以滿足負(fù)荷需求,所以水庫(kù)水量和蓄電池容量均呈下降趨勢(shì)。在白天7:00—17:00時(shí)段,風(fēng)力發(fā)電功率減小但光伏發(fā)電功率大幅增加,該時(shí)段新能源發(fā)電功率完全能滿足負(fù)荷需求,過(guò)剩的電能將通過(guò)抽水蓄能抽水和蓄電池充電儲(chǔ)存,所以水庫(kù)水量和蓄電池容量均呈上升趨勢(shì)。

圖5 樣本日的每小時(shí)模擬結(jié)果

(a) 輸出功率分布

樣本日系統(tǒng)的抽水功率分布和充電功率分布分別如圖6(b)和圖6(c)所示。由圖6(b)和圖6(c)可知,在0:00—5:00和8:00—11:00時(shí)段,新能源相對(duì)負(fù)荷的過(guò)剩功率能同時(shí)滿足抽水蓄能抽水和蓄電池充電;在7:00—8:00、12:00—17:00、22:00—24:00這3個(gè)時(shí)段,新能源相對(duì)負(fù)荷的過(guò)剩功率僅能滿足抽水蓄能部分抽水功率,另一部分抽水功率由電網(wǎng)供給,蓄電池不進(jìn)行充電,所以代表蓄電池容量的曲線為直線;在11:00—12:00時(shí)段,新能源相對(duì)負(fù)荷的過(guò)剩功率只能滿足抽水蓄能滿功率抽水,蓄電池的一部分充電功率由電網(wǎng)供給。

此外,圖7給出了樣本日系統(tǒng)與電網(wǎng)的電能交換趨勢(shì)。由圖7可以看出,系統(tǒng)在夜間1:00—2:00時(shí)段向電網(wǎng)出售的電能最多,為13.05 MW·h,原因是該時(shí)段新能源發(fā)電功率相對(duì)負(fù)荷的過(guò)剩功率最大;系統(tǒng)在白天16:00—17:00時(shí)段從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)的電能最多,為10.73 MW·h,原因是該時(shí)段新能源發(fā)電功率基本只能滿足負(fù)荷需求,為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,抽水蓄能的大部分抽水功率由電網(wǎng)供給。

圖7 樣本日系統(tǒng)與電網(wǎng)的電能交換趨勢(shì)

3.3 考慮不同ω的容量配置方案

為分析成本和碳排放量2種不同指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)容量配置的影響,在TOPSIS中設(shè)置不同的權(quán)重ω,對(duì)比分析成本最低、碳排放量最小以及均衡考慮這2種指標(biāo)的容量配置方案。如圖8所示,方案1為最優(yōu)方案,方案2為成本最低方案,方案3為碳排放量最小方案。方案2相比方案1,雖然成本下降了3.13%,但碳排放量卻增大了12.23%;方案3相比方案1,雖然碳排放量下降了3.44%,但成本卻增大了6.15%。顯然,方案1在2個(gè)不同指標(biāo)上做出了很好的權(quán)衡。綜上,通過(guò)在TOPSIS中設(shè)置不同的權(quán)重ω會(huì)明顯影響最優(yōu)容量配置方案的選擇,方案1是聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響的最佳方案。

圖8 不同ω下的系統(tǒng)成本和碳排放量對(duì)比

3.4 不同系統(tǒng)組合的容量配置方案

不同系統(tǒng)組合的容量配置方案見(jiàn)表4。從表4可以看出,當(dāng)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中僅有風(fēng)力發(fā)電或僅有光伏發(fā)電時(shí),由于風(fēng)電機(jī)組只在夜間輸出功率較大、光伏電池只在白天有輸出功率,為了滿足負(fù)荷需求,系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組和光伏電池的數(shù)量均有所上升,僅有風(fēng)力發(fā)電時(shí)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量為原來(lái)的1.57倍, 僅有光伏發(fā)電時(shí)的光伏電池?cái)?shù)量為原來(lái)的2.79倍。

表4 不同系統(tǒng)組合的容量配置方案

此外,在僅有風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)中,由于白天不能利用太陽(yáng)能且風(fēng)力發(fā)電功率較小,導(dǎo)致在白天負(fù)荷需求較大時(shí)大部分電能由混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)放水發(fā)電和放電來(lái)提供,所以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量增大。雖然減少了光伏電池,但儲(chǔ)能容量的增大導(dǎo)致其成本上升了7.36%,碳排放量為原來(lái)的1.71倍。在僅有光伏發(fā)電的系統(tǒng)中,在夜晚沒(méi)有光照的情況下,用來(lái)滿足負(fù)荷需求的電能全部由混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)提供,所以該系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能的容量比前2種系統(tǒng)大得多,導(dǎo)致其成本上升了62.23%,碳排放量為原來(lái)的2.38倍。綜上,風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)能在保證可靠性的同時(shí)保持較低的成本和較小的碳排放量,具有更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

3.5 不同負(fù)荷需求下的系統(tǒng)靈敏度分析

為分析不同負(fù)荷需求對(duì)系統(tǒng)容量配置的影響,考慮了50%、100%和150%的負(fù)荷需求變化,以證明所提出的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的有效性。不同負(fù)荷需求下的系統(tǒng)容量配置方案見(jiàn)表5。從表5可以看出,當(dāng)負(fù)荷需求增加時(shí),系統(tǒng)各部件的數(shù)量也隨之增加,但不會(huì)完全以負(fù)荷變化的比例增加。如50%負(fù)荷時(shí)光伏電池的數(shù)量為100%負(fù)荷時(shí)的1.5倍,150%負(fù)荷時(shí)的1.9倍。系統(tǒng)成本和碳排放量隨負(fù)荷變化的趨勢(shì)如圖9所示。從圖9可以看出,系統(tǒng)的成本和碳排放量隨負(fù)荷需求的變化基本呈線性增長(zhǎng),但增長(zhǎng)幅度不同。隨著負(fù)荷需求的增長(zhǎng),系統(tǒng)成本增長(zhǎng)的幅度較系統(tǒng)碳排放量增長(zhǎng)的幅度小。

表5 不同負(fù)荷需求的容量配置方案

圖9 不同負(fù)荷需求下的系統(tǒng)成本和碳排放量變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)系統(tǒng)各部件的數(shù)量為最優(yōu)容量配置時(shí),聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的DCR和DLPSP均為0,即系統(tǒng)能最大限度地利用風(fēng)光電,并且具有最大的供電可靠性。

(2) 在TOPSIS中設(shè)置不同的權(quán)重ω會(huì)明顯影響最優(yōu)容量配置方案的選擇。所研究的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)組合在全項(xiàng)目周期內(nèi)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

(3) 隨著負(fù)荷需求的增加,系統(tǒng)各部件的數(shù)量也隨之增加,但不是隨負(fù)荷增加呈比例增加。系統(tǒng)的成本和碳排放量隨負(fù)荷變化的增長(zhǎng)幅度不同,碳排放量相比系統(tǒng)成本增長(zhǎng)更明顯。