離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)匹配程序設(shè)計(jì)

■ 李冬梅 劉志強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院；2.華潤電力風(fēng)能內(nèi)蒙古巴音錫勒有限公司)

0 引言

單純的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電量與用戶負(fù)荷的不平衡。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電綜合了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[1]，太陽能與風(fēng)能在時間上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可彌補(bǔ)單純的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷[2]。這種互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，使系統(tǒng)的發(fā)電量更加均衡、穩(wěn)定。同時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光電系統(tǒng)的蓄能裝置和逆變器環(huán)節(jié)又可通用，所以可以降低風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價，系統(tǒng)成本趨于合理。對于離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，由于在蓄能時使用的是蓄電池，準(zhǔn)確合理的匹配設(shè)計(jì)更為重要，這樣可以保證蓄電池工作在盡可能理想的條件下，最大限度地延長蓄電池的使用壽命。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

本文進(jìn)行離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時采用的設(shè)計(jì)思想是：以風(fēng)力供電為主，光伏發(fā)電作為補(bǔ)充；發(fā)電系統(tǒng)全年最差月的發(fā)電量要滿足用戶用電虧欠率的要求，且成本能達(dá)到最低。

根據(jù)該設(shè)計(jì)思想，從以下幾個步驟進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1)首先根據(jù)安裝地區(qū)的風(fēng)能資源情況，初選風(fēng)力機(jī)型號；

2)根據(jù)風(fēng)力機(jī)的輸出特性曲線建立風(fēng)力機(jī)輸出功率的擬合曲線方程；

3)計(jì)算出光伏板板面各月能獲得的最大月平均日輻射強(qiáng)度，以及相應(yīng)的最佳安裝傾角；

4)由負(fù)載用電量和風(fēng)力機(jī)發(fā)電量計(jì)算出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各月的虧電量及各月所需光伏陣列的容量，從中選出最大光伏陣列容量作為該系統(tǒng)需匹配的光伏陣列容量，其對應(yīng)的最佳安裝傾角即為光伏陣列最適合的安裝角[3](光伏陣列以固定角安裝)；

5)通過改變風(fēng)力機(jī)的容量，由程序篩選出一系列與不同容量的風(fēng)力機(jī)相匹配的風(fēng)/光/蓄組合；

6)根據(jù)系統(tǒng)供電虧欠率要求和不同的風(fēng)/光/蓄組合的度電成本，選出度電成本最低的一組系統(tǒng)配置，該配置即為系統(tǒng)供電虧欠率下的最優(yōu)化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化程序的設(shè)計(jì)

本文使用Matlab軟件進(jìn)行了優(yōu)化程序的設(shè)計(jì)，并為方便用戶使用，設(shè)計(jì)了中文化的參數(shù)控制界面，界面設(shè)置如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

空白編輯框的部分需要手動輸入?yún)?shù)，“import data”的部分可進(jìn)行參數(shù)導(dǎo)入，導(dǎo)入?yún)?shù)的格式可為excel格式、txt文檔格式或dat格式。當(dāng)風(fēng)力機(jī)特性參數(shù)和水平面總輻射參數(shù)被導(dǎo)入后，即在界面的右下方自動生成風(fēng)力機(jī)特性曲線圖和月平均太陽輻射強(qiáng)度的曲線圖。

當(dāng)空白的編輯框中有參數(shù)漏輸入或參數(shù)類型輸入錯誤時，錯誤處將會被高亮顯示，且有“輸入有誤，已以高亮顯示請查閱！”的提示；當(dāng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)錯誤時，“import data”將會變?yōu)椤癴alse”的提示，且該按鈕也將會用高亮顯示；當(dāng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)正確時，“import data”將會變?yōu)椤皊ucess”，且按鈕的顏色從藍(lán)色變?yōu)辄S色，如圖2所示。

當(dāng)錯誤的參數(shù)被更正后，點(diǎn)擊保存退出，將出現(xiàn)“參數(shù)輸入結(jié)束，是否退出面板程序”的提示，點(diǎn)擊“確定”，可將設(shè)定的參數(shù)存在任意路徑下，程序?qū)脑撀窂较伦x取數(shù)據(jù)并自動進(jìn)行計(jì)算。如果點(diǎn)擊“取消”則繼續(xù)停留在參數(shù)設(shè)定界面，如圖3所示。也可點(diǎn)擊“清空”，重新設(shè)置參數(shù)；若點(diǎn)擊“撤銷退出”，程序?qū)凑罩霸O(shè)定值自動進(jìn)行。

當(dāng)程序運(yùn)行完后，會出現(xiàn)“計(jì)算完畢”的提示，計(jì)算結(jié)果以excel格式保存到指定路徑下。

圖2 參數(shù)設(shè)置錯誤時的界面

圖3 參數(shù)設(shè)置正確時的提示

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化匹配的實(shí)例分析

為了更好地說明本文在進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時所使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及本文優(yōu)化程序的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)用一實(shí)例進(jìn)行說明。

假定為達(dá)旗一所鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院安裝1套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為醫(yī)院的補(bǔ)充電源，該醫(yī)院每天用電情況如表1所示。

用電設(shè)備最高峰的功率為2 kW，日平均用電量為23 kWh/天；使用交流電源，且一年中的累計(jì)停電天數(shù)不得超過7天(即全年系統(tǒng)供電虧欠率LPSP≤0.02)。根據(jù)達(dá)旗的氣象數(shù)據(jù)資料，該地在8月的月平均風(fēng)速最低，太陽能資源匱乏，且8月份時該地最大連續(xù)陰雨天時間為5天。為保證系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，需考慮用蓄電池蓄電供系統(tǒng)陰雨天時用電。在進(jìn)行蓄電池的容量設(shè)計(jì)時，應(yīng)以8月份的最大連續(xù)陰雨天數(shù)5天作為蓄電池的自給天數(shù)。

表1 醫(yī)院用電量表

根據(jù)醫(yī)院允許的發(fā)電系統(tǒng)供給虧欠率及發(fā)電成本，選擇風(fēng)力機(jī)、光伏板、蓄電池及控制器和逆變器的特性參數(shù)，由優(yōu)化程序計(jì)算出不同的風(fēng)/光/蓄容量組合(風(fēng)力機(jī)的臺數(shù)、光伏板串并聯(lián)數(shù)、蓄電池串并聯(lián)數(shù))、全年發(fā)電量、系統(tǒng)供給虧欠率LPSP、度電成本。為說明風(fēng)力機(jī)的不同選型和光伏板的不同安裝傾角對系統(tǒng)容量匹配的影響，本文使用優(yōu)化程序計(jì)算出兩種不同型號相同額定功率的風(fēng)力機(jī)全年發(fā)電量情況，以及在不同安裝傾角下的光伏板全年發(fā)電量；并重點(diǎn)分析風(fēng)力機(jī)、光伏板和蓄電池3者之間的容量匹配關(guān)系，以及兩者容量的匹配關(guān)系。最后根據(jù)用戶給定的系統(tǒng)供電虧欠率要求篩選出滿足供電可靠性要求的一組風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置。

系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)結(jié)果：HY-1500型風(fēng)力機(jī)臺數(shù)k=2；SQ200型光伏板數(shù)NPV=40；蓄電池?cái)?shù)Nbat.=72；度電成本為2.06元/kWh；滿足全年系統(tǒng)供電虧欠率LPSP≤0.02的要求。

此系統(tǒng)配置中，光伏陣列的安裝傾角為18°，在此安裝傾角下能保證光伏陣列與風(fēng)力機(jī)全年各月月平均發(fā)電量有更好的互補(bǔ)性，從而減少對蓄電池的需求量。

由表2可看出，為保證全年系統(tǒng)供電虧欠率LPSP≤0.02的要求，當(dāng)風(fēng)力機(jī)數(shù)量不變，光伏板減少就需要增加蓄電池的數(shù)量；當(dāng)蓄電池?cái)?shù)量不變，光伏板減少就需要增加風(fēng)力機(jī)的數(shù)量。當(dāng)蓄電池的數(shù)量增加時，系統(tǒng)盈余電量減少；而當(dāng)風(fēng)力機(jī)數(shù)量增加時，系統(tǒng)盈余電量增加。由于本案例是離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)中所采用的蓄電池是4年使用壽命的鉛酸蓄電池，過多使用蓄電池雖能使系統(tǒng)的盈余電量降低，但同時也會使發(fā)電系統(tǒng)的度電成本上升。

表2 系統(tǒng)配置大小及系統(tǒng)每月的性能

此外，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的變化呈3次方變化。由于風(fēng)能分布的不均勻性和隨意性較大時，會使每個月風(fēng)力機(jī)的發(fā)電量出現(xiàn)大幅度波動，為滿足風(fēng)能和太陽能資源最差月的用電需求，在其他月份不可避免地會產(chǎn)生盈余電量。如圖4所示，系統(tǒng)為滿足8月份的用電需求，在3～6月和10～12月產(chǎn)生了大量盈余電量，這是由于風(fēng)能資源的不平衡導(dǎo)致的。本程序通過選擇合理的風(fēng)力機(jī)、光伏陣列及蓄電池的容量組合，使整個系統(tǒng)的盈余電量較少，成本最低。

圖4 系統(tǒng)供電量與用電量之間的關(guān)系

4 結(jié)論

本程序的設(shè)計(jì)充分利用了風(fēng)光資源在時間分布上所呈現(xiàn)出的一定互補(bǔ)性，以及各設(shè)備變化對發(fā)電量和度電成本的影響，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能最大程度地利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能和太陽能資源，滿足系統(tǒng)用電量要求，并降低系統(tǒng)成本。此外，本優(yōu)化程序的漢字化圖形界面，使其更便于操作和使用。

[1] 李爽. 風(fēng)/光互補(bǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 北京: 中國科學(xué)院電工研究所, 2001.

[2] 羅運(yùn)俊, 何梓平, 王長貴, 等. 太陽能利用技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005: 7－20.

[3] 楊金煥, 毛家俊. 不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計(jì)算[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 36(7): 1032－1036.

[4] 肖毅. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2001.