唐浩，楊國(guó)華，2，王鵬珍，李卿，張麗娜，劉帥，秦軍琴

(1．寧夏大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，銀川市750021; 2．寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川市750021)

基于CO2排放量的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

唐浩1，楊國(guó)華1，2，王鵬珍1，李卿1，張麗娜1，劉帥1，秦軍琴1

(1．寧夏大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，銀川市750021; 2．寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川市750021)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置關(guān)系到系統(tǒng)的成本和減排效益等。按照系統(tǒng)全生命周期考慮，分別建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板和蓄電池組在各個(gè)階段CO2排放量的計(jì)算模型，給出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)CO2排放量的計(jì)算公式;在系統(tǒng)成本、功率輸出波動(dòng)性、互補(bǔ)優(yōu)越性和備用容量等約束條件下，以CO2排放量最少為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置;最后，以某地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為例對(duì)其容量進(jìn)行配置，結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng);CO2排放量;容量;優(yōu)化配置

0 引言

全球氣溫不斷升高與CO2的排放量密切相關(guān)。減少CO2排放量是中國(guó)和世界面臨的巨大挑戰(zhàn)之一?；鹆Πl(fā)電的CO2排放量占中國(guó)CO2排放總量的比例較大［1-2］。發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電項(xiàng)目對(duì)減少CO2排放具有重要意義。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和氣候上的互補(bǔ)性提高了系統(tǒng)輸出電能的穩(wěn)定性和可靠性，提高了系統(tǒng)對(duì)能源的利用率，對(duì)節(jié)能減排具有積極的作用。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置，關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、輸出電能的穩(wěn)定性、系統(tǒng)成本的高低以及減排效益等。容量選擇不當(dāng)，不但不能減少CO2的排放量，反而會(huì)增加CO2的排放量。目前，針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量配置的研究主要有2方面:一方面是針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體容量的優(yōu)化;另一方面是針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化［3-4］。容量?jī)?yōu)化的方法主要有單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化［3-5］，優(yōu)化目標(biāo)主要有供電可靠性、系統(tǒng)成本、環(huán)境影響等。文獻(xiàn)［3］提出了以降低系統(tǒng)成本、負(fù)荷缺電率和能源浪費(fèi)率為目標(biāo)，基于遺傳算法對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［4］提出了一種改進(jìn)的容量?jī)?yōu)化配置方法，分別考慮了系統(tǒng)獨(dú)立和并網(wǎng)2種運(yùn)行方式，充分利用風(fēng)光的互補(bǔ)性以系統(tǒng)成本和供電可靠性等為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)［5］以降低儲(chǔ)能設(shè)備成本為目標(biāo)，基于改進(jìn)粒子群算法對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量進(jìn)行優(yōu)化配置。然而，以CO2排放量為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)整體容量進(jìn)行配置的研究還比較少。此外，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電CO2排放量計(jì)算模型的研究主要是針對(duì)單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)CO2排放量計(jì)算模型的研究較少。基于此，本文首先按照全生命周期考慮搭建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)CO2排放量的計(jì)算模型;其次，提出以CO2排放量最少為優(yōu)化目標(biāo)，在約束條件下對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行配置;最后，通過(guò)算例驗(yàn)證該方案的可行性。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

1.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板、逆變器、整流器、備用電源等組成。按照匯流母線類型的不同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為共直流母線式、共交流母線式和交直流混合母線式［3，6］。本文以共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structureofwind/PVhybridpower generatingsystembasedonDCBus

1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率主要由風(fēng)力的大小決定，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率表達(dá)式［7-8］為

式中:PW(t)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率;v為風(fēng)速;v0為風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的啟動(dòng)風(fēng)速;v1為溢出風(fēng)速;ρ為空氣密度;A為風(fēng)流過(guò)的面積;Cp為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率;Pr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的額定功率。

1.3光伏電池板模型

光伏電池板的輸出功率主要受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大小和環(huán)境溫度共同影響，其光伏電池板輸出功率表達(dá)式［9］為

式中:PPV(t)為光照強(qiáng)度為G(t)時(shí)，光伏電池板陣列的輸出功率;PPV，stc為標(biāo)準(zhǔn)條件下單位太陽(yáng)能光伏發(fā)電單元的最大輸出功率;Gstc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度，Gstc=1 000 W/m2;Tstc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的溫度，Tstc=25℃;k為溫度系數(shù)，一般取－0.45;T(t)為t時(shí)刻光伏電池板陣列的表面溫度。

1.4備用電源模型

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的備用電源一般選用蓄電池組。用PSB(t)表示蓄電池組的輸出功率，則蓄電池組充放電時(shí)輸出功率模型［5］為

式中:PSB-in(t)和PSB-out(t)分別為蓄電池組充電和放電時(shí)的輸出功率;Eb為額定容量;η為自放電率;ηin為充電效率;ηout為放電效率;Δt為步長(zhǎng)，取1 h;CSOC(t)為t時(shí)刻的荷電狀態(tài)，即

1.5風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)

根據(jù)天氣情況可將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)分為4種，如表1所示。

表1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)各部分工作情況Table1 Workingconditionsofeachpartof Wind/PVhybridsystem

根據(jù)各部分工作情況，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總功率輸出可表示為

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)CO2排放量計(jì)算模型

對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的CO2排放量計(jì)算模型，按照系統(tǒng)全生命周期的各個(gè)階段考慮，計(jì)及生產(chǎn)制造、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)和回收處理過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量，以及建設(shè)安裝過(guò)程中對(duì)環(huán)境的破壞和環(huán)境恢復(fù)過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量。

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板CO2排放量計(jì)算模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板的CO2排放量計(jì)算為

式中:CW為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的CO2排放量;N1為所需風(fēng)力發(fā)電機(jī)的個(gè)數(shù);CPV為光伏電池板的CO2排放量;N2為所需單位光伏電池板的個(gè)數(shù);CW-S和CPV-S分別為單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單位面積光伏電池板在生產(chǎn)制造過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量:

式中:Mj表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板生產(chǎn)制造過(guò)程中所需j種材料的質(zhì)量或所消耗能源的量;Tj表示單位質(zhì)量j種材料的碳排放系數(shù)或單位能耗量的碳排放量。表2給出了部分材料的CO2排放因子［10-13］。

表2 部分材料的CO2排放因子Table2 Carbonemissionfactorsofsomematerials

CW-Y和CPV-Y分別為單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單位面積光伏電池板在運(yùn)輸過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量:

式中:L表示運(yùn)輸?shù)木嚯x;H表示每km的耗油量;Tcy表示單位油耗的碳排放量。表3給出了部分燃料的碳排放因子［13］。

表3 部分燃料的碳排放因子Table3 Carbonemissionfactorsofpartialfuel

CW-W、CPV-W分別為單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單位面積光伏電池板在維護(hù)過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量。維護(hù)過(guò)程中的碳排放量按照年維修率折算，即

式中:n1和n2分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板的使用年限;pWi為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年維修率;pPVi為光伏電池板的年維修率;TW-Ni為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年碳排放量; TPV-Ni為光伏電池板的年碳排放量。

CW-H、CPV-H分別表示單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單位面積光伏電池板在回收處理過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量?；厥仗幚磉^(guò)程中的碳排放量按照不同材料的回收率分別計(jì)算，即

式中:hj表示j種材料的回收率;THj表示j種材料處理過(guò)程中的單位碳排放量。表4給出了部分材料的回收率［13］。

表4 部分材料的回收率Table4 Recoveryofpartialmaterials

CW-C、CPV-C為風(fēng)電場(chǎng)和光伏發(fā)電廠在建設(shè)過(guò)程中對(duì)環(huán)境破壞及后期恢復(fù)過(guò)程中所產(chǎn)生的 CO2排放量，即

式中:SW-N為風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中植被不可恢復(fù)的面積;SPV-N為光伏發(fā)電建設(shè)中植被不可恢復(fù)的面積;SW-Y為風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中植被可恢復(fù)的面積;SPV-Y為光伏發(fā)電建設(shè)中植被可恢復(fù)的面積;Tg為單位面積植被的固碳率;NY為植被恢復(fù)年限。表5給出了部分土地的單位固碳率［14-15］。

表5 部分土地的單位固碳率Table5 Carbonfixationrateofsomeunitland

2.2蓄電池CO2排放量計(jì)算模型

蓄電池的碳排放模型主要考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸安裝、后期維護(hù)以及后期處理的CO2排放量。蓄電池碳排放量計(jì)算公式表示為:

式中:CSB-S、CSB-Y、CSB-W分別為蓄電池生產(chǎn)制造、運(yùn)輸安裝、后期維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量;CSB-H為后期回收處理過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量;WSB為蓄電池容量;Tb為單位容量蓄電池生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放因子;pSB為蓄電池年維修率。

2.3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)總CO2排放量

系統(tǒng)總的CO2排放量主要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板和蓄電池這3部分所產(chǎn)生的CO2排放量，逆變器、整流器、變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的CO2排放量不予考慮，所以系統(tǒng)總的CO2排放量表示為

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

3.1容量?jī)?yōu)化配置目標(biāo)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置以CO2排放量最少為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為

3.2約束條件

3.2.1 成本

成本包括初始建設(shè)投入成本和后期運(yùn)營(yíng)收益成本。初始投入成本表示為

式中:Ni(i=1，2，3)分別為所需風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板、蓄電池的個(gè)數(shù);Mi為單個(gè)設(shè)備的單價(jià);Zi為單個(gè)設(shè)備的安裝施工成本;Wij為單個(gè)設(shè)備的年維護(hù)成本; Q0為變壓器、逆變器、整流器等設(shè)備成本的總和。

后期運(yùn)營(yíng)收益成本表示為

成本需滿足后期運(yùn)營(yíng)收益成本大于前期投入成本，即

3.2.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間、氣候和季節(jié)上的互補(bǔ)性，輸出功率較單一的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有較好的穩(wěn)定性，不僅可以提高系統(tǒng)的并網(wǎng)率，還提高了資源的利用率。用D表示風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)性，即:

為體現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性，其功率輸出波動(dòng)應(yīng)小于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電單獨(dú)運(yùn)行時(shí)輸出功率的波動(dòng)，即

3.2.3 并網(wǎng)功率波動(dòng)性約束

對(duì)于并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，為保證其輸出電能安全可靠地并入電網(wǎng)，其功率輸出的波動(dòng)應(yīng)滿足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，其約束條件為

式中ε為電網(wǎng)所能承受的最大功率波動(dòng)率。

3.2.4 備用容量限制

為保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠連續(xù)地運(yùn)行，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)需增設(shè)一定容量的備用裝置，受備用容量的限制，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量配置應(yīng)充分考慮備用容量。對(duì)于備用容量的大小按照平均功率儲(chǔ)能設(shè)備容量的計(jì)算方法［16］:

式中:WSB為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的容量;W為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)所需的最大儲(chǔ)能容量;Pave為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)全天輸出的平均功率;WPV為光伏陣列全天輸出的電能;WW為風(fēng)機(jī)全天輸出的電能。

3.3容量?jī)?yōu)化配置流程

對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置，首先根據(jù)已有的氣候數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，確定初始容量的范圍;然后按照約束條件分別對(duì)容量大小進(jìn)行確定;其次對(duì)不同約束條件下容量取值范圍取交集;最后代入目標(biāo)函數(shù)確定最小CO2排放量的容量取值。如果不同條件下容量沒(méi)有交集，對(duì)初始容量范圍重新確定，可適當(dāng)修正約束條件。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置流程Fig.2 Flowchartofcapacityoptimalconfigurationof wind/PVhybridpowersystem

4 算例分析

以某地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)其容量進(jìn)行優(yōu)化配置。該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)一期45 MW工程于2008年投入運(yùn)行，風(fēng)電工程通過(guò)一臺(tái)50 MV·A的變壓器升壓后并入電網(wǎng)，后在原有設(shè)備基礎(chǔ)上接入10 MW光伏發(fā)電設(shè)備組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。圖3為該地區(qū)某年內(nèi)月平均風(fēng)速;圖4為該地區(qū)某年內(nèi)有日照的天數(shù);圖5為該地區(qū)某年內(nèi)平均日最高氣溫;圖6為系統(tǒng)在某年內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)［17］。以CO2排放量最少為目標(biāo)，在約束條件下，對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置。

圖3 某年內(nèi)月平均風(fēng)速Fig.3 Monthlyaveragewindspeedinayear

圖4 某年內(nèi)有日照天數(shù)Fig.4 Numberofsunshineinayear

圖5 某年內(nèi)平均日最高氣溫Fig.5 Averagedailymaximumtemperatureinayear

圖6 某年內(nèi)日間(08:00—18:00)的運(yùn)行數(shù)據(jù)Fig.6 Anannualoperatingdatabetween08:00and18:00

在成本約束條件下，根據(jù)式(18)，減少Q(mào)0投入，使Q2＞Q1，可充分利用原有風(fēng)電工程的輸變電設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，某年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大于42 MW且光伏發(fā)電功率大于8 MW，使主變壓器可能過(guò)負(fù)荷工作的時(shí)長(zhǎng)僅有1 h，占全年發(fā)電時(shí)間(取3 650 h)的0.03%;風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大于35 MW且光伏發(fā)電功率大于8 MW的重合頻次全年僅有15次［17］，其余時(shí)間主變壓器均有較大的容量空缺。根據(jù)風(fēng)、光發(fā)電項(xiàng)目功率重合的頻次［17］計(jì)算可配置光伏發(fā)電設(shè)備的容量。

式中:Q為光伏發(fā)電容量;S為主變壓器額定功率; cosφ為主變壓器功率因數(shù)，取0.98;Pwind為風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率;K為光伏發(fā)電系統(tǒng)效率，取0.75。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大于35 MW且與光伏發(fā)電設(shè)備同時(shí)工作的全年統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為413 h，占全年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)的11.30%。在不超過(guò)主變壓器輸送容量的前提下，根據(jù)公式(25)［17］可得此種情況下，最大可配置光伏發(fā)電容量為18.6 MW;風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率小于25 MW且與光伏發(fā)電設(shè)備同時(shí)工作的全年統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為2 334 h，占全年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)的63.95%，計(jì)算可得此種情況下可配置光伏發(fā)電容量最大為32.0 MW。可以看出風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率小于35 MW且與光伏發(fā)電設(shè)備同時(shí)工作的時(shí)長(zhǎng)占全年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)的88.70%，即可配置光伏發(fā)電容量在18.6～32.0 MW時(shí)，全年大部分時(shí)間輸變電設(shè)備可正常工作，輸變電設(shè)備在充分利用的同時(shí)，減少了成本投入。

當(dāng)光伏發(fā)電容量取25 MW時(shí)，根據(jù)式(24)計(jì)算可得系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的備用容量為5 MW，且備用容量得到充分利用;當(dāng)光伏發(fā)電容量取小于25 MW時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的備用容量所占成本比重較大。在備用容量約束下，為體現(xiàn)系統(tǒng)的互補(bǔ)特性，使儲(chǔ)能設(shè)備得到充分利用，光伏發(fā)電容量取大于25 MW。根據(jù)式(19)—(20)計(jì)算可得系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)值D。表6給出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量配置取不同值時(shí)的部分參數(shù)［4，17］。

表6 不同容量配置的發(fā)電參數(shù)Table6 Generationparameterswithdifferentcapacities

由表6可知，隨著光伏發(fā)電容量的增加，系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)值D增加，系統(tǒng)發(fā)電量也增加，輸出功率波動(dòng)值D與發(fā)電量的比值減小。在系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)值的約束下，光伏發(fā)電容量取大于28 MW時(shí)，輸出功率波動(dòng)值與發(fā)電量比值較小，波動(dòng)性與互補(bǔ)性兼顧。綜合考慮約束條件，光伏發(fā)電容量取 28～32 MW之間為宜，最后代入目標(biāo)函數(shù)確定光伏發(fā)電容量取29 MW。

綜上所述，該地區(qū)在原有45 MW風(fēng)電設(shè)備的基礎(chǔ)上，接入29 MW的光伏發(fā)電設(shè)備和5.5 MW的蓄電池組組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，在滿足約束條件的同時(shí)，CO2排放量最少。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量配置(風(fēng)力發(fā)電+光伏發(fā)電+備用電源)取45 MW+ 29 MW+5.5 MW時(shí)，比原有配置為45 MW+ 10 MW+0 MW的年發(fā)電量多33 252 MW·h，折算為火電可減少CO2排放25 271 t;比容量配置取45 MW +25 MW+5.5 MW時(shí)年發(fā)電量多6 996 MW·h，折算為火電可減少CO2排放5 320 t;比容量取45 MW+ 32 MW+5.7 MW時(shí)減少CO2排放量289 t。

5 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，本文搭建了系統(tǒng)CO2排放量的計(jì)算模型。按照全生命周期分別從設(shè)備的生產(chǎn)制造、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)以及回收處理等方面進(jìn)行模型的搭建。對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的CO2排放量做了較為全面的分析計(jì)算。針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置，本文提出在綜合考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源的互補(bǔ)性，系統(tǒng)的成本和備用容量等約束條件下以CO2排放量最少為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行容量配置。算例結(jié)果表明合理配置風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量，不僅可以提高系統(tǒng)對(duì)能源的利用率，減少資源的浪費(fèi)，還可以減少系統(tǒng)CO2排放量，對(duì)節(jié)能減排具有積極的作用。

［1］徐鋼，田龍虎，劉彤，等．中國(guó)電力工業(yè)CO2減排戰(zhàn)略分析［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(17):1-8．XU Gang，TIAN Longhu，LIU Tong，et al．Strategic analysis of CO2mitigation in Chinese power industry［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31(17):1-8．

［2］趙毅，趙麗媛，錢新鳳．電力行業(yè)二氧化碳減排策略分析與展望［J］．電力科技與環(huán)保，2015，31(5):14-16．ZHAO Yi，ZHAO Liyuan，QIAN Xinfeng．Strategic analysis and prospect on catbon dioxide emission reduction of power industry［J］．Electric Power Technology and Environmental Protection，2015，31 (5):14-16．

［3］劉艷平，賈春娟．基于遺傳算法的獨(dú)立型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電容量?jī)?yōu)化［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27(10):69-74．LIU Yanping，JIA Chunjuan．Capacity optimization of independent wind/PV hybrid power generation system based on GA［J］．Proceedings of the CSU-EPSA，2015，27(10):69-74．

［4］徐林，阮新波，張步涵，等．風(fēng)光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量的改進(jìn)優(yōu)化配置方法［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(25):88-98．XU Lin，RUAN Xinbo，ZHANG Buhan，et al．An improved optimal sizing method for wind-solar-battery hybrid power system［J］．Proceedings of the CSEE，2012，32(25):88-98．

［5］周天沛，孫偉．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元的容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2015，36(3):756-762．ZHOU Tianpei，SUN Wei．Capacity optimization of hybrid energy storage units in wind/solar generation system［J］．Acta Energiae Solaris Sinica，2015，36(3):756-762．

［6］楊國(guó)華，朱向芬，周鑫，等．基于遺傳算法的風(fēng)電混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置［J］．電氣傳動(dòng)，2015，45(2):50-53．YANG Guohua，ZHU Xiangfen，ZHOU Xin，et al．Hybrid energy storage capacity optimization for independent wind generation system based on genetic algorithm［J］．Electric Drive，2015，45(2): 50-53．

［7］南國(guó)君，丁明，王貽玲．共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，34(12): 1802-1805，1912．NAN Guojun，DING Ming，WANG Yiling．Research on the simulation ofwind-solar hybrid power system with common dc bus［J］．Journal of Hefei University of Technology(Natural Science)，2011，34(12):1802-1805，1912．

［8］李勁彬，陳雋．風(fēng)光互補(bǔ)可再生能源發(fā)電的綜合效益優(yōu)化研究［J］．電氣自動(dòng)化，2013，35(5):24-26．LI Jinbin，CHEN Jun．Research on the optimization of comprehensive benefits of wind-solar hybrid renewable generation system［J］．Electrical Automation，2013，35(5):24-26．

［9］葛宇軒．風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)優(yōu)化配置研究［D］．長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013．GE Yuxuan．Research on configuration optimization of wind-solar power system［D］．Changsha:Changsha University of Science＆Technology，2013．

［10］崔明琦，宋松林，吳啟震，等．國(guó)內(nèi)外電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品碳足跡核查方法比較分析［J］．質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2015(3):44-47．CUI Mingqi，SONG Songlin，WU qizhen，et al．Comparative analysis of carbon footprintverification method aboutmotor product at home and abroad［J］．Quality and Technical Supervision Research，2015(3):44-47．

［11］沈琳．基于BIM技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究［D］．南京:南京林業(yè)大學(xué)，2015．SHEN Lin．The environmental impact assessment of whole life cycle of the construction project based on BIM technology［D］．Nanjing: Nanjing Forestry University，2015．

［12］王譯萱，郁亞娟，梁雨晗，等．鋰離子電池與鎳氫電池、太陽(yáng)能電池碳足跡比較［J］．環(huán)境工程，2015，33(增刊):634-637．WANG Yixuan，YU Yajuan，LIANG Yuhan，et al．Carbon footprint comparison of lithium ion battery，nickel metal hydride battery and solar cell［J］．Environmental Engineering，2015，33(Supplement): 634-637．

［13］戢時(shí)雨，高超，陳彬，等．基于生命周期的風(fēng)電場(chǎng)碳排放核算［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(4):915-923．JI Shiyu，GAO Chao，CHEN Bin，etal．Carbon emission accounting for wind farm based on life cycle assessment［J］．Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):915-923．

［14］郭然，王效科，逯非，等．中國(guó)草地土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(2):862-867．GUO Ran，WANG Xiaoke，LU Fei，et al．Soil carbon sequestration and its potential by grassland ecosystems in China［J］．Acta Ecologica Sinica，2008，28(2):862-867．

［15］段華平，張悅，趙建波，等．中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡分析［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2011，25(5):203-208．DUAN Huaping，ZHANG Yue，ZHAO Jianbo，et al．Carbon footprint analysis of farmland ecosystem in China［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2011，25(5):203-208．

［16］張明銳，林承鑫，王少波，等．一種并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30(1):68-74，80．ZHANG Mingrui，LIN Chengxin，WANG Shaobo，et al．Modeling and simulation of grid-connected wind/PV hybrid generation system［J］．Power System and Clean Energy，2014，30(1):68-74，80．

［17］陳征宇．寧夏太陽(yáng)山地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)可行性研究［J］．機(jī)電信息，2014(6):3-4．

(編輯 景賀峰)

Capacity Optimal Configuration of Wind/PV Hybrid Power System Based on Carbon Dioxide Emission

TANG Hao1，YANG Guohua1，2，WANG Pengzhen1，LI Qing1，ZHANG Lina1，LIU Shuai1，QIN Junqin1

(1．Department of Electrical Engineering and Automation，Ningxia University，Yinchuan 750021，China; 2．Ningxia Key Laboratory of Intelligent Sensing for Desert Information，Yinchuan 750021，China)

The capacity configuration of the wind/PV hybrid power generation system is related to the benefit of reducing emission and the cost of the system．According to the system's life cycle，this paper establishes the calculation model of carbon dioxide emission of wind power generator，photovoltaic cell panel and storage battery in different stages，and proposes the calculation formula of carbon dioxide emission of wind/PV hybrid power generation system．Under the constraints of system cost，power output fluctuation，complementary advantages and spare capacity，the optimal capacity of wind solar complementary power system is optimized with the minimum carbon dioxide emissions as the optimization objective．Finally，taking the wind/PV hybrid power system in somewhere as an example，its capacity configuration is optimized，whose results verify the feasibility of the scheme．

wind/PV hybrid power generation system;carbon dioxide emission;capacity;optimal allocation

TM 619

A

1000－7229(2017)03－0108－07

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.015

2016-11-15

唐浩(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽る娮有录夹g(shù);

楊國(guó)華(1972)，男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，本文通信作者，主要研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化技術(shù);

王鵬珍(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽る娮有录夹g(shù);

李卿(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽る娮有录夹g(shù);

張麗娜(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽る娮有录夹g(shù);

劉帥(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽る娮有录夹g(shù);

秦軍琴(1977)，女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化與數(shù)學(xué)建模。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71263043);寧夏自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2014)

Project supported by National Natural Science Foundation of China (71263043)