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★中國電力工程顧問集團華北電力設計院丁奕，劉軍梅，王丹，張瑋

關鍵詞：海水淡化；風光發電；容量優化

1　研究背景

海水淡化技術是將高含鹽量的海水，通過蒸餾、反滲透等手段，轉化為可飲用的淡水用于生產生活的過程。海水淡化過程的進行依賴于電力供應，特別是工藝過程中取水、升壓、反洗等都會消耗大量電力，被認為是一種“以電換水”的過程。海水淡化也是一種能量密集型產業。

從海水淡化技術的應用場景考慮，除了在大型工業園區建設的依賴于電網供電的大型集中式海水淡化廠以外，另一種重要的應用領域是為海島、船舶等提供用水保障。在這些場景中，電網建設投資巨大，經濟效益低，一般采用獨立運行的發電系統，所以難以為海水淡化系統提供充足且穩定的電力。因此，為了維持海水淡化系統運行所需的電力供應，需要采取自給自足的方式。而就地采用風力光伏發電，為海水淡化單元供能，是一種可行的技術路線。近年來風能、太陽能技術的快速進步和成本的快速下降，也為新能源與海水淡化結合應用提供了有利條件，制水成本有望控制在商業可行的范圍內。

然而，風電光伏的發電量取決于當時的風速和光照條件，具有明顯的間歇性和不可預測性，在應用過程中構成技術挑戰。與新能源相結合的海水淡化單元，其運行邏輯、容量匹配都需要根據新能源供電的特性重新開展設計。

本文以光伏為例，提出了光伏、儲能、海水淡化協同運行的策略，并根據海水淡化裝置的處理容量、運行模式和光伏發電變化規律，匹配設計出性價比較高的新能源供電系統，以達到在滿足供水要求的前提下，盡可能節約海水淡化系統的整體投資的目標。本文將從能量平衡的角度，考慮海水淡化裝置用電需求及風光發電的耦合關系，尋找成本最低的方案。應當指出，在離網項目中，為了維持微電網穩定運行，還需要額外配置儲能或同步發電機，但該部分研究不在討論范圍內。

2　方法描述

2.1　運行邏輯

本文以光伏與海水淡化耦合運行為例，設想了一套運行規則，并以此為基礎結合典型光伏發電出力數據，得到了整個系統全年運行的結果指標，作為后續方案比選的基礎。

為了與光伏發電相吻合，設定海水淡化的運行時間為每天7點到17點。在此期間，根據每小時的發電情況，決定海水淡化裝置是否啟動，對于多模塊制水裝置，確定啟用的模塊數量。此外，由于海水淡化裝置的啟動和關閉需要執行一系列流程，耗時約30～60分鐘，且伴隨一定的用電需求，因此，在模擬運行時可以將啟動和關停過程單獨定義，作為停機和運行之間的過渡狀態，有電量消耗，但沒有制水量產生。綜上，可以將制水系統分為待機、啟動流程、運行、關閉流程4種狀態，制水系統每個小時處于其中的一種狀態，4種狀態的循環過程如圖1所示。

圖1 海水淡化制水單元狀態分解

為保障制水單元可靠平穩運行，避免頻繁啟停動作，運行邏輯設定制水單元啟動的前提條件是光伏未來2個小時的發電量都能夠維持制水系統工作的用電量；在制水單元啟動后，如果出現光伏發電量不足的情況，允許依靠儲能放電來維持制水單元工作，但儲能單元必須保證留出電量完成關停流程，否則，制水過程停止，啟動關停流程，使制水單元過渡到停機狀態。

以上運行邏輯是針對光伏供能場景提出的，如果系統中還有風電供能，應當對策略作出相應調整。但風能發電的波動性更明顯，可預測性更差，問題將相對復雜，對海水淡化裝置運行靈活性也將有所要求。

2.2　約束條件

考慮到海水淡化的實際應用場景，如海島、船舶等，一般每天都有固定的生活用水需求。而當利用光伏為海水淡化裝置供能時，每天的可用綠電電量及制水量有所不同。為解決該矛盾，一方面是設置一定的儲水設施，但出于衛生要求考慮，儲水時間有所限制；另一方面是調整光伏和儲能的配置容量，使得每天的制水量相對穩定。

在本研究中，要求每天目標制水量為海水淡化裝置容量7小時的產量，當光照條件不佳時，允許出現缺額，但要求在7天內補足。不能滿足該要求的光、儲容量配置視為不可行方案。

2.3　電源及儲能配置方法

對于某一個具體項目，海水淡化的規模取決于用水需求，因而通常認為是已知的。需要求解的是確定為該制水裝置配套的光伏發電以及儲能的規模。本文提出的配置方法是以單位制水量成本最低為目標，并且要求滿足一定的約束條件（見§3.3節），尋找合適的光伏及儲能裝機容量方案。

為了達到上述目的，首先構造制水成本目標函數，即對某一個給定的光伏及儲能裝機方案，基于2.1所提出的運行邏輯，對全年8760小時逐小時模擬運行，并計算得到制水量、耗電量、棄電量等指標，再結合光伏及儲能的造價，計算項目全生命周期內每噸水的成本。制水單元本身的投資不包含在上述成本計算中，但考慮到制水單元的規模是固定的，且投資在系統中占比較小，因此對光伏、儲能容量的尋優求解并沒有顯著的影響。

當目標函數構建完成后，就可以從數學上求解使制水成本最低的光伏和儲能配置方案。本文采用scikitopt中的粒子群算法來求解。

3　案例分析

3.1　條件

本節將上述容量配置方法應用于某項目。該項目中海水淡化裝置技術參數以單模塊5t/h為例，如表1所示，并假定各種工況下的用電負荷都與裝置的小時制水能力成正比。系統中光伏、儲能的造價及項目周期參數如表2所示。此外，我們選取了某地的光伏8760小時發電量曲線，在圖2中以熱力圖的形式表示每小時單位裝機發電量（kWh/kW），每一格代表一個小時，并以顏色表示發電量數值。

表1 制水單元技術參數（以5t/h單模塊為例）

表2 系統經濟測算參數

圖2 全年逐日單位光伏發電量熱力圖

3.2　5t/h模塊配置方案

在§3.1節所示的輸入條件下，為1套5t/h海水淡化模塊配置光伏和儲能，以滿足§2.2節中的供水穩定性要求。在經過10000組備選方案試算后，得到的最優配置為170.93kW光伏、136.11kWh儲能。在此條件下每年的總制水量為15305噸，共有48天未能完成35噸的制水量目標，但都在不超過5天時間內補齊。全年棄電率為46.38%，可見系統配置為了保障供水的相對穩定，在電能利用率上有較大的妥協。

圖3表示某日的發電量（上半部）及用電量（下半部）情況，基于該日的光伏發電情況，海水淡化裝置上午8時開始啟動流程，9時開始產水，共運行7小時，并于下午4時停止運行，其中14:00-16:00時段內，光伏發電量不足，通過儲能釋放部分電量來維持海水淡化的運行。

圖3 某日逐時發電量及用電量

3.3　單套10t/h與2套5t/h配置方案對比

假定某項目有10t/h的海水淡化需求，可以配置1套10t/d模塊或者2套5t/d模塊來實現。兩種方式下得到的配置方案，如表3所示，由于2套5t/d模塊的方案提供了更強的運行靈活性，啟動運行的門檻更低，因而能夠利用較少的光伏和儲能裝機來實現大致相同的海水淡化制水量。相應地，其棄電率和噸水成本也更低。

表3 單套10t/h與2套5t/h配置方案對比

4　結論

本文以光伏供能的海水淡化系統為例，提出了一種光伏及儲能容量配置方法。該方法首先需要設想系統的運行調度邏輯，并依據該邏輯模擬系統全年的運行，計算得到包括噸水成本在內的參數，再利用算法尋優，求解噸水成本最低的方案。

采用該方法，本文利用某地的光伏全年逐時發電量數據，分別研究了5t/h及10t/h場景下的光伏、儲能配置方案。結果表明，通過光伏的超額配置以及一定量的儲能設置，可以實現制水的相對穩定，但棄電率較高。對于10t/h場景，設置2套5t/h模塊可以獲得一定的靈活性，棄電率及噸水成本有一定的降低。

作者簡介：

丁　奕（1987-），男，工程師，博士，現就職于中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，主要從事氫能技術研究、系統優化配置等工作。

摘自《自動化博覽》2024年9月刊