在考虑长期天气变化的情况下，离网混合能源系统容量配置中技术经济与环境目标之间的权衡

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Trade-offs between techno-economic-environmental goals in the capacity configuration of an off-grid hybrid energy system considering long-term weather variability

　　崔玉婷 | 雅库布·尤拉泽
波兰弗罗茨瓦夫科技大学环境工程学院，50-370 弗罗茨瓦夫

**摘要**
为岛屿和偏远地区设计离网混合能源系统需要平衡可靠性、成本和碳排放性能，同时应对长期天气变化。然而，大多数现有的技术经济研究仍依赖单年或有限年份的天气数据，这使得难以识别由天气驱动的规模偏差或量化技术、经济和环境目标之间的权衡。这些权衡在负荷不确定性下的稳定性也鲜有研究。本研究通过使用1980年至2024年的每小时天气数据，对西班牙埃尔希埃罗岛的离网太阳能-风能-柴油-抽水蓄能系统进行了45次独立的年度混合整数线性规划优化，以填补这些空白。结果表明，年际天气变化显著影响年度最佳规模配置：柴油容量相对稳定，而风能和太阳能容量则每年变化较大，表明单年设计可能严重误估可再生能源需求。研究发现的技术经济-环境权衡是非线性的。将限电约束从0%放宽到15%后，碳排放强度从超过300克二氧化碳/千瓦时降至约150克二氧化碳/千瓦时，平准化电价从约0.22-0.25美元/千瓦时降至0.16-0.20美元/千瓦时，但进一步放宽限电措施的效果则较小。这些模式在负荷水平和负荷形状变化下仍保持定性稳定。抽水蓄能的扩展进一步降低了限电和碳排放强度，但增加了成本，450-675兆瓦时的容量成为指示性的边际权衡范围。总体而言，本研究阐明了长期天气变化如何重塑离网混合系统的最佳规模配置和技术经济-环境权衡，并为更稳健的系统设计提供了规划见解。

**引言**
结合可再生能源发电、储能和备用发电的混合能源系统越来越受到岛屿和偏远地区的关注，因为这些地区的电力供应必须在有限的或无法连接的条件下保持可靠[1]。在这样的系统中，容量配置本质上是一个多目标规划问题，因为技术可靠性、系统成本、可再生能源利用和环境性能不会在整个设计空间内同时得到优化[2]。特别是，增加风能和太阳能容量可以减少化石燃料使用和碳排放强度，但也可能增加限电、资本支出以及系统运营对不利天气条件的敏感性[3]。因此，稳健的系统设计不仅需要优化单一指标，还需要了解技术、经济和环境权衡在长期天气变化下的演变[4]。

近期的一些研究表明，长期天气变化会显著影响混合能源系统的容量配置和性能[5-7]。郑等人[5]首次指出，使用典型气象年数据会因忽略年际可再生能源产量的波动而低估蓄能需求。通过比较基于连续12年数据集优化的系统与基于单一年数据的系统，他们发现后者在削峰性能和可再生能源限电方面表现更差。在此基础上，贾韦德等人[6]评估了离网系统的多年度可再生能源变化，发现单年分析无法捕捉到长期资源匮乏期，从而低估了所需的储能容量。从更广泛的系统规划角度来看，鲁纳乌和克维斯特[7]进一步强调，一旦考虑年际变化和极端事件，储能需求将更加明显[7]。总体而言，这些研究表明，长期天气变化是一个关键的建模因素，不仅影响系统配置，还影响运行性能[7]。然而，这类研究主要集中在储能需求、成本、可靠性或限电方面，而对技术经济-环境权衡的明确分析仍较少。

另一个重要的研究方向集中在混合能源系统配置中的技术、经济和环境目标之间的权衡[8-13]。现有研究表明，改善某一性能维度通常需要在其他维度上做出妥协。例如，张等人[8]研究了太阳能-风能-抽水蓄能（PHS）系统，发现增加风能和太阳能容量可以提高供电可靠性，但也会增加限电；而增加PHS则可以减少限电，但初始投资增加。同样，江等人[9]对基于水力的混合系统进行了全面的技术经济评估，发现随着太阳能容量的增加，净现值先上升后下降，表明进一步扩展的经济效益逐渐减弱[9]。王等人[10]进一步指出，允许一定程度的限电可以提高整体盈利能力，报告称2%的限电权限比严格无限电情况增加了14.9%的利润[10]。此外，乔切利等人[11]研究了包含波浪能的长期离网岛屿能源规划，并明确指出了储能效率与二氧化碳排放之间的权衡[11]。张等人[12]还报告称，较高的限电水平与较高的平准化电价（LCOE）相关，表明过度扩展可再生能源可能会因增加单位电力成本而削弱经济竞争力[12]。最近，阿尔哈比和扎基·迪亚布[13]使用多目标优化框架结合帕累托前沿分析，揭示了离网混合可再生能源系统中成本、可靠性和多余能量之间的权衡空间[13]。

基于这些发现，后续研究将技术经济评估扩展到更综合的技术经济-环境评估[14-16]。纳萨尔等人[14]采用多标准决策方法，综合考虑二氧化碳排放、LCOE、回报周期、净现值和供电损失概率（LPSP）来优化混合系统规模。贾韦德等人[15]开发了一种基于情景的离网可再生能源系统方法，发现技术目标之间的冲突比技术目标与环境目标之间的冲突更为强烈[15]。最近，阿尔胡伊·纳扎里等人[16]在真实气象和需求条件下综合考虑经济、环境和韧性相关标准，扩展了针对岛屿的混合系统评估[16]。罗伊等人[17]进一步将多标准决策与不确定性分析结合起来，用于离网岛屿系统，强调了在混合能源规划中考虑可靠性的重要性[17]。尽管这些研究确认了技术经济-环境权衡的存在，但关于这些权衡在长期天气变化下的结构变化及其在负荷不确定性下的稳定性仍缺乏足够的证据[17]。

如表1所示，仍存在三个主要问题：首先，大多数混合能源系统配置研究仍依赖单一年份的天气数据或相对较短的天气范围，限制了它们捕捉年际变化和天气驱动的配置偏差的能力；其次，即使同时考虑技术、经济和环境指标，这些指标之间的权衡结构也往往仅被部分讨论，放松技术约束的边际效应也很少被系统量化；第三，这些权衡在负荷不确定性下的稳定性尚未得到充分探讨。

为解决这些问题，本研究使用了西班牙埃尔希埃罗岛1980年至2024年的45年每小时天气数据（第3节详细说明），并采用了年度混合整数线性规划（MILP）模型来配置离网太阳能-风能-柴油-PHS系统。主要贡献包括：
- 量化了45年天气变化对离网混合能源系统年度最佳容量和系统性能的影响；
- 描述了技术、经济和环境目标之间的权衡，并确定了其非线性边际效应的主要驱动因素；
- 测试了这些权衡模式在负荷水平和负荷形状不确定性下的稳定性，并评估了储能扩展的成本-排放影响。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍方法和年度优化模型；第3节介绍案例研究和情景设计；第4节报告年际变化、权衡及其驱动因素、负荷不确定性下的稳定性以及储能扩展的影响；第5节总结全文。

**方法**
本节介绍了本研究中使用的基于优化的方法及整体研究框架（图1）。2.1节描述了离网混合系统的配置以及风能、太阳能、柴油发电机（DG）和PHS之间的能量流路径；2.2节将容量配置模型表述为MILP问题，包括LCOE最小化目标、系统能量平衡以及可靠性、限电和排放的约束。

**案例研究**
本节介绍了研究区域、主要数据来源及年度优化运行中使用的情景设计，旨在为评估年际变化、技术经济-环境权衡和负荷不确定性下的稳定性提供实证背景。

**结果与讨论**
本节首先探讨了年际天气变化如何影响年度规模配置和系统性能（第4.1节）；然后量化了不同技术约束下的技术经济-环境权衡，解释了其非线性边际效应背后的主要驱动因素（第4.2节）；评估了这些权衡模式在负荷不确定性下的稳定性（第4.3节）；最后评估了PHS扩展的成本-排放影响。

**结论**
本研究通过45次独立的年度MILP优化（1980–2024年）探讨了长期天气变化如何影响离网太阳能-风能-柴油-PHS混合能源系统的容量配置、技术经济-环境权衡以及储能扩展的成本-排放影响。主要结论如下：
- 年际变化显著影响年度最佳规模配置；在45次年度优化中，柴油容量相对稳定，而风能和太阳能容量则每年变化较大。

**作者贡献声明**
崔玉婷：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论研究、数据分析；雅库布·尤拉泽：撰写——审稿与编辑、验证、项目监督、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
雅库布·尤拉泽感谢国家科学中心（Narodowe Centrum Nauki）资助的项目（项目编号2022/47/B/ST8/01113）的支持，该项目名为“基于历史和气候变化预测数据量化可再生能源能量短缺的方法”。作者衷心感谢米哈尔·布迪什对手稿最终版本的细致校对和宝贵意见。

**关于手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT等AI工具。