太阳能-柴油机-电网混合发电系统的技术经济分析

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）653太阳能-柴油机-电网混合发电系统的技术经济分析Mohammad Usmana， Mohd Tauseef Khanb， Ankur Singh Ranab，Mohd，Sarwar Alica印度勒克瑙BBD NIIT电气工程系b印度新德里Jamia Millia Islamia电气工程系c印度铁路公司，印度接收日期：2017年2月16日;接收日期：2017年5月23日;接受日期：2017年6月15日2017年6月28日在线发布摘要由于不断增长的能源需求和传统能源资源的枯竭，可再生能源正在全球范围内推广。印度政府启动了大量计划，鼓励使用可再生能源发电，并使其与煤炭、石油等化石能源相比具有竞争力考虑到这些举措，本文旨在优化几个混合能源系统模型，包括太阳能光伏，柴油发电机和电网。优化是基于HOMER软件中可再生能源以及并网混合动力系统的技术经济分析。该比较是基于每单位电能生产成本、基于传统化石燃料的能源的运营成本和温室气体的减少。© 2018由Elsevier B.V.代表电子研究所（ERI）制作和主办。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：HOMER;能源成本;光伏;柴油;电网;温室气体1. 介绍在现代化和经济发展的时代，能源是至关重要的因素。随着人口的不断增加和生活水平的提高，其需求也在稳步增长目前的主要挑战是满足这种不断增长的能源需求，而不完全耗尽子孙后代使用的资源在过去的十年里，地球指出的主要原因是世界人口的增长和迅速的工业化，*通讯作者。电子邮件地址：usman.iu. gmail.com（M. Usman），tauseefkhan alig@yahoo.co.in（M.T. Khan），ankurranag@gmail.com（A.S.Rana），alisrwr@gmail.com（S. Ali）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2017.06.0022314-7172/© 2018由Elsevier B. V.制作和主办电子研究所（ERI）这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。654M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653导致电力需求增加，而电力需求又由煤、石油和天然气等传统电力来源满足。这些传统电力资源的使用导致温室气体（GHG）排放量增加可再生能源被视为传统能源的替代品，因为这些能源清洁环保，因此可能有助于减少温室气体排放。因此，不同的政府（“印度政府：电力部，中央电力局，截至2016年3月的月度报 告 ， ”n.d. ） 和 研 究 人 员 （ Contaxis 和 Kabouris ， 1991;Giatrakos 等 人 ， 2009;Hirose 和 Matsuo ，2012;Hrayshat，2009; Reiniger等人，1986; Karakoulidis等人，2011年; Moniruzzaman和Hasan，2012年; Ngan和Tan，2012年;Shaahid和Elhadidy，2007年）提出了可再生能源，如光伏（PV），风能，生物质，潮汐波等。作为传统化石燃料的替代品 Karakoulidis等人（2011）为满足希腊卡瓦拉电机实验室的负荷需求，开发了一种结合SPV、DG和电池的混合型RET模型。HOMER软件用于基于净现值（NPC）的不同组合的优化和模拟 Giatrakos等人（2009年）使用HOMER进行系统设计和规划分析，并提出了一个可持续的可再生能源系统，包括风能、太阳能光伏和氢系统，以取代希腊卡尔帕索斯岛现有的DG。通过分析历史数据，他们得出结论，可再生能源系统可以在目前的电能结构中渗透高达20%。目前，印度无法满足其日益增长的能源需求。因此，它的基本挑战是以期望的质量和有竞争力的价格提供电力。截至2016年3月，印度的总装机容量为302，087.84兆瓦。其中，185，172.88兆瓦通过煤炭发电，24，508.63兆瓦通过天然气发电，993.83兆瓦通过柴油发电，5780兆瓦来自核电厂。 在该装机容量中，水电贡献了42783.42兆瓦，其次是通过可再生能源提供的42，849.38兆瓦（“印度政府：电力部，中央电力局，截至2016年3月的月度报告”，n.d. ）. 印度的太阳辐射水平约为5 kWh/m2/天，这对发电有利。但是，独立的光伏系统在一天中的大部分时间内不会发电（Shaahid和Elhadidy，2007年）。此外，PV系统需要大的存储装置，这使得它们成为昂贵的选择。因此，将柴油发电机与电池存储器集成的太阳能PV系统可以很好地解决这些问题（Karakoulidis等人， 2011年）。本文在技术经济分析的基础上，利用HOMER（Hybrid Optimization Model for Electric Renewable）软件包（“HOMER，the micro power optimization model，ver. 2.68Beta（2012年2月），”n.d. ）. 创建了三种不同的情景，并根据单位发电成本进行了比较。第2节描述了参数，包括负荷曲线、新德里的太阳辐射数据、系统组件和混合系统的规格。第3节介绍了结果和讨论，第4节给出了结论。2. 参数说明2.1. 加载配置文件本文选择新德里Jamia Millia Islamia工程技术学院的电力负荷进行经济分析。图1显示了教师大楼1年周期的日负荷曲线。在工作日，大学的负荷显示了一个典型的样本，如图2所示。学院大楼的基本需求约为30 kW，最大需求为758 kW。2.2. 太阳辐射印度气象局（IMD）测量并提供全国各地的太阳辐射数据以及其他气候参数。IMD记录的数据通常是全球性的，用于沿水平轴的漫射太阳辐射。图3显示了HOMER软件中新德里（纬度和经度分别为28° 36r N和77° 12r E）的太阳辐射数据输入以及太阳辐射的清晰度指数。太阳辐射量在3.68 ~ 6.62 kWh/m2/d之间，年平均太阳辐射量为预计为5.13 kWh/m2/天。M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653655Fig. 1. 1年周期的日负荷曲线。图二.每日负荷曲线样本。2.3. 混合动力系统组件和规格光伏系统：光伏系统由串联和并联连接的太阳能电池组成，水平串称为PV板。这些面板以这样的方式连接，以满足负载要求。影响光伏系统输出的因素很多，如地理位置、太阳辐射和温度。蓄电池：混合动力系统中需要蓄电池来存储光伏系统电池特性见表1。转换器：需要转换器将直流发电转换为交流电。 关于安装成本、运行成本、寿命等的详细信息见表2。电网：电网是可再生和不可再生能源发电的主要中心，可以在发电机和分销商之间进行交易。····656M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653表1电池特性。图三.印度新德里的年太阳辐射和晴朗指数标称容量小行星1156标称电压6 V往返效率百分之八十最小充电百分之四十浮充寿命12年最大充电速率1 A/Ah最大充电电流41 A寿命吞吐量9655千瓦时表2描述了本工作中使用的组件HOMER软件中模拟的系统成本以美元为单位，然后转换为印度卢比。在目前的工作中，1美元被视为相当于68卢比3. 结果和讨论比较了三种不同情况下的优化结果、技术和成本细节以及月平均发电量：1）仅并网系统2）光伏和并网系统3）基于光伏和柴油发电机的系统，然后考虑了这些定义情况下系统中记录的3.1. 仅并网系统HOMER生成了一个模拟选项，其中电网提供100%的教师负荷，如图4所示。这是因为在这种情况下没有使用替代源，这也导致总NPC仅来自电网。表3显示，由于没有可用的替代能源，从电网购买的总能量为2，001，655 kWh/年因此，如表4所示，不需要购买或安装任何替代系统的资本成本。M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653657表2建议的混合能源系统组件的经济规格PV资金成本寿命运维成本重置成本198，000卢比/千瓦25年550卢比/千瓦/年198，000卢比/千瓦柴油发电资金成本额定功率最小允许功率（最小负载比）运维成本营运时间重置成本13，750卢比/千瓦可变（01卢比/小时/千瓦15 000小时13，750卢比/千瓦电池类型的标称标称标称能量操作和资本更换电池电压能力每个电池的容量维护成本成本成本Surrette 6CS25P6 V小行星11566.94千瓦时110卢比/年小行星68752750卢比转换器资金成本运维成本寿命重置成本效率36，025卢比/千瓦110卢比/年/千瓦15年36，025卢比/千瓦百分之九十五项目寿命：25年表3仅电网系统用电量。见图4。月平均发电量。生产/消费生产（电网采购）消耗（交流主负载）kWh/年2,001,6552,001,585分数%100100表4仅针对网格系统的优化结果。电网（千瓦）国家方案预算总额（卢比）COE（Rs/kWh）可再生能源资本成本（卢比）(Rs/年）分数（%）850 0226，196，832 17，694，6208.84 0658M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653图五.光伏和并网系统配置。见图6。整体优化结果来自HOMER。3.2. 光伏并网系统图5显示了HOMER模拟软件中设计的PV和并网系统配置。图6示出了在模拟中添加PV发电的输出结果，其按照总NPC的升序排序以总NPC作为主要选择工具，HOMER的优化结果是纯电网系统作为其首选，因为它是最具成本效益的选择。该选项的净总成本（NPC）最低，为3，326，424美元（226，196，832卢比），能源成本（COE）为0.13美元（8.84卢比）/千瓦时，运营成本为17，694，620卢比运营成本是通过购买价格乘以购买的总能源产生的。由于缺乏光伏发电机和逆变器最初在这种情况下，资本成本为零。此配置的详细信息如表5所示。该混合动力系统的总NPC，初始资本成本和COE分别为3，336，403美元（226，875，404卢比），494，600美元（33，632，800卢比）和0.130美元（8.84卢比）/千瓦时。图7显示了太阳能光伏发电和电网产生的月平均电力的分布，单位为千瓦。SPV的渗透效应降低了电网的能源消耗。M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653659表5混合动力系统最佳配置的技术成本细节系统架构PV阵列网格逆变器整流器调度策略200千瓦850千瓦200千瓦200千瓦负荷跟踪电现期费用平准化能源运营成本226 875 404卢比8.84卢比15，116，740卢比成本汇总组件PV阵列网格总产量（kWh/年）372,9251,685,6292,058,554分数百分之十八百分之八十二百分百见图7。光伏和并网系统的月平均发电量。见图8。PV、Diesel仿真模型的布局。3.3. 基于光伏和柴油发电机的系统图8示出了在HOMER模拟软件中设计的基于PV和柴油的系统配置。在这种情况下，太阳能光伏，柴油发电机，转换器和电池的各种组合被用于离网电气化660M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653见图9。基于PV和柴油的系统的优化结果。表6基于光伏和柴油发电机的系统的最佳配置的技术成本细节系统架构PV阵列柴油发电逆变器整流器电池800 kW500千瓦800 kW800 kW3000 Surrette 6CS25P电现期费用平准化能源运营成本465，060，024卢比18.156卢比23，196，500卢比成本汇总组件PV阵列柴油发电总产量（kWh/年）1,491,700917,6762,409,376分数百分之六十二百分之三十八百分百所有可能的混合动力系统配置都列在图中。 9、按总NPC的递增顺序排列。表6详细显示了优化过程中混合动力系统所有配置的技术和经济细节。根据优化结果，混合动力系统组件的最佳组合是800 kW光伏阵列，500 kW柴油发电机，3000 Surrette6CS25P电池，800 kW逆变器和800 kW整流器，并采用负载跟踪调度策略。此配置的详细信息如表6所示。这种混合动力系统的总NPC，运营成本和平准化能源成本（COE）分别为465，060，024卢比，23，196，500卢比和18.156卢比图图10显示了太阳能光伏发电机和柴油发电机每月平均发电量的分布情况，单位为千瓦。SPV穿透率的增加降低了柴油消耗。随着PV输出的增加，发电机M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653661见图10。光伏和柴油发电系统的月平均发电量。表7光伏和柴油系统的年化成本。组成资本（卢比/年）更换（卢比/年）O M（卢比/年）燃料（卢比/年）救助（卢比/年）共计（卢比/年）2019 - 06 - 25 00：00：00发电机664，904 889，848 1，230，732 18，963，364 − 100，436 21，648，412Surrette6CS25P 1，994，780 593，572 408，000 0 − 170，408 2，825，944转换器2，787，388 1，163，072 108，800 0 − 267，688 3，842，748系统13，183，636 2，646，492 2，073，932 18，963，364− 487，356 36，380，136表8HOMER分析记录了3种情况下的温室气体系统配置污染物仅并网排放量（千克/年）光伏和并网系统排放量（千克/年）光伏和柴油发电机系统排放量（千克/年）二氧化碳1,265,0461,041,213815,961一氧化碳002014未燃烧的烃00223颗粒物00152二氧化硫548545141639氮氧化物2682220817,972表7显示拟议系统各组成部分的年度费用可以看出，DG和SPV的成本在两个柴油发电机的成本仅占整个系统然而，与安装后的DG相比，太阳能光伏的维护和运行成本较从这里可以看出，DG负责整个系统年度成本36，380，136卢比的59.5%3.4. 系统中记录的排放量在印度，发电的主要来源是燃煤电厂。因此，2009-2010年表8显示了三种情况下的温室气体（GHG）和其他排放物的类型及其数量我们可以看到，与单独的电网相比，由于PV也连接在电网中，因此排放量显着减少在基于PV和柴油发电机的系统中，二氧化碳和二氧化硫气体减少，但由于在这种情况下使用柴油发电机，因此存在一些其他气体。662M. Usman等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 5（2018）653表9混合动力系统不同组合的经济性比较系统组合国家方案预算总额（卢比）业务费用（卢比）能源成本（卢比/千瓦时）可再生部分（%）仅网格226,196,83217,694,6208.840光伏与电网226,875,40415,116,7408.8418光伏和柴油465,060,02423,196,50018.156624. 结论在本文中，三种不同的配置进行比较供电的建模负载包括电网单独，电网和太阳能光伏发电，柴油发电机，电池组和太阳能光伏发电系统。从HOMER软件中获得了许多可行的混合动力系统的替代方案，实际设置的COE，当光伏渗透率为18%时，并网系统为8.84卢比/千瓦时，大约等于该国目前的电价。然而，混合动力系统的初始资本成本很高;考虑到印度的电力短缺，该成本不应被视为决定性因素。相反，应该考虑改善农村地区人民的生活、化石燃料来源的未来状况、清洁能源的发展、独立混合系统在保护环境免受退化方面的作用及其对减少环境污染物排放的贡献等问题在分析所有系统模型后，发现光伏和并网系统更经济，能源成本最低，为8.84卢比目前，并网系统的能源成本为8.84卢比/千瓦时，预计将随着时间的推移而增加。同时，对于并网系统，CO2排放量最大，这可以通过在并网系统中添加光伏来减少，而不会对能源成本产生太大影响通过增加替代电源，我们也可以克服预定的停电混合动力系统的不同组合之间的经济比较如表9所示。引用Contaxis ， G.C. ， Kabouris ， J. ， 1991. 风 力 / 柴 油 自 主 能 源 系 统 中 的 短 期 调 度 。 IEEE Trans. Power Syst.6 ， 1161http://dx.doi.org/10.1109/59.119261。Giatrakos，G. 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