小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究

2011-05-09白雪袁越傅质馨

电网与清洁能源 2011年6期

白雪，袁越，傅质馨

（河海大学能源与电气学院，江苏南京210098）

风能、太阳能和水能是国际公认的清洁可再生能源，我国的这些能源十分丰富。风能和太阳能发电是近年来发展较快的可再生绿色电力，但是独立的风光发电系统对储能系统容量的要求较高，且蓄电池设备的价格昂贵[1]。径流式小水电易受季节、来水影响，设备利用小时数偏低，与太阳能、风能相比，其经济效益较差[2-3]。因此，在我国风能与太阳能资源丰富的地区，利用二者在时间上的互补性，并根据这些地区同时存在着一些河流和水库的自然条件，建成风、光、水联合发电系统。利用河流建成小水电站，并在水电站取水口上游水库加装可逆式机组，利用带蓄水库小水电的启停灵活性以及短期调节性，为风光互补发电系统调峰填谷，提高电力输出的平稳性和可靠性。利用天然的河流和水库建成的储能调节系统，比起加装蓄电池设备或建设抽水蓄能电站的投资，具有明显的经济优势。从生态效益上讲，将小水电、风能和太阳能进行联合开发，减少了烟尘、二氧化碳、一氧化碳、氯化氮及大量废弃物对环境的污染和破坏，对保护生态环境非常有益。

目前，各国对于小水电的研究主要是提高供电可靠性、降低电能成本，增加小水电在电力市场中的竞争力上。对风光互补系统的研究主要是优化资源配置以及控制策略方面。小水电与风光互补的研究较少。文献[4]对互补发电研究现状和发展趋势进行了介绍，给出仿真结构图，并指出仿真可以为建设互补发电系统提供技术保障。文献[5]对风光水互补的户用微型系统进行了潮流计算。但都未进行仿真算例研究。本文对风、光、小水电的联合互补系统建立了结构模型并进行了仿真算例研究，从而验证了互补系统的可靠性。为了提高新能源的供电可靠性，目前，利用水力的抽水储能特性与风电互补的研究很多，文献[6-8]是利用抽水蓄能与风电场联合开发，从而提高风电场的运行利润和电网供电可靠性的研究。而近年来在节能减排的政策环境下，许多文献都提出了可再生能源在我国的资源优势以及对节能减排的环境贡献。

本文对风电、光伏、小水电混合系统的节能减排进行了研究，提出用天然蓄水库来代替蓄电池设备，为风光混合系统进行调峰填谷和短期事故备用。为实现经济效益的最大化，将小水电的上网电价按风光混合系统的上网电价标准制定。同时考虑峰谷电价，利用蓄水库将低谷时段的廉价电能转化为高峰时段的稀缺电能，使能量转化的经济效益最大化。

1 风光水蓄联合系统的结构与建模

1.1 风光水蓄联合系统结构

带有天然蓄水库的风光水联合互补系统可以为负荷系统提供更加稳定可靠的电力。与抽水蓄能电站具有上、下水库相比，只有一个天然蓄水库的联合发电系统的结构相对简单，且能达到抽水蓄能的效果。图1为本文建立的风电(WP-Wind power)、光伏(PV-Photovoltaic)、小水电(SH-Small hydropower)、蓄水库(PSR-Pumped storage reservoir)四者联合供电系统的结构图。通过控制中心的控制对风电、光伏、小水电所发的电能进行统一调度，将多发的电能用于抽水泵抽水，储存在蓄水库中。

图1 风光水蓄联合系统结构图

1.2 风力发电(WP)的输出功率特性

在风电机组装机容量确定的情况下，其输出功率主要决定于风速。

风速模拟

风速是随机变量，可以用威布尔分布来描述，因此其概率密度函数[9]为

式中，v为风速；k为风速频谱特性；k=(σv/v)-1.086；c为尺度参数

当风速服从F(v)∈(0,1)时，产生的随机数V就是符合威布尔分布的实时风速[10]

图2 符合威布尔分布的风速曲线

图3为风速基于威布尔分布的某50 MW风力发电机的输出功率曲线。

图3 某50MW风电机组输出功率曲线

1.3 光伏发电(PV)的输出功率特性

在光伏阵列容量确定的情况下，其最大输出功率随太阳辐射度和表面温度变化。

光伏阵列模型是根据标准条件下光伏的输出曲线，计及随温度和辐射度变化的偏差量，得到的不同温度和辐射度下的特性曲线，从而求取最大功率输出时的电压和电流[11]。

本文根据某地日辐射度和温度变化曲线，如图4、图5所示，取标准开路电压为40 V，标准短路电流为5 A时，建立了某额定功率为30 MW的光伏阵列日输出功率曲线如图6所示。

图4 某日温度变化曲线

图5 某日太阳辐射度变化曲线

图6 某日PV输出功率曲线

1.4 小水电(SH)与蓄水库(PSR)的输出功率特性

1.4.1 小水电(SH)输出功率特性

在小水电装机容量确定的情况下，其输出功率主要取决于河流的径流量以及水头高度，其表达式为[12]

式中，Psh为小水电的输出功率；η为水轮发电机组效率；Qt为t时段发电引用流量；Ht为t时段的水头高度；Δt为发电时间段；T为一个运行周期；Qtmin、Qtmax分别为t时段小水电发电可以引用的最小和最大流量。

根据某地河流日来水量的计算获得小水电的日输出功率特性曲线，如图7所示。

图7 某日小水电输出功率曲线

1.4.2 蓄水库(PSR)输出功率特性

在蓄水库可逆机组装机容量确定的情况下，其输入输出功率主要决定于水库的库容和水头高度，因此本文建立了考虑抽发水头高度变化时的蓄水库输出功率特性，其表达式如下：

当PSR运行于发电状态时输出功率为

式中，Ph为PSR水轮发电机输出功率；ηh为水轮发电机组效率；Qh为发电引用流量；H1为发电水头高度；Vt0是任一发电时段开始前蓄水库储水量，[t0，t1]指发电工况时间段；Vmax为蓄水库可用最大水量。

当PSR运行于抽水状态时消耗功率为

式中，Pp为PSR水泵的抽水功率；ηp为水泵抽水效率；Qh是水泵抽水流量；H2为抽水水头高度，且H1t≈H2t+Ht，即蓄水库t时段发电的水头高度为抽水高度与小水电水头高度之和；[t1，t2]指蓄水库的抽水时间段；Vt1是任一抽水时段开始前水库储水量。

2 小水电与风光混合系统经济效益研究

本文在建立了小水电与风光混合发电系统的结构模型以及数学模型后，对峰谷电价给小水电与风光互补发电系统带来的经济效益进行了算例研究。从4个方面进行考虑：1)能量转化效益；2)小水电低成本发电高价卖电效益；3)蓄水库低抽高发的水头效益；4)蓄水库与小水电建设低投资成本与低运行、检修成本效益。

2.1 经济效益评价模型

本文以日为一个调节周期，平均分为96个时段进行研究。划分峰谷负荷时段，峰时段执行高上网电价、谷时段执行低上网电价，介于两者之间的腰时段执行中间电价。

设混合供电系统与负荷系统的功率差为Pex(t)，且Pex∈[Pexmin,Pexmax]。则t时段风电场，光伏阵列和小水电的输出功率分别为Pwp(t)，PPv(t)和Psh(t)，负荷系统消耗功率为Plo(t)，若假设机组在不同时段接入电网时，联合系统的输出功率为各输出功率之和，则发电系统与负荷系统功率之间的关系为

式中，Pp(t)为蓄水库水泵抽水功率为蓄水库水泵额定功率，即此时蓄水库抽水泵抽水，将电能转化为势能，储存多余的电能。

式中，Ph(t)为水轮机发电功率为蓄水库水轮机额定功率，即此时蓄水库水轮机发电，将势能转化为电能，释放储能。

在一个调节周期内，蓄水库抽水量等于发电泄水量。由于蓄水库抽水与发电使用的是可逆设备，因此任意时间抽水和发电只能有一个处于工作状态。则小水电与风光混合系统在任一时间段t内的能量转化经济效益，即为由储存在蓄水库中的能量所发的电能与用于抽水消耗的电能价值的差值，此处考虑低抽高发的水头效益，同时计及建设小水电与蓄水库的投资、运行及检修成本，按运行40 a，日运行费用为日平均投资的5%，检修费用按日平均投资的1%计算。定义任一时间段上网电价为ci，设总投资为I，任一时间段投资为Ii，则联合系统的能量转化效益模型为

式中，Qhi，Qpi分别为第i个时间段蓄水库发电和抽水引用的流量。

2.2 计算流程与算例验证

2.2.1 计算流程

本文考虑峰谷电价的条件下，借助带天然蓄水库的小水电站的抽水储能调节能力，将低谷时段风、光所发的廉价电能储存到高峰时段以高价发出，提高其发电价值，从而获得能量调节的经济效益。考虑综合投资成本对系统进行定价，较之小水电的独立上网电价，其经济效益大大提高。将蓄水库的运行状态变量作为优化变量，求解最优的状态变量从而获得最大的经济效益。根据经济效益评价模型，采用优化算法进行迭代求解，流程如图8所示。

图8 风光水能量转化效益的计算流程

2.2.2 算例验证

本文以日调节的蓄水库为研究对象，以带库容的小水电与风光混合系统的储发电能转化带来的经济效益最大化为目标，计算当风电、光伏发电和小水电的日输出功率特性已知的情况下，根据蓄水库低抽高发的最优运行策略，实现经济效益的最大化。根据我国某地峰谷电价分时政策，参考相关资料中风电和光伏上网电价，按照混合系统中风电、光伏的额定功率比例，通过加权平均的方法制定混合系统的峰谷分时上网电价。因小水电的上网电价较之风光系统的上网电价要低得多，因此仅参考风光发电系统的峰谷电价政策制定风光水蓄联合系统的统一上网峰谷电价。对某50 MW风机和30 MW光伏阵列以及20 MW小水电组成的混合发电系统制定的上网峰谷电价如表1所示。

在算例中，任一时间段的风电、光伏阵列、小水电以及蓄水库可逆机组输出功率均取该时间段的平均值，并假定蓄水库抽水和发电功率随时可控，且小水电与蓄水库机组的综合利用效率都为0.7。小水电与蓄水库建设总投资按500万元计。

表1 小水电与风电光伏上网峰谷电价情况元·（kW·h）-1

根据式(15)、(16)可得小水电与风光混合系统的能量转化经济效益，见表2。

表2 小水电与风光混合系统的能量转化经济效益

由表2可知，在联合系统功率参数和日负荷一定的情况下，有蓄水库的小水电站的能量转化效益受蓄水库库容的影响，库容越大，能量转化效益越大；库容越小，能量转化效益越小。即，风光混合系统低谷时段所发的电以高价卖出的效率越高，带来的经济效益也就越大。

图9给出了有蓄水库的小水电与风光并网，调节峰谷时段发电功率满足更高的可靠性和稳定性的功率曲线。图9描述了蓄水库的运行状态，有蓄水库的小水电与风光混合系统，无蓄水库的小水电与风光混合系统以及负荷系统的日功率变化曲线特性。

图9 风光水联合系统输出功率曲线

由图9可知：由于风电、光伏发电以及小水电的波动性造成无蓄水库的混合系统输出功率频繁波动，不能满足负荷需求；而加入蓄水库的小水电与风光混合系统的运行功率则与负荷曲线更贴近，即降低了供电系统的波动性，减轻了对负荷系统的影响，提高了供电可靠性。

由图10可以看出，在谷电价时段蓄水库主要工作于抽水状态，储存能量；而在峰电价时段主要工作于发电状态，将低谷时段存储的水能转化为电能，实现能量在时间上的转移，赚取差价。

图10 蓄水库运行时间与峰谷电价时段对比

小水电的上网电价按风光混合发电系统的平均上网电价计算，经济收益达到46.3万元/d；而若按小水电峰谷电价计算，其日收益仅有11.2万元/d，因此小水电1 d的经济效益就提高了35.1万元。

上述关于能量转化经济效益的研究是在风电光伏小水电输出功率日变化曲线已知的情况下，对蓄水库在移峰填谷方面的经济效益进行定量评估，同时计及水头增发电量效益和小水电的低价发电高价售电效益，得出将小水电与风光系统联合发电带来的最大经济效益。

3 小水电与风光联合系统环境效益

我国煤炭资源丰富，但是高强度开采，远距离大规模运输，不仅使煤炭资源消耗过快，也增加了环保压力[13]。因此，应充分利用天然的无污染资源，减少燃煤发电比例，带来节能减排的环境效益。

3.1 环境价值评价模型

评价小水电与风光混合系统的环境价值是相对于火电厂耗煤排污量来说的。参考中国排污总量收费标准和根据该标准评估出的中国电力行业各种污染物减排的环境价值标准[14-15]，见表3，评价小水电与风光联合发电对社会带来的节能减排环境效益。

定义燃煤污染物排放率为燃烧1 t标煤所排放的污染物质量。根据某火电厂平均每kW·h供电煤耗355 g标煤计算，小水电与风光互补系统一天所发的电量节省的标煤量为

联合系统的环境价值

式中，A为发电系统的环境价值；Bi为污染物的环境价值；Ci为污染物的排放量。

根据算例中全天小水电与风光混合系统总发电量约130万kW·h（蓄水库库容为15 MW·h混合系统1 d总发电量），计算出该系统的节煤减排量以及污染物减排量的环境价值见表3。

表3 风光水联合系统的节能减排效益

由表3可知，用该联合系统发电，每天可以节省462 t标煤，按环境价值计算可以节省总计46.5万元/d，同时温室气体和其他废渣大大减少，对环境保护十分有益。因此，应该大力推行节能减排政策，为我国环境质量以及经济效益的提高做出贡献。

4 结语

本文建立了有库容的小水电与风光联合系统的能量转化经济效益定量评估模型，并对环境价值效益进行评估分析。仿真结果表明，小水电与风光联合系统能利用小水电的调节性将风光多发的电能储存在蓄水库，通过将低谷时段的剩余电能转化为高峰时段的紧缺电能，取得良好的经济效益。装机容量为50 MW的风电场与装机容量为30 MW的光伏阵列联合运行时，利用20 MW小水电的15 MW蓄水库的调节能力每天的能量转化效益达5.021 4~9.360 2万元，小水电抬高上网电价的经济效益达35.1万元，根据节煤价值与环境价值的计算，新能源发电可以节省约46.5万元。这些都证实了小水电与风光并网带来的经济效益与环境效益非常可观，同时，联合系统有效的平抑了风光输出功率的波动性，提升了系统的稳定可靠性。

[1]吴俊,李建设,周剑,刘春晓.风力发电并网对电网的影响[J].南方电网技术,2010,4(5):48-52.

[2]邱国强.小型水电站接入系统设计方案[J].电力科学与工程,2009,25(9):58-60.

[3]张全.西部中小型水电发展机制研究[J].电网与清洁能源，2010,26(7):73-74.

[4]徐锦才,董大富,张巍.可再生能源多能互补发电综述[J].小水电，2007,3(35):12-14.

[5]邵冰然,杨建华,左婷婷.风/光/水互补微型电力系统的交直流潮流的研究[J].小水电，2009,1(49):20-22.

[6]潘文霞,范永威,杨威.风-水电联合优化运行分析[J].太阳能学报，2008,29(1):80-84.

[7]MEHDI NASSER, STEFAN BREBAN. Experimental Results of a Hybrid Wind/Hydro Power System Connected to Isolated loads[J].IEEE，2008(3):1896-1903.

[8]FLORINA LEACH,MUNTEANU R A,Vǎdan I,et al.Didactic Platform for the Study of Hybrid Wind-Hydro Power Plants[J].IEEE,2009(2):1-6.

[9]BOROWY B S,SALAMEH Z M.Optimum Photovoltaic Array Size for a Hybrid Wind/PV System[J].IEEE Trans on Energy Conversion,1994,9(3):482-488.

[10]李强,袁越,李振杰,等.考虑峰谷电价的风电-抽水蓄能联合系统能量转化效益研究[J].电网技术,2009,33(6):13-18.

[11]高吉普,袁越,李强.独立风光混合系统的控制与仿真[J].电网与清洁能源,2010,26(5):57-61.

[12]蔡兴国,林士颖,马平,等.电力市场中梯级水电站优化运行的研究[J].电网技术,2003,27(9):6-9.