小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究

第27卷第6期2011年6月电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergyVol.27No.6允怎灶.2011文章编号：1674-3814（2011）06-0075-06中图分类号：TM73文献标志码：粤小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究白雪，袁越，傅质馨（河海大学能源与电气学院，江苏南京210098）EconomicalandEnvironmentalBenefitsofGrid-ConnectedSmallHydropower-WindPower-PhotovoltaicPowerBAIXue,YUANYue,FUZhi-xin（CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,JiangsuProvince,China）ABSTRACT：Thestructuralmodelofthehybridpowersystemisestablishedbycombiningwindpowerandphotovoltaicpowerwithpumpedstoragesmallhydropower.Inthepowermarket,economicalbenefitsarerealizedbypeakingandvalley-fillingandpeak-valleyelectricityprices,whiletheenvironmentalbenefitsbyenergysavingandemissionreductionthroughcleanpowergeneration.Thevalidityofthenewcombinedmodelhasbeenprovedbysimulationexamples.Thestudyprovesthatsmallhydropowercanconvertthecheapvalley-energyofthewind-photovoltaichybridsystemintothescarcepeak-energy,soastobringabouteconomicalbenefitsthroughenergyconversion.Meanwhilethevolatilityofpoweroutputissmoothed,andstabilityandreliabilityofthepowersupplyareoptimized.Calculationofthepollutionreductionprovesthecontributionofthecombinationtotheenvironmentaswellaseconomicalbenefitsbysavingcoalandothernon-renewableenergy.KEYWORDS:wind-photovoltaichybridsystem;smallhydropower;economicalbenefits;environmentalbenefits摘要：建立了有蓄水库的小水电站与风光混合发电系统的结构模型。研究峰谷电价下，小水电与风光并网所带来的能量转化经济效益和开发清洁能源电力所带来的节能减排环境效益。仿真算例验证了所建模型的有效性。结果表明，有蓄水库的小水电站可以将风光混合发电系统低谷时段所发的廉价电能转化为高峰时段的稀缺电能，带来能量转化的经济效益，同时可以平抑输出功率的波动性，提高电网供电的稳定性与可靠性。经过对污染物减排量的计算，证明了小水电与新能源并网能够有效地节约煤炭等非可再生能源，对保护环境很有意义。关键词：风光混合系统；小水电；经济效益；环境效益风能、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———————————————————基金项目：国家自然科学基金项目（51077041）；水利部公益性行业科研专项经费项目（200801019）。清洁能源CleanEnergy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-Windpower)、光伏(PV-Photovoltaic)、小水电(SH-Smallhydropower)、蓄水库(PSR-Pumpedstoragereservoir)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。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fw（v）=kcvc蓸蔀k-1e-vc蓸蔀k（1）式中，v为风速；k为风速频谱特性；k=(滓v/v)-1.086；c为尺度参数；c=v/祝(1+1/k)。当风速服从F(v)沂(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]V=c[-ln(1-F(v))]1k（2）取v=10m/s、滓v=2.72，代入式（2），本文把一天分为96个时间段，仿真可得一组风速曲线见图2。图3为风速基于威布尔分布的某50MW风力发电机的输出功率曲线。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40V，标准短路电流为5A时，建立了某额定功率为30MW的光伏阵列白雪，等:小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究Vol.27No.6图1风光水蓄联合系统结构图图2符合威布尔分布的风速曲线图3某50MW风电机组输出功率曲线清洁能源CleanEnergy76第27卷第6期电网与清洁能源日输出功率曲线如图6所示。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]Psh=Tt=1移浊9.81QtHt驻t（3）s.t.Qtmin约Qt臆Qtmax（4）式中，Psh为小水电的输出功率；浊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；驻t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。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Ph=浊h9.81QhH1（5）s.t.Vt0+t1t0乙Qh(t)dt臆Vmax（6）式中，Ph为PSR水轮发电机输出功率；浊h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Pp=9.81QhH2/浊p（7）s.t.Vt1+t2t1乙Qp(t)dt臆Vmax（8）式中，Pp为PSR水泵的抽水功率；浊p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抑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沂[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图6某日PV输出功率曲线图4某日温度变化曲线图5某日太阳辐射度变化曲线图7某日小水电输出功率曲线清洁能源CleanEnergy77Pex(t)=Pwp(t)+Ppv(t)+Psh(t)-Plo(t)（9）s.t.0臆Pwp臆Pratedwp（10）0臆Ppv臆Pratedpv0臆Psh臆Pratedsh0臆Plo臆Pratedlo式中，Pratedwp、Pratedpv、Pratedsh分别为风电场，光伏发电以及小水电的额定功率；Pratedlo为负荷消耗的额定功率。当Pex(t)跃0时，Pex(t)=Pp(t)（11）s.t.0臆Pp臆Pratedp（12）式中，Pp(t)为蓄水库水泵抽水功率；Pratedp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。当Pex(t)约0时，