■ 李冬梅 劉志強

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

0 引言

單純的風力發(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致系統(tǒng)發(fā)電量與用戶負荷的不平衡。風光互補發(fā)電綜合了光伏發(fā)電和風力發(fā)電兩種技術(shù)的優(yōu)點[1]，太陽能與風能在時間上有很強的互補性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)可彌補單純的風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷[2]。這種互補性使風光互補發(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，所以可以降低風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價，系統(tǒng)成本趨于合理。對于離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)，由于在蓄能時使用的是蓄電池，準確合理的匹配設(shè)計更為重要，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 風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計原理

本文進行離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時采用的設(shè)計思想是：以風力供電為主，光伏發(fā)電作為補充；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，且成本能達到最低。

根據(jù)該設(shè)計思想，從以下幾個步驟進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計：

1)首先根據(jù)安裝地區(qū)的風能資源情況，初選風力機型號；

2)根據(jù)風力機的輸出特性曲線建立風力機輸出功率的擬合曲線方程；

3)計算出光伏板板面各月能獲得的最大月平均日輻射強度，以及相應的最佳安裝傾角；

4)由負載用電量和風力機發(fā)電量計算出風光互補發(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)通過改變風力機的容量，由程序篩選出一系列與不同容量的風力機相匹配的風/光/蓄組合；

6)根據(jù)系統(tǒng)供電虧欠率要求和不同的風/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)化的風光互補發(fā)電系統(tǒng)配置。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化程序的設(shè)計

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

圖1 風光互補發(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”的部分可進行參數(shù)導入，導入?yún)?shù)的格式可為excel格式、txt文檔格式或dat格式。當風力機特性參數(shù)和水平面總輻射參數(shù)被導入后，即在界面的右下方自動生成風力機特性曲線圖和月平均太陽輻射強度的曲線圖。

當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；當導入數(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；當導入數(shù)據(jù)正確時，“import data”將會變?yōu)椤皊ucess”，且按鈕的顏色從藍色變?yōu)辄S色，如圖2所示。

當錯誤的參數(shù)被更正后，點擊保存退出，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)并自動進行計算。如果點擊“取消”則繼續(xù)停留在參數(shù)設(shè)定界面，如圖3所示。也可點擊“清空”，重新設(shè)置參數(shù)；若點擊“撤銷退出”，程序?qū)凑罩霸O(shè)定值自動進行。

當程序運行完后，會出現(xiàn)“計算完畢”的提示，計算結(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 風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化匹配的實例分析

為了更好地說明本文在進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時所使用的優(yōu)化設(shè)計方法及本文優(yōu)化程序的設(shè)計思想，現(xiàn)用一實例進行說明。

假定為達旗一所鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院安裝1套風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為醫(yī)院的補充電源，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)達旗的氣象數(shù)據(jù)資料，該地在8月的月平均風速最低，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。在進行蓄電池的容量設(shè)計時，應以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，選擇風力機、光伏板、蓄電池及控制器和逆變器的特性參數(shù)，由優(yōu)化程序計算出不同的風/光/蓄容量組合(風力機的臺數(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。為說明風力機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)化程序計算出兩種不同型號相同額定功率的風力機全年發(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；并重點分析風力機、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光互補發(fā)電系統(tǒng)配置。

系統(tǒng)匹配設(shè)計結(jié)果：HY-1500型風力機臺數(shù)k=2；SQ200型光伏板數(shù)NPV=40；蓄電池數(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力機全年各月月平均發(fā)電量有更好的互補性，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，當風力機數(shù)量不變，光伏板減少就需要增加蓄電池的數(shù)量；當蓄電池數(shù)量不變，光伏板減少就需要增加風力機的數(shù)量。當蓄電池的數(shù)量增加時，系統(tǒng)盈余電量減少；而當風力機數(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，風力機的輸出功率隨風速的變化呈3次方變化。由于風能分布的不均勻性和隨意性較大時，會使每個月風力機的發(fā)電量出現(xiàn)大幅度波動，為滿足風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，這是由于風能資源的不平衡導致的。本程序通過選擇合理的風力機、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)計充分利用了風光資源在時間分布上所呈現(xiàn)出的一定互補性，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)計的系統(tǒng)能最大程度地利用當?shù)仫L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/光互補混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[D]. 北京: 中國科學院電工研究所, 2001.

[2] 羅運俊, 何梓平, 王長貴, 等. 太陽能利用技術(shù)[M]. 北京:化學工業(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算[J]. 上海交通大學學報, 2002, 36(7): 1032－1036.

[4] 肖毅. 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D]. 西安: 西安交通大學, 2001.