幸旭彬，陳淼，李飛宇，曹健，馬云聰，魏繁榮，陳笑云

(1.南方電網(wǎng)廣東珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學)，湖北 武漢 430074；3.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

海洋資源的探索與開發(fā)對于實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略至關(guān)重要。作為一個瀕海大國，我國擁有3.2×104kW海岸線，海洋能資源豐富，近海海洋能資源蘊藏量約16.7×108kW，可開發(fā)量超6×108kW[1]。與此同時，針對海島電力供應問題，近岸大型群島多以海底電纜與大陸并網(wǎng)，鋪設(shè)成本高且檢修難度大，而偏遠小型海島仍以柴油發(fā)電機供電為主，供電可靠性差，發(fā)電成本高[2-3]。因海島陸上可開發(fā)太陽能、風能資源規(guī)模受限，合理利用海島周邊波浪能、風能等海洋可再生能源，構(gòu)建島內(nèi)發(fā)電單元協(xié)調(diào)生產(chǎn)、島間資源共享利用的多能源互補發(fā)電系統(tǒng)，對促進海島可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。波浪能發(fā)電作為一種新興海洋可再生能源，具有就地取材、高效轉(zhuǎn)換與原位供能等優(yōu)勢，國內(nèi)外已對其展開了廣泛的研究[4]。按照發(fā)電技術(shù)不同，波浪能發(fā)電可大致分為近岸的小型波浪能發(fā)電系統(tǒng)群以及大型離岸漂浮式波浪能發(fā)電系統(tǒng)，后者在投放運行時更加靈活方便，逐漸發(fā)展成為波浪能發(fā)電技術(shù)的主流[5-6]。

當前，不少學者針對波浪能發(fā)電技術(shù)展開了研究。在資源開發(fā)利用方面：文獻[7]評估了中國南海海域波浪能開發(fā)的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益；文獻[8]分析了近年來中國南海島礁波候特征的長期變化趨勢；文獻[9-10]探討了在南海海域進行波浪能發(fā)電技術(shù)應用的可行性。在功率預測方面：文獻[11]提出一種基于MEEMD-ARIMA模型的波浪能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率預測方法；文獻[12]提出一種利用灰色模型修正波浪能短期預測結(jié)果的方法；文獻[13-14]指出相比于其他形式清潔能源發(fā)電，波浪能功率具有更高的可預測性。在優(yōu)化運行方面：文獻[15]針對近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)提出一種發(fā)電單元與儲能系統(tǒng)協(xié)同控制策略；文獻[16]提出一種基于近岸波浪能發(fā)電的海島供電方案；文獻[17]提出一種含波浪能、潮汐能的海島微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度方法；文獻[18]提出一種考慮運行維護需求的海上風能與波浪能聯(lián)合發(fā)電非同期規(guī)劃方法。

以上的研究多聚焦于近岸固定波浪能發(fā)電，以海底電纜形式與海島或大陸電網(wǎng)相連，通過岸邊儲能系統(tǒng)加以協(xié)同控制。然而，一方面，受地形、洋流等氣候條件影響，同一時間不同海域波浪能流密度分布差別迥異，將離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)通過海底電纜固定于某一泊位并不能完全發(fā)揮資源優(yōu)勢；另一方面，受海洋航道安全性、海底電纜鋪設(shè)成本等限制，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)通過架設(shè)海底電纜方式進行能量外送的執(zhí)行難度較大。相比之下，換電船舶以集裝箱電池組為媒介，將清潔能源輸出電能儲存于電池中，并通過海島上閑置的船舶資源進行外送，實現(xiàn)島嶼群間能量共享，具有更高運行靈活性與經(jīng)濟性。該技術(shù)目前已得到廣泛的研究，具有良好的應用前景[19-20]。

綜上所述，為解決近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)效率低、經(jīng)濟性差的問題，結(jié)合波浪能資源時空分布特征，本文提出一種基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略。第1階段：首先，針對離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電轉(zhuǎn)移計劃，提出基于虛擬泊位的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法；其次，基于南海北部海域歷史波浪能資源分布特征與逐月變化趨勢，以年發(fā)電量最大為目標，制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年轉(zhuǎn)移策略。第2階段：針對四季典型運行日下波能發(fā)電量外送問題，基于換電船舶時空轉(zhuǎn)移模型，構(gòu)建以集裝箱電池組為載體的能量外送通道，并以海島群典型運行日下用能成本最低為目標，制訂換電船舶最優(yōu)電量外送方案。在此基礎(chǔ)上，進一步分析了電池組數(shù)、離岸距離等因素對采用換電船舶外送電量經(jīng)濟性的影響。最后，通過仿真算例驗證本文所提策略的優(yōu)越性。

1 考慮海洋資源時空分布特征的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)靈活電量外送策略研究

1.1 我國南海北部海域波浪能資源時空分布特征與出力特性分析

當前研究表明[7,21]，我國南海海域蘊藏著十分豐富的波浪能資源。這些波浪能資源具有明顯的時空分布特征。從地理位置上看，南海北部海域波資源分布大致呈現(xiàn)出東北-西南走向，大部分海域波浪能流密度為5～15 kW/m，具有極大的可開發(fā)潛力；另一方面，從時間尺度上看，受西太平洋的季風氣候影響，波浪能資源分布隨季節(jié)有較明顯的變化趨勢，秋冬季節(jié)的波功率密度較大，為8～15 kW/m，春夏季節(jié)波功率密度較小，在5～9 kW/m之間。

當前，500 kW以上大功率波浪能發(fā)電技術(shù)應用主要集中于近岸海域，以海底電纜形式饋入海島電網(wǎng)或大電網(wǎng)，通過岸邊儲能系統(tǒng)加以協(xié)同控制。然而，這樣的運行方式存在諸多問題[22]：一方面，由于近岸波浪能資源相對稀疏，發(fā)電系統(tǒng)并不能完全發(fā)揮其資源優(yōu)勢，發(fā)電效率低下，且由于海纜投資成本大，系統(tǒng)整體經(jīng)濟性不強；另一方面，受地形、海洋季風氣候變化影響，波浪能資源分布具有明顯季節(jié)變化特征，一天之中具有明顯間歇性和波動性，電能質(zhì)量不高，難以滿足負荷需求。

隨著離岸技術(shù)的發(fā)展與成熟，將波浪能發(fā)電系統(tǒng)向深海海域投放得到進一步關(guān)注[23]。相比于近岸波浪能發(fā)電，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)可通過船舶拖航、投放、試驗等環(huán)節(jié)到達指定海域開展作業(yè)。這一特性極大地提升了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性和靈活性。一方面，依據(jù)不同季節(jié)下不同海域波浪能分布特征，可制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)較長時間尺度下的轉(zhuǎn)移和發(fā)電計劃，以進一步提升發(fā)電效率；另一方面，結(jié)合短時間尺度下不同海島群負荷需求特性，能夠優(yōu)化波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量外送方案，發(fā)揮海島間資源互補優(yōu)勢，在降低海島群用能成本的同時，進一步增強系統(tǒng)運行靈活性。

1.2 基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略

基于前一節(jié)的分析，本研究提出一種基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略，如圖1所示，圖中N、M、I、S分別為泊位、換電船舶、海島、電池組的總數(shù)。

SOC—荷電狀態(tài)，state of charge的縮寫。

第1階段，根據(jù)南海北部海域歷史波浪能資源分布特征與逐月變化趨勢，以年發(fā)電量最大為目標，制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年拖航計劃。由于海洋氣候變化具有的周期性和時空連續(xù)性特點，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航計劃同樣伴隨著周期性和連續(xù)性特征；另一方面，考慮到拖行投放需要經(jīng)過拖輪拖帶、拋錨及收錨等步驟，轉(zhuǎn)移過程較為繁瑣，且拖行航行時間容易受海洋季風氣候影響，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年拖行計劃的內(nèi)容不宜過多?；谝陨戏治?，本文提出基于虛擬泊位的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法，并以月為時間間隔進行優(yōu)化，將其在時間尺度和空間尺度上的動作行為解耦。以3個泊位點為例進行說明，如圖2所示。

圖2 虛擬泊位連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of virtual berth connection

采用1組布爾變量{In,n,t，Ij,n,t}描述波浪能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移過程，其中：In,n=1時表示離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)位于泊位n，處于發(fā)電狀態(tài)；Ij,n=1則表示離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)處于從泊位j向泊位n的拖行過程中，此時無法開展電力生產(chǎn)；用下標t表示時段t時的參數(shù)，下同。當由于拖行距離較遠無法在單一調(diào)度時間尺度內(nèi)完成拖航時(如從泊位1至3)，引入泊位2作為中間泊位點，此時，I2,2置1，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)可在泊位2處進行電力生產(chǎn)，并在下一時刻轉(zhuǎn)運至泊位3。

第2階段，針對四季典型運行日下的波能發(fā)電量外送問題，考慮以海島上閑置的柴油動力運輸船(班船、旅游船、貨船等)為載體，以換電集裝箱電池組為媒介，構(gòu)建波能發(fā)電量外送通道。基于海島群四季(3月、6月、9月、12月)典型運行日下負荷與清潔能源出力數(shù)據(jù)，模擬不同海島之間需求差異性以及同一海島在不同季節(jié)典型運行日下的負荷變化特征。進一步研究，以海島群日用能成本最低為目標，以1 h為時間尺度進行優(yōu)化，得到四季典型運行日下的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)電量外送策略。

2 模型構(gòu)建

本章旨在構(gòu)建離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)、動力運輸船舶及換電集裝箱的時空轉(zhuǎn)移模型。

2.1 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 出力模型

根據(jù)文獻[24]研究成果，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程主要由波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(wave energy converter，WEC)完成，其功率密度模型為

(1)

式中：pwave,t為時段t每米波峰產(chǎn)生的波功率；ρ為海水密度；g為重力加速度；ht為時段t有效波高；Tw為來波周期。

當WEC的有效寬度為L時，波浪能發(fā)電系統(tǒng)的捕獲功率

Pwave,t=pwave,tηwvL.

(2)

式中ηwv為來波吸收率，取值為0.1～0.15。

2.1.2 拖航模型

經(jīng)過1.2節(jié)分析，推導出N個泊位點下離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航建模過程，如圖3所示。

圖3 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移示意圖Fig.3 Schematic diagram of the movement of offshore wave power generation system

N個泊位點下離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)的拖航過程可采用式(3)拖航狀態(tài)唯一性約束、式(4)路徑連續(xù)性約束以及式(5)調(diào)度周期性來表征：

(3)

(4)

In,n,0=In,n,T.

(5)

2.2 動力運輸船

以海島周圍閑置的柴油動力運輸船作為載體，構(gòu)建其時空轉(zhuǎn)移模型。當船舶以固定航速vs行駛時，船舶出行時間成本可以表示為：

(6)

船舶時空轉(zhuǎn)移模型如下所示：

(7)

ev,i,t+dv,i,t≤1,?i∈ψ,?t∈Γ；

(8)

(9)

ev,i,t-dv,i,t=uv,i,t-uv,i,t-1,?i∈ψ,?t∈Γ.

(10)

式(7)—(10)描述了船舶航行的空間唯一性與連續(xù)性約束，式中：布爾變量{uv,i,t，ev,i,t，dv,i,t}用來描述船舶轉(zhuǎn)移過程建模，其中uv,i,t為換電船舶在海島i的位置變量，ev,i,t、dv,i,t分別為到達、離開變量；ψ為節(jié)點(海島、泊位等)集合；Γ為優(yōu)化周期內(nèi)時段集合。

動力運輸船出行成本包含柴油消耗成本Cf及船舶等效投資及人工維護成本Cv。當以動力運輸船固定航速vs行駛時，Cf與航行里程和載重有關(guān)，

(11)

式中：εv,1為換電船舶空載時的轉(zhuǎn)移成本；εv,2為單個集裝箱電池儲能系統(tǒng)的附加轉(zhuǎn)移成本；ub,s,i,t為電池組s在海島i的位置變量。

采用年等效投資成本對船舶維護成本Cv進行計算，

(12)

式中：Cs為總投資成本；l為貼現(xiàn)率，取值0.05；p為有效運行年限，取值為25。

2.3 換電集裝箱

兆瓦級集裝箱式電池儲能系統(tǒng)具有可靠性高、環(huán)境適應性強、安裝便捷等特點，目前已得到廣泛研究與應用[25]。其運行約束如下所示。

2.3.1 時空轉(zhuǎn)移約束

換電集裝箱時空轉(zhuǎn)移過程依賴于柴油動力船舶實現(xiàn)，換電集裝箱時空轉(zhuǎn)移模型如下所示：

(13)

eb,s,i,t+db,s,i,t≤1，

(14)

eb,s,i,t-db,s,i,t=ub,s,i,t-ub,s,i,t-1，

(15)

eb,s,i,t≤ev,i,t，

(16)

db,s,i,t≤dv,i,t.

(17)

式(13)—(17)中布爾變量{ub,s,i,t，eb,s,i,t，db,s,i,t}用來描述電池組轉(zhuǎn)移過程建模，eb,s,i,t、db,s,i,t分別為電池組s在時段t到達、離開海島i的指針變量。式(13)—(15)表征集裝箱電池組的空間唯一性與連續(xù)性約束，式(16)、(17)建立起電池組與動力船舶轉(zhuǎn)移過程的耦合關(guān)系。

2.3.2 功率守恒約束

換電集裝箱充放電過程需滿足以下功率守恒約束：

0≤Pc,s,i,t≤ub,s,i,tPmax，

(18)

0≤Pd,s,i,t≤ub,s,i,tPmax，

(19)

kSOC,min≤kSOC,s,i,t≤kSOC,max，

(20)

kSOC,s,i,0≤kSOC,s,i,24，

(21)

kSOC,s,i,t-(1-γ)kSOC,s,i,t-1=

(Pc,s,i,tη-Pd,s,i,t/η)/Eb.

(22)

式(18)—(22)中：Pc,s,i,t、Pd,s,i,t為時段t電池組s在海島i上的充、放電功率；kSOC,s,i,t為SOC值，kSOC,max、kSOC,min分別為其上、下限；Eb為集裝箱電池組的額定容量；γ為電池自損耗系數(shù)；η為電池充放電損耗系數(shù)；Pmax為充放電功率最大值。

為簡化表示，采用損耗成本系數(shù)εb來描述集裝箱電池組單次充放電對應的等效損耗成本Cb[26]，

(23)

式中：εb取值0.02元/kW；Δt為時段的時長。

2.4 柴油發(fā)電機

柴油發(fā)電機運行約束包含機組出力上下限約束和爬坡約束，如下所示：

utPDG,min≤PDG,t≤utPDG,max，

(24)

-Rd≤PDG,t-PDG,t-1≤Rd.

(25)

式(24)、(25)中：ut為機組運行狀態(tài)變量，其值為1表示運行狀態(tài)，值為0表示關(guān)停狀態(tài)；PDG,t為柴油發(fā)電機出力，PDG,max、PDG,min分別為其上、下限；Rd為柴油機組最大爬坡速率。

柴油發(fā)電機發(fā)電成本

(26)

式中εDG為燃油購買價格。

3 優(yōu)化框架與求解

第1階段，以離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量最大化(maxW)為目標進行優(yōu)化，即

(27)

第2階段，以海島群在四季典型運行日下的用能成本最低(minC)為目標進行優(yōu)化，即

(28)

本研究仿真環(huán)境為MATLAB r2021b，內(nèi)存為16 GB，i7處理器2.5 GHz。式(27)、(28)所示優(yōu)化模型均為混合整數(shù)線性模型，可基于MATLAB調(diào)用gurobi商業(yè)求解器進行求解。

4 算例分析

4.1 仿真基礎(chǔ)

以廣東珠海萬山海域某孤立海島群為例進行分析，海島地理位置及波浪能泊位分布如圖4所示。其中，海島1裝設(shè)有2×250 kW小型風力機和3×1 000 kW柴油發(fā)電機組，海島2裝設(shè)500 kW分布式光伏發(fā)電和3×1 000 kW柴油發(fā)電機組?？紤]海島沿岸500 m范圍內(nèi)設(shè)有波浪能發(fā)電泊位1和泊位2，500 kW波浪能發(fā)電系統(tǒng)可通過35 kV海纜并入海島電網(wǎng)。為簡化分析，考慮泊位3—8均勻排布位于海島附近近海海域，換電船舶可在1個調(diào)度時間間隔內(nèi)完成集裝箱電池組的轉(zhuǎn)運過程。

圖4 采用換電船舶外送電量示意圖Fig.4 Schematic diagram of power delivery using power exchange ships

海島四季典型運行日負荷與清潔能源出力情況如圖5所示；基于國家海洋科學數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)，典型泊位有效波高分布如圖6所示[27]。根據(jù)天津力神電池股份有限公司提供的數(shù)據(jù)，集裝箱電池組采用磷酸鐵鋰電池為能量載體，額定容量2×1 000 kWh，有效利用小時數(shù)8 h，SOC最大、最小值分別為0.95、0.1，充放電損耗系數(shù)0.015，自損耗系數(shù)0.001，等效充放電成本0.06元/kW[28]。島上柴油發(fā)電機出力的爬坡速率為0.2Pe(Pe為發(fā)電機額定出力)，出力上、下限分別為1.05Pe、0.1Pe，發(fā)電成本2.68元/kWh；根據(jù)廣東江龍船舶制造有限公司提供的數(shù)據(jù)，船舶初始投資費用800萬元，設(shè)計航速10 n mile/h，航行成本εv,1=150元/次，εv,2=40元/(組?次)；海纜年均投資成本30萬元/km，離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)拖航成本5 000元/次。

圖5 負荷與清潔能源出力曲線Fig.5 Load and new energy output curves

圖6 年有效波高分布圖Fig.6 Distribution of annual significant wave heights

為了進一步體現(xiàn)本文所提策略優(yōu)越性，設(shè)置如下對比方案：

方案1，離岸(泊位3—8)波浪能發(fā)電經(jīng)換電船舶送至海島1、2；

方案2，近岸(泊位1)波浪能發(fā)電經(jīng)海纜接入海島1；

方案3，近岸(泊位2)波浪能發(fā)電經(jīng)海纜接入海島2。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 不同方案出力與收益情況分析

不同方案四季典型運行日下各種能源出力情況如圖7所示，方案1、2、3的年發(fā)電量分別為3 498.29 MWh、643.96 MWh、799.72 MWh。

圖7 四季典型運行日海島各種能源出力Fig.7 Various energy outputs in the island on a typical day in four seasons

由圖7可以看出，相比于方案2、3，通過優(yōu)化年發(fā)電及轉(zhuǎn)移計劃，方案1中離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四季的功率最大跟蹤，發(fā)電效率大大提升。從年優(yōu)化時間尺度上看，在需求側(cè)，海島1負荷高峰主要位于夏秋季，海島2負荷高峰位于夏冬季；在新能源出力方面，海島1風電出力在春冬兩季較為旺盛，在夏秋季節(jié)較為貧乏，海島2光伏出力在夏秋季節(jié)較為旺盛，在春冬季節(jié)較少(由圖5可知)。為了實現(xiàn)大規(guī)模波浪能能量外送，方案1中換電船舶選擇在夏秋季節(jié)前往海島1供電，在春冬季節(jié)前往海島2供電，以填補負荷增長和新能源削弱造成的發(fā)電空缺，實現(xiàn)島間功率協(xié)同互補。從日內(nèi)優(yōu)化時間尺度上看：在春冬典型運行日下，集裝箱電池組出力時段集中于傍晚和凌晨，與海島2光伏出力形成良好互補；而在夏秋典型運行日下，出力時段則集中于白天，與海島1風電出力時段形成互補。可見，以換電船舶形式進行波浪能能量外送，不僅可以實現(xiàn)大小可調(diào)的功率輸出，還能滿足外送波浪能功率在島間的靈活切換，進一步降低了海島群整體用能成本。

相比之下，在方案2、3中，由于波浪能發(fā)電功率直接饋入海島電網(wǎng)，其自身出力波動性無法與風光出力波動性相互協(xié)調(diào)。當海島負荷小于清潔能源出力時，會引發(fā)棄風棄光現(xiàn)象，新能源利用率降低；而當負荷大于清潔能源出力時，僅能靠柴油發(fā)電機進行功率缺額補充，進而導致海島用能成本增加。

不同方案下海島群年用能成本見表1。可以看出，相比于方案2、3，方案1中雖然增加了集裝箱電池組、換電船舶的投資維護成本，但能夠協(xié)助消納更多清潔能源出力，柴油發(fā)電機負擔明顯減少，海島群年用能成本下降約10.91%?？梢?，以換電船舶形式進行離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)電量外送具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

表1 不同方案下海島群用能成本對比分析Tab.1 Comparative analysis of island energy costs in different schemes 萬元

4.2.2 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移計劃分析

方案1中離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年轉(zhuǎn)移計劃如圖8所示。可以看出，受波浪能資源在時間和空間分布變化的影響，在春冬兩季，波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要位于泊位3、4，在夏秋季節(jié)，波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要位于泊位5—7，年均發(fā)電功率在300 kW以上。相比之下，近岸泊位1、2全年波浪能資源較少，年均發(fā)電功率低于150 kW。

圖8 離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)全年轉(zhuǎn)移計劃Fig.8 Annual transfer plan of offshore wave power generation system

4.2.3 方案1集裝箱電池組優(yōu)化結(jié)果分析

四季典型運行日下集裝箱電池組SOC變化趨勢如圖9所示；換電船舶及集裝箱電池組轉(zhuǎn)運過程如圖10所示，圖中位置0為離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)所處位置，位置1為海島1(風電)，位置2為海島2(光伏)。可以看出，在四季典型運行日下，每個集裝箱電池組均有1次較為完整的充放電過程，運行效率較高。以春季典型運行日12時刻左右為例分析，此時1號電池組在離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)處充電，2號電池組SOC處于較高水平，依托換電船舶由波浪能發(fā)電泊位處向海島2轉(zhuǎn)移，3號電池組則位于海島2，處于放電狀態(tài)?？梢?，不同電池組優(yōu)化運行在時間和空間尺度上形成良好的互補性，能夠滿足海島負荷不間斷供電需求。

圖9 四季典型運行日電池組SOC變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of battery pack SOC changes on typical days in four seasons

圖10 四季典型運行日電池組位置變化示意圖Fig.10 Schematic diagram of battery pack position changes on typical days in four seasons

除此之外，由圖10可知，從季節(jié)尺度上看，在季風較強的春冬季節(jié)，換電船舶主要參與光伏海島(海島2)的能量外送和補給，而在光照較強的夏秋季節(jié)，換電船舶前往風電海島(海島1)進行能量補給，從而避免了海島上大規(guī)模季節(jié)性的棄風棄光?？梢?，以換電船舶為載體構(gòu)建能量轉(zhuǎn)移通道能夠?qū)崿F(xiàn)不同海島之間靈活能量供給，在避免資源冗余配置的同時，實現(xiàn)不同時間尺度下清潔能源最大化利用。

4.3 影響因素分析

為進一步分析波浪能發(fā)電系統(tǒng)離岸距離以及電池組數(shù)對換電船舶外送電量經(jīng)濟性的影響，考慮在同一波況下(以春季典型運行日下波能發(fā)電量外送海島1為例)，對離岸距離與電池組數(shù)進行遍歷，得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 同一波況下方案一收益變化情況示意圖Fig.11 Schematic diagram of income changes of scheme 1 under the same wave

由圖11可以看出，當波況和離岸距離保持不變，電池組數(shù)逐漸增多時，換電船舶外送收益先增大后減小，其原因是：當電池組數(shù)(容量)較小時，電量外送通道受限，換電船舶無法及時將富余的波能發(fā)電量外送至海島消納；隨著電池組數(shù)的逐漸增大，電池組數(shù)能夠滿足波浪能發(fā)電在外送時間上的連續(xù)性，效率大大提升；而隨著電池組數(shù)的進一步增加，外送電量總額并未有太大提升，導致單組電池的利用率下降，供電成本提升。另一方面，當波況與電池組數(shù)保持不變時，隨著航行距離的增大，換電船舶外送電量時效性有所下降，其在運行周期內(nèi)服務次數(shù)減少，收益率降低。換電船舶只能通過增多電池組數(shù)和船舶航行次數(shù)來滿足供電的連續(xù)性，以期增加部分收益，但收益仍低于距離較近時。由此可見，合理評估海洋波浪能資源分布情況，優(yōu)化換電集裝箱電池組數(shù)(容量)，對于制訂離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移計劃和采用換電船舶外送電量計劃、提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性是至關(guān)重要的。

5 結(jié)論

本文提出了基于換電船舶協(xié)同優(yōu)化的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略。通過理論和仿真分析，可以得出如下結(jié)論。

a)所提基于虛擬鏈路的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移建模方法能夠合理描述離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量轉(zhuǎn)移計劃，實現(xiàn)最大發(fā)電功率跟蹤，進一步提升波浪能發(fā)電系統(tǒng)利用率。

b)所提基于換電船舶的離岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)兩階段靈活電量外送策略能夠在降低海島用能成本的同時，實現(xiàn)多時間尺度下不同海島間的清潔能源互補，促進海島群可持續(xù)發(fā)展。

基于實際數(shù)據(jù)進行算例仿真，結(jié)果驗證了本文所提策略及方法的有效性。本文所提策略為孤立海島群波浪能資源開發(fā)和利用提供了思路。后續(xù)的研究工作將圍繞波浪能綜合一體化發(fā)電平臺優(yōu)化運行及波浪能輸出功率波動性平抑等展開。