面向海洋能綜合利用的港口用電策略研究

彭 云，劉華錕，李相達

(大連理工大學 建設工程學部，大連 116023)

隨著港口能源危機和環境污染問題日益突出，傳統燃油、煤電供能的能源結構越來越難以滿足綠色港口發展的需要。為此，世界各主要港口積極推進能源結構轉型、提高能源利用率，例如，西班牙Ribadeo港口通過建造海洋能發電站來實現港口用能的自給自足[1]。然而，以海洋能為代表的清潔能源，其發電功率受自然環境影響較大，具有波動性和隨機性等特征，海洋能供電需調配市電，形成多能互補的能源結構。因此，探究面向海洋能綜合利用的港口多能互補的用電策略顯得尤為重要。

國內外有關港口用電策略的研究主要集中在利用風電、光電等清潔能源供電和使用岸電等方面。例如，Anna Maria Kotriklan等[2]通過仿真得到，米特里尼港的船舶總能源需求可以由4臺1.5 MW的風力渦輪機和一臺5 MW的光伏發電機提供；俞曉[3]研究發現，在油價高于5 092.59元/t或電價低于0.83元/kWh時，使用岸電的成本將低于使用重油發電的成本，船舶節能率可達58.22%。

國內外針對海洋能綜合利用的研究主要集中在宏觀政策和海洋能發電技術等領域。麻常雷等[4]提出了我國開發利用海洋能的相關政策建議。N. Khan等[5]研究了潮汐能、波浪能等能源的發電潛力。陳鳳云[6]研究了海洋溫差發電系統的熱力循環方式問題。Babarit等[7]研究了海上風能、波浪能與陸地電網聯合為海島居民供電的電力存儲系統規模問題。Fusco等[8]研究了風能和波浪能資源的優化組合對電力功率輸出可變性的影響。

綜上，已有針對港口用電策略的研究多從利用風電、光電等清潔能源供電和使用岸電兩方面來分析港口的環境效益和經濟效益，針對海洋能發電的研究多集中于技術層面，還需進一步將海洋能與市電并網，考慮海洋能供電的不確定性，確定港口的用電策略。為此，本文在分析海洋能供電不確定性的基礎上，結合港口作業系統用電需求變化規律，構建了面向海洋能綜合利用的港口用電多目標優化模型，實現環境和經濟效益的最大化，為優化港口能源結構、合理開發利用新能源、綠色港口運營及能源調配決策提供理論依據。

1 港口用電策略多目標優化模型

本文在分析港口生產作業系統用電負荷和海洋能發電功率變化規律的基礎上，考慮海洋能供電和傳統市電的調配，構建港口用電策略的多目標優化模型，以港口用電成本最低、碳排放量最少以及電網資源利用率最高為目標，探究面向海洋能綜合利用的港口用電策略。

1.1 模型假設

(1)不考慮國家扶持基金、輸配電費及功率因數調整等對電價的影響；

(2)不考慮儲電設備和國家對清潔能源發電的補貼政策。

1.2 模型構建

本文以碼頭用電總成本最低、全生命周期碳排放量最少和電網資源利用率最高為目標建立多目標優化模型，根據海洋能發電機組功率和港口負荷的要求，設置海洋能發電機組約束和港口用電功率約束。該模型不僅考慮海洋能發電在港區的直接碳排放，同時也考慮了海洋能發電在全生命周期的間接碳排放，包括海洋能發電設備在制造過程中產生的碳排放等。

1.2.1 目標函數

(1)用電成本最低

(1)

(2)全生命周期碳排放量最少

(2)

(3)電網資源利用率最高

(3)

式中：模型的決策變量為αi和βi，αi為各時刻的市電供電功率，βi為各時刻的海洋能供電功率；cf為市電峰時段電價，元/kWh，cp為市電平時段電價，元/kWh，cg為市電谷時段電價，元/kWh；tf為峰時段時刻集合{8，9，10，18，19，20}，tp為平時段時刻集合{6，7，11，12，13，14，15，16，17，21}，tg為谷時段時刻集合{1，2，3，4，5，22，23，24}；b為海洋能發電電價，元/kWh；k1為市電的全生命周期碳排放系數，t/kWh，k2為海洋能發電的全生命周期碳排放系數，t/kWh，f1為用電成本，元，f2為全生命周期碳排放量，t，f3為公共網絡資源利用率，η為海洋能發電的電網資源利用率。

由于目前國內外關于海洋能電價的標定尚未制定統一標準，本文參考鄒健健等[11]對潮汐能發電電價的敏感性分析研究，確定海洋能電價b的計算公式為

(4)

bcon=10 000×Ccon×Q

(5)

bopr=10 000×Copr×Q

(6)

式中：bcon為海洋能發電設備的總建設成本，元；bopr為海洋能發電設備的年運營成本，元/a；Topr為海洋能電站的運營年限，a；Q為海洋能發電設備的裝機容量，kW；t為海洋能發電設備的年發電時長，h/a；Ccon為海洋能發電設備的單位建設成本，元/kWh；Copr為海洋能發電設備的單位運營成本，元/(a·kW)。

1.2.2 約束條件

(1)機組約束。

各時刻海洋能發電功率有限，因此各時刻海洋能發電的供電功率不能超過該時刻的海洋能最大發電功率，即

0≤βi≤βimax

(7)

式中：βimax為i時刻海洋能最大發電功率，kW。

(2)功率約束。

為滿足港口負荷的要求，各時刻的海洋能發電功率和市電購電功率之和應等于該時刻的港口負荷，即

Pi=αi+βi

(8)

式中：Pi為i時刻港口用電功率，kW。

1.3 模型求解

港口用電策略多目標優化模型選用Matlab中的Gamultiobj函數進行求解，獲得包含200個非劣解的Pareto最優解集?；谀：`屬度和方差賦權的方法選取最優解，目標函數的優化程度可以通過隸屬度的大小來反映，求解步驟如下：

(1)計算最優解集中第k個Pareto解對應的第j個目標值的隸屬度函數ukj

(9)

式中：N為Pareto解數目，M為目標函數數目，fkj為第k個Pareto解的第j個目標函數值，fjmax和fjmin為第j個目標函數值在優化過程中的最大值和最小值。

(2)采用基于目標函數隸屬度方差的客觀賦權方法

(10)

式中：ωj為第j個目標函數的權重。

(3)把隸屬度加權和Fk作為對應第k個Pareto解的選擇優先度

(11)

Fk的最大值所對應的Pareto解為該次優化的無偏最優解。

2 算例分析

2.1 算例背景

圖1 港口負荷及海洋能最大發電功率Fig.1 The load of port and the maximum power generation of marine energy

在該算例中，本文對我國南方某碼頭2014年9月8日的用電負荷進行了分析，采用市電與海洋能聯合供電的策略，選用潮汐能發電效率較高的雙水庫連接方案進行海洋能供電，應用前文提出的多目標優化模型，對1 d內各時刻的市電供電功率和海洋能供電功率進行優化，通過遺傳算法求得市電供電功率和海洋能供電功率的帕累托最優解集，利用基于模糊隸屬度和方差賦權的方法求得該碼頭1 d內各時刻的最優用電策略。該碼頭2014年9月8日的港口負荷曲線及海洋能最大發電功率曲線如圖1所示。

2.2 輸入參數

該碼頭所在城市的大工業電價由電度電價和基本電費構成，基本電費根據用電單位的最大需量和變壓器容量來確定。同時該城市實施階梯電價，用電時段不同，相應的電價也不同。該碼頭日最大負荷為2.7 kW，日總用電量為195.12 MWh，變壓器容量為25 MVA，具體電價如表1所示。

海洋能年發電時長約為3 200 h[10]。海洋能電站裝機容量每千瓦投資約3萬元，年發電成本約為每千瓦0.470萬元，設備建設期為2 a，運行期為15 a，則該碼頭海洋能發電電價為2.094元/kWh[11]。

根據《2015年中國區域電網基準線排放因子公告》[12]，該碼頭所在的華東區域電網的全生命周期碳排放系數為0.811 2 kg/kWh；潮汐能發電的全生命周期碳排放系數為9.5～11.0 g/kWh[13]，本文取值為10.0 g/kWh，即0.01 kg/kWh；海洋能發電裝置僅有20%左右的滿功率輸出率，若發電站的裝機條件滿足滿功率發電要求，則海洋能發電的電網資源利用率約為20%[14]，因此式(3)中η值取為0.2。

表1 大工業用電階梯電價Tab.1 The adder price of large industrial electricity in the city where the terminal is located

注：峰時段為每日的8～11時、18～21時，平時段為每日的6～8時、11～18時、21～22時，谷時段為每日的22時～次日6時。

2.3 結果分析

運用Gamultiobj函數對優化模型進行求解，并選擇最優用電策略，確定最優用電決策下的各時刻市電供電功率和各時刻海洋能供電功率，結果如圖2所示。

圖2 b=2.094元/kWh，港口負荷-市電供 電功率-海洋能供電功率曲線Fig.2 The load of port-mains power-marine energy power, while b=2.094 yuan/kWh

圖2表明，當海洋能電價為2.094元/kWh時，在最優策略下，1 d內的市電總供電量為184 957.2 kWh，海洋能總供電量為10 162.8 kWh，由于最優用電決策的海洋能用電量較少(僅占總負荷的11.08%)，大部分電力供應仍來源于市電，因此全生命周期的碳排放量僅降低了5.14%，減排效果并不明顯。由于海洋能電站的建設成本較高，因此海洋能發電的電價較高。通過采用浮運施工法等降低潮汐電站造價的措施，可使潮汐電站的建設成本降低25%～38%[15]；由于潮汐電站的工程造價較高，因此延長潮汐電站的使用壽命可以有效較低電價，潮汐電站的使用期最長可達75～100 a[16]；潮汐電站的不同布置形式，如加大潮汐渦輪機間距，采用潮汐渦輪機與岸上風力渦輪機共同布置的形式，可以提高潮汐電站的發電效率，降低運行成本10%～12%[17]。結合以上降低潮汐能發電電價的措施，根據1.2.1節中海洋能電價的計算公式，本算例中海洋能發電電價最多可降低35.6%，即降至1.351元/kWh。為研究海洋能電價的變化對用電策略的影響，本文對海洋能電價進行敏感性分析。經計算，當海洋能電價分別降低10%(1.885元/kWh)、20%(1.675元/kWh)、30%(1.466元/kWh)以及40%(1.256元/kWh)時，最優用電決策的港口負荷-市電供電功率-海洋能供電功率曲線如圖3所示。

選取海洋能供電量、總用電成本、全生命周期碳排放量等指標，對比不同用電策略下的供電效果；根據我國的碳交易市場上的二氧化碳交易價格[18]，本文選取二氧化碳交易價格為20元/t，計算了考慮碳交易的總用電成本，結果如表2所示。

表2 用電策略指標對比Tab.2 Comparison on indicators of power consumption strategies

表2結果顯示，與全部使用市電進行供電相比，在使用海洋能和市電聯合供電的條件下，當海洋能電價為2.094元/kWh時，由于海洋能電價過高，用電成本對使用海洋能的限制較大，最優供電策略下的全生命周期碳排放量僅降低5.14%；隨著海洋能電價的降低，海洋能發電的使用量逐漸增多，減排效果逐漸提升，當海洋能電價降至1.256元/kWh時，在使用海洋能和市電聯合供電的最優策略下，全生命周期碳排放量降低31.09%，減排效果明顯。

考慮碳交易引起的二氧化碳排放成本，在不同的海洋能電價情況下最優用電決策的總用電成本隨著海洋能電價的降低而增長，然而增長幅度逐漸減小，當海洋能電價低于1.466元/kWh時，總用電成本到達穩定水平。這一結果表明，當海洋能電價低于1.466元/kWh時，全生命周期的碳排放量降低率超過24%，減排效果明顯，且考慮碳交易的總用電成本不再增長，因此，可以認為可接受的海洋能電價為不大于1.466元/kWh。

3 結論

本文首先建立了面向海洋能綜合利用的港口用電決策優化模型，以環境效益、經濟效益和電網資源利用率的最大化為目標，通過遺傳算法求得帕累托最優解集；其次，運用基于模糊隸屬度和方差賦權的最優解決策方法選出最優用電決策；最后，以我國南方某碼頭的實際用電情況為例，應用該模型對算例碼頭的用電策略進行優化。算例分析結果表明，使用海洋能和市電聯合供電能夠起到減排效果，當海洋能電價為2.094元/kWh時，由于電價較高，全生命周期的碳排放僅降低5.14%；當海洋能電價降至1.256元/kWh時，全生命周期的碳排放降低31.09%，最優策略的減排效果越明顯。結合碳交易分析得，當前可接受的海洋能電價為不大于1.466元/kWh。