风光互补发电系统低碳效益建模研究

唐浩，杨国华，李卿

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

风光互补发电系统低碳效益建模研究

唐浩，杨国华，李卿

(宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021)

对风光互补发电系统低碳效益的研究具有重要意义。首先对系统发电设备的初始投入和运营维护成本及系统储能设备的投入和维护成本进行建模;然后对系统的碳排放量及维护过程中产生的碳排放量进行模型分析;最后以某地的离网型风光互补发电系统为例，与单独的风力发电和光伏发电系统进行对比分析，结果表明风光互补发电系统比单独的风力和光伏发电系统具有更好的低碳效益。

风光互补;低碳效益;成本;建模

0 引言

环境问题越来越引起人们的关注，《巴黎协定》指出，全球将尽快实现温室气体排放达峰，本世纪下半叶实现温室气体净零排放;中国提出，到2030年左右CO2排放达到峰值、单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%～65%［1－3］。目前，我国电力行业CO2排放量占全国排放总量的很大一部分［4－5］，发展以风能和太阳能等新能源发电系统，对节能减排缓解温室效应具有重要意义。风能和太阳能具有随机性和间接性，造成其能量密度比较低、稳定性比较差;但风能和太阳能在时间和气候上具有互补性，夏天阳光充足，风比较小，春天和冬天风大，阳光比较弱［6］。

利用风能和太阳能在时间和气候上的互补性，组成风光互补发电系统，并合理的配置两者容量的大小，可以提高系统输出的稳定性，并减少储能容量的投入，对节能减排具有积极的作用，有助于推动低碳电力的发展。

对风光互补发电系统低碳效益研究具有重要意义。当前有关风电和光伏发电的低碳效益的分析大多针对单独风力发电或光伏发电系统，如罗凤章给出了一种考虑并网光伏发电工程全寿命周期的低碳综合效益分析模型［7］;孙英云介绍了一种考虑储能影响的光伏发电碳减排量的计算方法［8］;朱柯丁对风电并网发电现在及未来的节能减排效益进行了研究［9］。然而，对风光互补发电系统低碳效益的研究还比较少，本文分析了风光互补发电系统的低碳效益并进行了建模研究。

1 风光互补发电系统

1.1 风光互补发电系统的结构

风光互补发电系统一般由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器等组成［10］。基于直流母线的组网方式，风光互补发电系统的结构如图1所示［11］。

图1 风光互补发电系统结构

1.2 风光互补发电系统工作状态

根据天气的变化情况可以将天气情况大体分为四种:有风无光，有光无风，有风有光，无风无光。根据天气的不同情况相应的风光互补发电系统中风力发电机组、太阳能光伏电池组和蓄电池组的工作情况如表1所示。

表1 风光互补系统各部分工作情况

“+”表示蓄电池充电，“－”表示蓄电池放电。系统出力有余时取“+”，出力不足时取“－”。由于风能和太阳能的随机性，致使风力发电机和太阳能光伏电池组输出的功率输出也具有随机性。风光互补发电系统的输出功率关系可表示为［11］:

式中:Pz(t)为t时刻系统输出的总功率;Pf(t)为t时刻风力发电机组输出的功率;Px(t)为t时刻蓄电池组的输出功率;Pg(t)为t时刻太阳能光伏电池组输出功率;当风力发电机组和太阳能光伏电池组出力不足时取“+”，出力多余时取“－”。

从(1)式可知，当风能与太阳能具有较好的互补性时，Pz(t)输出保持较好的稳定性，Px(t)出力较少。则系统储能容量的配置会相应地减小。

2 风光互补发电系统节能减排评估模型

2.1 系统发电设备的成本

对系统发电设备的成本研究主要从初始投入成本和后期的运行维护成本两方面考虑。

2.1.1 初始投入成本

风光互补发电系统的初始投资成本可表示为:

式中:Cz为风光互补发电系统的总投入成本;Cf、Cg分别为单个风机和单位面积光伏电池板的费用;C为系统逆变器，变压器，母线等的成本总和;N、M分别指风光互补发电系统中单个风机和单位面积光伏电池板的个数。

2.1.2 运行维护成本

运行维护成本主要考虑对风机和光伏电池板故障的维修和更换。年维护成本可表示为:

式中:Cwz为光伏互补发电系统总的年维护成本;N，M分别为单个风机和单位面积光伏电池板的个数; Pf，Pg分别为单个风机和单位面积光伏电池板年维护成本系数;Cwf，Cwg分别为单个风机和单位面积光伏电池板原固定资产值。

2.2 系统储能设备的成本

由于风能和太阳能的随机性和间接性，为保证风光互补发电系统输出电能的稳定性和可靠性，需要在系统中增设一定的储能设备。显然，储能设备的增设会增加投入成本和碳排放量。在系统节能减排效益研究中应予以考虑。储能设备的成本主要考虑投入成本和维护成本。

2.2.1 投入成本

投入成本可表示为:

式中:CB为总的储能成本;cB为单位容量储能设备的成本;G为系统中单位容量储能设备的个数。

2.2.2 维护成本

年维护成本可表示为:

式中:CBz总的年维护成本;cBz单位容量储能设备的原成本;l单位容量储能设备的年维护成本系数。

2.3 系统减排效益的模型

对风光互补发电系统的减排效益主要从发电设备的投入运行和维护过程中产生的碳排放量及储能容量的投入运行和维护过程产生的碳排放量四个方面考虑。

风光互补发电系统发电设备投入运行中的碳排放量可表示为［12－13］:

式中:Tz为风光互补发电系统年总碳排放量;Tf，Tg分别为单个风机和单位面积光伏电池板年碳排放量;T为系统逆变器，变压器，母线等的碳成本总和; Ef，Eg为单位风机和单位面积光伏电池板的年发电量;f，g分别为风力发电机和太阳能光伏电池板发电的碳足迹计算结果。

对维护过程中产生的碳排放量按照维护成本进行估算可表示为:

式中:Twz为风光互补发电系统维护过程中的碳排放总量;Twf，Twg分别为单个风机和单位面积光伏电池板年碳排放量;Pwf，Pwg分别为单个风机和单位面积光伏电池板年维修率。设单位储能容量设备在生产运输安装过程中的碳排放量为，则系统储能设备总的碳成本投入量用TZB可表示为:

式中:b为储能设备的碳足迹计算结果;B为储能设备的单位容量大小。

维护过程中的碳排放量为:

式中:TWB为年维护总的碳排放量;tB为单位储能容量的碳成本。

2.4 离网型风光互补发电系统发电收益

对于离网型风光互补发电系统的发电收益研究，以满足用户的用电量所产生的收益为主。发电收益可表示为:

式中:Q总收益，元;J单位电的售价，kW·h;R为年用户用电量，kW·h。

3 实例分析

以某地区测定的风力发电量，光伏发电量和居民用电量为例［14］(数据表2所示)，对该地区离网型风光互补发电系统的节能减排效益进行计算，并与单独的风力发电和光伏发电系统进行比较。该系统中选用的风力发电机容量为150W，太阳能电池板容量85WP，蓄电池容量为250A·h。

表2 某地区测定的风光发电量和用电量kW·h

3.1 初始投入估算

文献［14］中给出了各部件当时的市场价。为定性的分析系统的效益，在此例分析中各部件的价格以当时的市场价为基准(见表3)。

表3 各部件的的价格

采用150W的风力发电机和85WP的太阳能电池板组成的风光互补发电系统的一次性总得投入为6125元。

若采用单独风力发电或太阳能发电系统，在满足居民用电量的条件下需重新配置风力发电机和太阳能光伏电池板的容量和储能容量。

3.1.1 使用单独的风力发电系统给用户供电

从表2中可知，如果要采用单独风力发电满足8、9月份的用户用电量，风机的容量应为3×150W。相应的控制逆变器的数量需增加，根据储能容量的确定方法［11］，单独风力发电系统蓄电池容量应选取500A·h较为合适。则计算可得单独风力发电系统一次初始投入为6850元，其中控制逆变器费用为1800元。

3.1.2 使用单独太阳能光伏发电系统给用户供电

从表2中可以看出如果使用单独太阳能光伏发电给用户供电，太阳能电池板的容量选取为200WP较为合适。为避免连续的阴雨天对用电的影响，单独太阳能光伏发电系统的蓄电池容量取500A·h较为合适。计算可得单独太阳能光伏发电给负载供电系统的初始投入为9300元。

3.2 运行维护成本估算

运行维护成本主要包括发电系统和储能系统的维护成本。根据(3)式和(5)式可得风光互补发电系统的年维修费为52.75元。单独风力发电系统的年维修费为83.73元，单独太阳能光伏发电系统的年维修费为63.3元。其中Pf、Pg、l分别取1.87%、0.79%、0.8%［15］。

3.3 减排效益估算

根据相关文献，风力发电碳足迹的计算结果为4.97～69.60g/(kW·h)［16］。光伏电池板碳足迹按光伏发电最高碳足迹值计算，晶硅光伏电池发电系统碳排放33～50g/(kW·h)［17］。针对本文中选取的150W风力发电机，85WP太阳能光伏电池板，250A·h蓄电池。取f值为18g/(kW·h)，g值为33g/(kW·h)，b为50g/A·h［18］。

则根据式(6)、(7)、(8)、(10)、(11)风光互补发电系统的年碳排放量为14.269kg;单独风力发电系统的年碳排放量为14.836kg;单独光伏发电系统的年碳排放量为21.999kg。根据式(9)、(12)风光互补发电系统年维护碳排放量为0.169kg;单独风力发电系统年维护碳排放量为0.284kg;单独光伏发电系统年维护碳排放量为0.181kg。

减排效益方面，风光互补发电系统年碳排放量比单独风力发电系统少2835kg，比单独太阳能光伏发电系统少38650kg。系统年维修碳排量方面，风光互补发电系统比单独风力发电系统少575kg，比单独太阳能发电系统少60kg。该系统的使用寿命以15a为限，一个生命周期风光互补发电系统与单独的风力发电和太阳能光伏发电系统相比成本投入将减少594.85万元和1666.625万元，将减少CO2排放51150kg和580650kg。

4 结语

建立了风光互补发电系统初始投入成本及减排效益的分析模型，并以某地区离网型风光互补发电系统为例对离网型风光互补发电系统的节能减排效益进行定量的计算，结果表明风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补性，不但提高了系统输出的稳定性，而且比单独风力和太阳能光伏发电系统具有更好的节能减排效益。对风光互补发电系统的节能减排效益的研究，有助于对项目建设的评估和有效的利用风光资源，推动低碳电力的发展。

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Modeling of wind－solar hybrid generation system low－carbon benefits

It is significant to research the wind－solar hybrid generation system for its low－carbon comprehensive benefits.Firstly，it constructs the model for the initial investment in generating electricity equipment of system and the investment in operating maintenance costs，energy storage equipment of system as well as maintenance costs;Secondly，it analyzes the model of carbon emissions of system and carbon emissions generated in the process of maintaining;Finally，compared with individual wind and photovoltaic electricity system，taking the off－grid wind－solar hybrid generating electricity system somewhere as an example，a conclusion is drawn that wind－solar hybrid generating electricity system does better in saving energy than individual wind and photovoltaic electricity system.

wind－solar hybrid system;low－carbon benefits;cost;modeling

TK51

B

1674－8069(2016)05－047－04

2016-05-19

唐浩(1990-)，男，宁夏海原人，在读研究生，研究方向为电工电子新技术。E－mail:757986177@qq.com

国家自然科学基金资助项目(71263043);宁夏自治区自然科学基金资助项目(NZ12140);宁夏自治区研究生教育创新计划(2014)