★中国电力工程顾问集团华北电力设计院丁奕，刘军梅，王丹，张玮

关键词：海水淡化；风光发电；容量优化

1　研究背景

海水淡化技术是将高含盐量的海水，通过蒸馏、反渗透等手段，转化为可饮用的淡水用于生产生活的过程。海水淡化过程的进行依赖于电力供应，特别是工艺过程中取水、升压、反洗等都会消耗大量电力，被认为是一种“以电换水”的过程。海水淡化也是一种能量密集型产业。

从海水淡化技术的应用场景考虑，除了在大型工业园区建设的依赖于电网供电的大型集中式海水淡化厂以外，另一种重要的应用领域是为海岛、船舶等提供用水保障。在这些场景中，电网建设投资巨大，经济效益低，一般采用独立运行的发电系统，所以难以为海水淡化系统提供充足且稳定的电力。因此，为了维持海水淡化系统运行所需的电力供应，需要采取自给自足的方式。而就地采用风力光伏发电，为海水淡化单元供能，是一种可行的技术路线。近年来风能、太阳能技术的快速进步和成本的快速下降，也为新能源与海水淡化结合应用提供了有利条件，制水成本有望控制在商业可行的范围内。

然而，风电光伏的发电量取决于当时的风速和光照条件，具有明显的间歇性和不可预测性，在应用过程中构成技术挑战。与新能源相结合的海水淡化单元，其运行逻辑、容量匹配都需要根据新能源供电的特性重新开展设计。

本文以光伏为例，提出了光伏、储能、海水淡化协同运行的策略，并根据海水淡化装置的处理容量、运行模式和光伏发电变化规律，匹配设计出性价比较高的新能源供电系统，以达到在满足供水要求的前提下，尽可能节约海水淡化系统的整体投资的目标。本文将从能量平衡的角度，考虑海水淡化装置用电需求及风光发电的耦合关系，寻找成本最低的方案。应当指出，在离网项目中，为了维持微电网稳定运行，还需要额外配置储能或同步发电机，但该部分研究不在讨论范围内。

2　方法描述

2.1　运行逻辑

本文以光伏与海水淡化耦合运行为例，设想了一套运行规则，并以此为基础结合典型光伏发电出力数据，得到了整个系统全年运行的结果指标，作为后续方案比选的基础。

为了与光伏发电相吻合，设定海水淡化的运行时间为每天7点到17点。在此期间，根据每小时的发电情况，决定海水淡化装置是否启动，对于多模块制水装置，确定启用的模块数量。此外，由于海水淡化装置的启动和关闭需要执行一系列流程，耗时约30～60分钟，且伴随一定的用电需求，因此，在模拟运行时可以将启动和关停过程单独定义，作为停机和运行之间的过渡状态，有电量消耗，但没有制水量产生。综上，可以将制水系统分为待机、启动流程、运行、关闭流程4种状态，制水系统每个小时处于其中的一种状态，4种状态的循环过程如图1所示。

图1 海水淡化制水单元状态分解

为保障制水单元可靠平稳运行，避免频繁启停动作，运行逻辑设定制水单元启动的前提条件是光伏未来2个小时的发电量都能够维持制水系统工作的用电量；在制水单元启动后，如果出现光伏发电量不足的情况，允许依靠储能放电来维持制水单元工作，但储能单元必须保证留出电量完成关停流程，否则，制水过程停止，启动关停流程，使制水单元过渡到停机状态。

以上运行逻辑是针对光伏供能场景提出的，如果系统中还有风电供能，应当对策略作出相应调整。但风能发电的波动性更明显，可预测性更差，问题将相对复杂，对海水淡化装置运行灵活性也将有所要求。

2.2　约束条件

考虑到海水淡化的实际应用场景，如海岛、船舶等，一般每天都有固定的生活用水需求。而当利用光伏为海水淡化装置供能时，每天的可用绿电电量及制水量有所不同。为解决该矛盾，一方面是设置一定的储水设施，但出于卫生要求考虑，储水时间有所限制；另一方面是调整光伏和储能的配置容量，使得每天的制水量相对稳定。

在本研究中，要求每天目标制水量为海水淡化装置容量7小时的产量，当光照条件不佳时，允许出现缺额，但要求在7天内补足。不能满足该要求的光、储容量配置视为不可行方案。

2.3　电源及储能配置方法

对于某一个具体项目，海水淡化的规模取决于用水需求，因而通常认为是已知的。需要求解的是确定为该制水装置配套的光伏发电以及储能的规模。本文提出的配置方法是以单位制水量成本最低为目标，并且要求满足一定的约束条件（见§3.3节），寻找合适的光伏及储能装机容量方案。

为了达到上述目的，首先构造制水成本目标函数，即对某一个给定的光伏及储能装机方案，基于2.1所提出的运行逻辑，对全年8760小时逐小时模拟运行，并计算得到制水量、耗电量、弃电量等指标，再结合光伏及储能的造价，计算项目全生命周期内每吨水的成本。制水单元本身的投资不包含在上述成本计算中，但考虑到制水单元的规模是固定的，且投资在系统中占比较小，因此对光伏、储能容量的寻优求解并没有显著的影响。

当目标函数构建完成后，就可以从数学上求解使制水成本最低的光伏和储能配置方案。本文采用scikitopt中的粒子群算法来求解。

3　案例分析

3.1　条件

本节将上述容量配置方法应用于某项目。该项目中海水淡化装置技术参数以单模块5t/h为例，如表1所示，并假定各种工况下的用电负荷都与装置的小时制水能力成正比。系统中光伏、储能的造价及项目周期参数如表2所示。此外，我们选取了某地的光伏8760小时发电量曲线，在图2中以热力图的形式表示每小时单位装机发电量（kWh/kW），每一格代表一个小时，并以颜色表示发电量数值。

表1 制水单元技术参数（以5t/h单模块为例）

表2 系统经济测算参数

图2 全年逐日单位光伏发电量热力图

3.2　5t/h模块配置方案

在§3.1节所示的输入条件下，为1套5t/h海水淡化模块配置光伏和储能，以满足§2.2节中的供水稳定性要求。在经过10000组备选方案试算后，得到的最优配置为170.93kW光伏、136.11kWh储能。在此条件下每年的总制水量为15305吨，共有48天未能完成35吨的制水量目标，但都在不超过5天时间内补齐。全年弃电率为46.38%，可见系统配置为了保障供水的相对稳定，在电能利用率上有较大的妥协。

图3表示某日的发电量（上半部）及用电量（下半部）情况，基于该日的光伏发电情况，海水淡化装置上午8时开始启动流程，9时开始产水，共运行7小时，并于下午4时停止运行，其中14:00-16:00时段内，光伏发电量不足，通过储能释放部分电量来维持海水淡化的运行。

图3 某日逐时发电量及用电量

3.3　单套10t/h与2套5t/h配置方案对比

假定某项目有10t/h的海水淡化需求，可以配置1套10t/d模块或者2套5t/d模块来实现。两种方式下得到的配置方案，如表3所示，由于2套5t/d模块的方案提供了更强的运行灵活性，启动运行的门槛更低，因而能够利用较少的光伏和储能装机来实现大致相同的海水淡化制水量。相应地，其弃电率和吨水成本也更低。

表3 单套10t/h与2套5t/h配置方案对比

4　结论

本文以光伏供能的海水淡化系统为例，提出了一种光伏及储能容量配置方法。该方法首先需要设想系统的运行调度逻辑，并依据该逻辑模拟系统全年的运行，计算得到包括吨水成本在内的参数，再利用算法寻优，求解吨水成本最低的方案。

采用该方法，本文利用某地的光伏全年逐时发电量数据，分别研究了5t/h及10t/h场景下的光伏、储能配置方案。结果表明，通过光伏的超额配置以及一定量的储能设置，可以实现制水的相对稳定，但弃电率较高。对于10t/h场景，设置2套5t/h模块可以获得一定的灵活性，弃电率及吨水成本有一定的降低。

作者简介：

丁　奕（1987-），男，工程师，博士，现就职于中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，主要从事氢能技术研究、系统优化配置等工作。

摘自《自动化博览》2024年9月刊