基于Hybrid2仿真的風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

徐路，馮平，易斌，黎武，李九林

（后勤工程學(xué)院機(jī)械電氣工程系，重慶 401311）

隨著人類對(duì)于煤、石油等化石燃料的過渡開采和消耗，能源危機(jī)目前已經(jīng)成為全球各國共同面對(duì)的一大難題。另外，在遠(yuǎn)離供電網(wǎng)絡(luò)的海島、高原、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于人煙稀少、輸電成本高，風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)是目前經(jīng)常使用的獨(dú)立電源發(fā)電系統(tǒng)之一，而且是這些地區(qū)的首要供電方式[1]。采用風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)可以有效地利用風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)來減少發(fā)電成本、降低柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗及其對(duì)環(huán)境污染的影響，也因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、提水凈化、海水淡化等工程應(yīng)用中大量應(yīng)用[2]。

典型的風(fēng)光柴蓄發(fā)電系統(tǒng)主要包括：風(fēng)能發(fā)電機(jī)、太陽能光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能元件、電力變換裝置和負(fù)載等6個(gè)部分。最早的風(fēng)光柴蓄系統(tǒng)是丹麥學(xué)者N.E.Busch和Kllenbach將風(fēng)機(jī)和光伏系統(tǒng)簡單組合后的產(chǎn)物[3]，隨后，美國、俄羅斯和中國等國研究人員的加入使風(fēng)光柴蓄系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了實(shí)用階段[4-5]。

1 風(fēng)光柴蓄發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光柴蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化離不開專業(yè)軟件的應(yīng)用，目前主流的仿真軟件是美國Colorado State University和NREL（可再生能源實(shí)驗(yàn)室）共同開發(fā)的Hybrid2和Homer仿真軟件[6-8]。國內(nèi)在該方向上的研究以中科院電工研究所和幾所大學(xué)為主，如內(nèi)蒙古大學(xué)的小戶型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和合肥工業(yè)大學(xué)的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)智能控制[9-12]。

Hybrid2仿真軟件是在1996年6月由美國能源部支持，可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）采用常用的Visual Basic語言編寫的一款既使用靈活又易學(xué)方便的計(jì)算機(jī)軟件，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員長期預(yù)測和評(píng)估某個(gè)混合電源系統(tǒng)的各種性能。它既可以進(jìn)行性能仿真，又可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真。

該軟件建模所需條件包括：Loads Module（負(fù)載模型）、Site/Resource Module（地區(qū)/資源模型）和Power System Module（電力系統(tǒng)模型）。軟件要求先設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)間步長，再利用文本文件導(dǎo)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。對(duì)于仿真出的結(jié)果，用戶既可以在軟件上觀察、分析以時(shí)間序列為基礎(chǔ)的曲線圖，也可以分析軟件輸出的一個(gè)總結(jié)性的文本文件[13-16]。

1.1 氣候數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文仿真的系統(tǒng)位于西藏日喀則地區(qū)崗巴縣（東經(jīng)88°北緯28°）境內(nèi)。當(dāng)?shù)厝照粘渥?，風(fēng)速也較大，駐地遠(yuǎn)離市縣行政村落，電網(wǎng)接入困難，故利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)解決用電難題。

利用Hybrid2軟件進(jìn)行仿真前，首先需得到當(dāng)?shù)氐娜曛饡r(shí)風(fēng)速、日照輻射量和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。由于沒有崗巴縣的具體逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，本文利用文獻(xiàn)[12]中的拉薩地區(qū)數(shù)據(jù)。拉薩和崗巴處于同一緯度，日照輻射量接近。根據(jù)連隊(duì)駐地風(fēng)速觀測經(jīng)驗(yàn)，年平均風(fēng)速在5 m/s左右。利用Hybrid2導(dǎo)入逐時(shí)數(shù)據(jù)，如圖1—圖3所示。

圖1 崗巴地區(qū)風(fēng)速逐時(shí)數(shù)據(jù)Fig. 1 The hourly data of wind speed in Gamba region

圖2 崗巴地區(qū)太陽能輻射量逐時(shí)數(shù)據(jù)Fig. 2 The hourly data of solar radiation in Gamba region

1.2 系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)

根據(jù)駐地單位用電設(shè)備及使用規(guī)律，其主要負(fù)荷包括：機(jī)要、通信、制氧設(shè)備共計(jì)3.6 kW（需每天24 h不間斷供電）、辦公照明設(shè)備用電10 kW（持續(xù)用電時(shí)間累積約8 h）、廚房操作間提水保溫等設(shè)備用電10 kW（持續(xù)用電時(shí)間累積約8 h）。除此之外，在10月至來年4月期間，用戶啟用太陽能熱水集中供暖系統(tǒng)，其中循環(huán)泵等設(shè)備為13 kW，累積用電時(shí)間約為6 h。為降低仿真代價(jià)，將夏季（5—9月）典型日負(fù)荷曲線與冬季（10-次年4月）典型日負(fù)荷曲線周期循環(huán)后的時(shí)間序列值，作為Hybrid仿真所需的全年8 760逐時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)（如圖4、圖5所示），其負(fù)荷最大值為23.6 kW，最小值為3.6 kW，年平均值為11.9 kW。

圖3 崗巴地區(qū)環(huán)境溫度逐時(shí)數(shù)據(jù)Fig. 3 The hourly data of environmental temperature in Gamba region

圖4 夏季日負(fù)荷曲線Fig. 4 The daily load curve in summer

圖5 冬季日負(fù)荷曲線Fig. 5 The daily load curve in winter

1.3 系統(tǒng)蓄電池的容量計(jì)算

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用軟件中型號(hào)為6 V，350 A·h的蓄電池，串聯(lián)40個(gè)做成240 V。蓄電池容量公式為[13]：

式中，Ld是平均每天消耗電能；Df為連續(xù)陰雨天數(shù)，令其為3；L為蓄電池的衰減率，通常為0.8；Vb為每單個(gè)蓄電池放電終止電壓，6 V等級(jí)的取5.55 V；DOD為蓄電池放電深度，取0.65。

經(jīng)計(jì)算，選定儲(chǔ)能元件為總?cè)萘繛? 352 kW·h的蓄電池（40串聯(lián)×28并聯(lián)）。

2 Hybrid2仿真計(jì)算與優(yōu)化分析

本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為北京博力風(fēng)機(jī)公司生產(chǎn)的EXCEL-R型號(hào)、額定功率為10 kW的風(fēng)機(jī)，美國康明斯電力的25 kW柴油機(jī)。另外利用軟件中的48 W的太陽電池組件和40 kW逆變器。仿真步長設(shè)置為60 min，持續(xù)時(shí)間為8 760 h（1 a）。

圖6 風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 The structure of the wind-solar-diesel-batterypower generation system

為比較不同容量風(fēng)機(jī)、光伏陣列組合方案的系統(tǒng)性價(jià)比、供電可靠性，設(shè)計(jì)9種不同組合下的風(fēng)光柴蓄互補(bǔ)系統(tǒng)方案（風(fēng)柴蓄和光柴蓄）。為對(duì)比風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)組供電保障方式的性價(jià)比，將柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)作為參考模型（方案1）。

仿真結(jié)果從以下5個(gè)參數(shù)加以對(duì)比：

1）系統(tǒng)發(fā)電量的利用效率Rc=實(shí)際供給負(fù)載消耗的電量/系統(tǒng)總體發(fā)電量。

2）可再生能源的所占比重Rf=（光伏+風(fēng)能總發(fā)電量）/系統(tǒng)總體發(fā)電量。

3）柴油機(jī)每年耗油量Dl。

4）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)節(jié)省的柴油百分比Ds。

5）系統(tǒng)多余電量百分比De。

由表1可知，方案1表示負(fù)載完全由柴油機(jī)全年供給，消耗柴油約49 000 L。方案2至方案6隨著風(fēng)能系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定功率增加，系統(tǒng)耗油量減少，可再生能源發(fā)電量的比重從17%逐漸上升至66.6%。由于存在經(jīng)濟(jì)效益等問題，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定功率不可能無限增大。為充分發(fā)揮風(fēng)光互補(bǔ)性能，在風(fēng)柴蓄系統(tǒng)Ds超過50%時(shí)，應(yīng)該增大光伏發(fā)電比重。因此將風(fēng)機(jī)功率40 kW和50 kW作為風(fēng)光復(fù)合系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，光柴蓄系統(tǒng)隨著光伏電池?cái)?shù)增加，系統(tǒng)的耗油量也相應(yīng)減少，可再生能源發(fā)電量比重很快上升至50%以上。與表1相同，將Ds超過50%時(shí)，32.4 kW和36 kW作為有效數(shù)據(jù)。

依據(jù)表1和表2的結(jié)論，進(jìn)行了4種典型風(fēng)光柴蓄復(fù)合系統(tǒng)的建模和仿真。從表3數(shù)據(jù)中可以明顯看出，4種方案都明顯達(dá)到風(fēng)光復(fù)合系統(tǒng)的理論效果，且Ds的值都在98%以上，而且可再生能源發(fā)電量的比重也達(dá)到了75%，極大地節(jié)省了柴油的消耗?？紤]到系統(tǒng)初始成本和De能源浪費(fèi)問題，光伏32.4 kW+風(fēng)機(jī)40 kW（10號(hào)方案）是最優(yōu)方案，進(jìn)一步得到功率輸出，如圖7、圖8所示。

表1 風(fēng)柴蓄發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab. 1 The simulation results of the wind-diesel-battery power generation system

表2 光柴蓄發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab. 2 The simulation results of the solar-diesel-battery power generation system

表3 風(fēng)光柴蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab. 3 The simulation results of the wind-solar-diesel-battery hybrid power generation system

圖7 系統(tǒng)光伏陣列年輸出功率Fig. 7 The PV array annual output power of the system

圖8 系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率Fig. 8 The wind generator power of the system

3 結(jié)語

通過仿真可知，風(fēng)光柴蓄發(fā)電系統(tǒng)可滿足駐地單位用電需求；增大風(fēng)機(jī)功率或者光伏功率，可進(jìn)一步減少柴油消耗。系統(tǒng)整體性價(jià)比仍需考慮光伏陣列、儲(chǔ)能元件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的初期投入等因素[15-16]。因此，需要根據(jù)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)化方案。本文仿真結(jié)果表明10號(hào)方案性價(jià)比較高。

利用Hybrid2對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿對(duì)于優(yōu)化風(fēng)光柴蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)具體方案具有明顯的指導(dǎo)意義。同時(shí)也可以利用該軟件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能分析。為使仿真更加精確，首先需得到當(dāng)?shù)販?zhǔn)確氣候數(shù)據(jù)。其次，高海拔地區(qū)空氣密度低、風(fēng)機(jī)出力數(shù)據(jù)需加以修正，這些需要在下一步的研究中加以考慮。

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