呼如威 馮婧恒， 萬溧 劉誠鵬 溫琪琪 趙斌，

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

高海拔高寒地區(qū)風力資源與太陽能資源豐富，而生態(tài)環(huán)境脆弱，極其適合大力發(fā)展新能源。其中太陽能戶用系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于缺電甚至無電等地區(qū)，可有效克服高海拔高寒地區(qū)晝夜溫差大、空氣稀薄而引起的散熱、絕緣等問題的影響。光伏和風力發(fā)電技術(shù)既可以實現(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)運行，也可以與其它能源耦合構(gòu)成互補發(fā)電系統(tǒng)。由于風力強度變化的不可預(yù)測性以及太陽能發(fā)電對天氣和氣候變化的依賴性，因此將兩種可再生能源進行互補應(yīng)用可以有效地提高能源整體利用效率。風光互補發(fā)電系統(tǒng)因其良好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性已被廣泛使用［1-3］，但目前系統(tǒng)能源利用效率較低，設(shè)備安全性較低，因此進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。

1 互補系統(tǒng)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、風力發(fā)電機、儲能電池、控制器、逆變器以及負載組成，如圖1所示。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.1 發(fā)電系統(tǒng)

1.1.1 風力發(fā)電。風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能的過程。根據(jù)發(fā)電機類型可分為：感應(yīng)機和同步機；根據(jù)風輪轉(zhuǎn)軸方向可分為：水平軸風力渦輪機和垂直軸風力渦輪機［4］。

1.1.2 光伏發(fā)電。太陽能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能，其主要由太陽能電池板（光伏組件）、控制器和逆變器構(gòu)成。光生伏特效應(yīng)，即在PN結(jié)上因半導(dǎo)體吸收光能，在電場作用下導(dǎo)致光生電子和空穴對分離而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象［5］。

1.2 儲能系統(tǒng)

在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，電池組充當儲能系統(tǒng)來存儲風電和光伏發(fā)電電能，當風能和太陽能不足時，儲能系統(tǒng)將進行放電。常見的蓄電池可分為三類：鉛酸電池，堿性鎳電池和鐵鎳電池。鋰電池和鉛碳電池目前也很常見。其中，鉛酸電池由于成本低，安全性高，工藝改進而得到廣泛應(yīng)用［6］。電池充放電時，化學反應(yīng)方程式表示為：

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的樞紐。其中，控制器是保證電站正常運行的重要設(shè)備，其具有較完善的保護功能。目前，控制系統(tǒng)的主要控制功能包括最大功率跟蹤控制、負載跟蹤控制、電池充放電保護控制?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)外部環(huán)境等影響因素和內(nèi)部電量使用、儲備情況對系統(tǒng)進行合理的調(diào)節(jié)［7］。

1.4 逆變系統(tǒng)

逆變器在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中的主要功能是將儲能裝置中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。變頻器具有較完整的保護功能，并具有故障報警顯示功能。此外逆變器還起到穩(wěn)壓的作用，具有提高轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定工作狀態(tài)及減少輸出電能中高次諧波等優(yōu)點［8］。

2 應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

德國在風力發(fā)電技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，并計劃在2050年前達到全國發(fā)電總量的50%.日本、歐盟和美國是太陽能發(fā)電領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，其發(fā)電量約占全球的80%.在風光互補領(lǐng)域，美國學者提出了Hybrid2仿真軟件；印度學者提出迭代法優(yōu)化系統(tǒng)，模擬最佳容量比組合；希臘學者通過遺傳算法重新優(yōu)化配置了系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的能力，均對優(yōu)化做出了極大貢獻［9］。同時，國外學者也對風光互補儲能系統(tǒng)進行了深入研究，并取得了大量的研究成果。例如，加拿大薩斯喀徹溫大學的Roy BillintonR等人研究了其容量擴展，并論證了擴容的可行性；美國的D.B.Nelson等人研發(fā)了一套用于計算風光互補發(fā)電系統(tǒng)的獨立容量和設(shè)備數(shù)量的系統(tǒng)軟件［10］。

在中國，預(yù)計到2030年風力發(fā)電將占全國發(fā)電量的8.4%左右，光伏發(fā)電裝機容量將逐年增加。到2011年，累計裝機容量達到3.1GW，到2020年預(yù)計將達到500GW。對于光伏產(chǎn)業(yè)國家大力扶持，使得其成本逐步下降，預(yù)計到2020年光伏發(fā)電成本將會降低到與火電發(fā)電成本基本一致［11］。同時，風光互補發(fā)電和儲能系統(tǒng)也取得了一系列研究成果，如華南理工大學開發(fā)的風光互補發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了極端參數(shù)設(shè)計，如無刷雙饋電機和光伏逆變器，并采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略進行電壓調(diào)節(jié)，功率因數(shù)補償，諧波抑制和非線性負載問題進行了優(yōu)化。合肥工業(yè)大學開發(fā)了一套風光互補的分布式發(fā)電系統(tǒng)，可優(yōu)化負荷，風機和光伏組件成本設(shè)計［12］。

西藏在風能利用方面發(fā)展較早。至1983年，那曲地區(qū)共引進35臺風力發(fā)電機組。1986年日喀則地區(qū)引進了72臺風力發(fā)電機組，1985年，山南地區(qū)措美縣引進了102臺風機；1990年阿里地區(qū)總共引進了10臺風機。在“九五”期間，那曲地區(qū)建成并投入使用的4千瓦風光互補發(fā)電站；2002年，西藏實施“送電到鄉(xiāng)”工程，在那曲共建設(shè)10座風光互補發(fā)電站。目前，100-1000瓦風力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)成熟，那曲地區(qū)太陽能互補發(fā)電的應(yīng)用較多［13］。

2.2 存在問題

對于已建的高海拔高寒地區(qū)風光互補電站中均采用水平軸風力機，其不僅需要對風裝置，且發(fā)電機組放置于塔架頂端，存在系統(tǒng)復(fù)雜，葉片易斷裂及維修成本高等缺點。

西藏大部分地區(qū)利用風能資源，年平均有效風能密度可達130-200 W/m2，年有效風力小時數(shù)高達4000小時以上，年平均大風日多達100-150天，最多可達200天，比同緯度中國東部地區(qū)（5-25天）高3-4倍［14］。由于高海拔地形地勢變化較大，局部區(qū)域風向變化較頻繁，如果安裝水平軸風力機，需要經(jīng)常換向偏航，會直接導(dǎo)致輸出功率降低。

圖2 安多地區(qū)風向玫瑰圖

圖2所示是安多地區(qū)風向玫瑰圖，從圖2可以看出，各個風向比例較均勻，主導(dǎo)風向不明顯。因此，風向不穩(wěn)定是高原地區(qū)風能利用的重要影響因素。

在屋頂或狹窄位置以及風向多變的復(fù)雜環(huán)境中，由于垂直軸風力機對風向變化的不敏感性，更突顯出其優(yōu)越性，高原地區(qū)風向的不穩(wěn)定性，有利于中小型垂直軸風力機的推廣應(yīng)用。

空氣密度由于海拔的上升而減小，在相同的風速條件下，風能密度隨海拔的上升同樣減小，因此風力機輸出功率隨海拔的上升而降低。在高海拔高寒地區(qū)紫外線強、輻射大，太陽能集熱器的吸熱涂層以及光伏組件的背板易受到破壞，電氣元件老化加速。由于高原氣候的影響、晝夜溫差大，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（如支架、管路等）熱脹冷縮產(chǎn)生巨大機械應(yīng)變，易遭到損壞，因此需選取合適的蓄能方式。

3 設(shè)計優(yōu)化

風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化主要指能量管理、系統(tǒng)配置、協(xié)同控制及負荷匹配等的優(yōu)化。

3.1 能量管理

高海拔地區(qū)蓄電池組物理和化學活性的削弱導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率降低，使用壽命縮短等問題，探討高海拔地區(qū)儲能蓄電池組的能量管理優(yōu)化方法。

陳玄一［15］提出了一種基于多元自適應(yīng)回歸樣條算法的蓄電池剩余容量估算模型，對能量管理系統(tǒng)采用模糊控制理論進行設(shè)計；使用MATLAB制作仿真控制表，根據(jù)風光互補特性，對其容量配置進行數(shù)學優(yōu)化，并利用HOMER軟件對新舊優(yōu)化模型進行比較；最后制作控制器硬件，編程軟件，調(diào)試控制器和驗證模糊控制策略的可行性。該方法能準確估計電池的剩余容量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能源利用效率。

張計科［16］提出采用風電優(yōu)先、光電次之、蓄電池輔助的能量分配原則與功率供需動態(tài)平衡的能量優(yōu)化管理機制，提出功率協(xié)調(diào)控制策略。采用MPPT或LPTC算法在功率外環(huán)產(chǎn)生最佳功率點電壓，在電壓內(nèi)環(huán)實現(xiàn)最佳功率點電壓的快速、自動、無差跟蹤，實現(xiàn)LPTC和MPPT算法之間的平滑切換。該方法的優(yōu)點是根據(jù)各系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式控制及能量優(yōu)化管理，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作狀態(tài)。

韋學輝［17］提出了多目標差分進化算法的改進研究，引入?yún)?shù)自適應(yīng)方法、混沌初值理論和線性加權(quán)和方法以達到改進的效果。并對電源經(jīng)濟性和可靠性容量配置進行研究，進行IMOEA/D的微源容量配置優(yōu)化，與其他算法進行比較，得出電源容量優(yōu)化配置組合。為提高能源利用效率，采用光伏電源和風力發(fā)電機變步爬山法的MPPT仿真模型和電池的恒壓充放電能量控制模型。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)的經(jīng)濟成本達到最小，優(yōu)化電源的容量配置，改良蓄電池的控制方法。

3.2 系統(tǒng)配置

由于電子和電氣部件受溫度，濕度和空氣密度的影響很大，因此可能會被拒絕使用或處理不當，并且在高海拔和寒冷地區(qū)使用時，其絕緣性能和容量可能會降低。由此探討高海拔高寒地區(qū)風光互補電站設(shè)備選型的匹配規(guī)律。

劉天曉［18］提出構(gòu)建風電、光伏及蓄電池電源的數(shù)學模型；著眼于輸出能力與氣候變化的耦合關(guān)系，定量關(guān)系建立風光互補系統(tǒng)的仿真模塊，在研究風光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)多目標優(yōu)化匹配方法時采用基于交叉遺傳的粒子群算法（Breed PSO），建立系統(tǒng)的優(yōu)化模型。優(yōu)化匹配算法使用MATLAB軟件，分析系統(tǒng)優(yōu)化配置容量及成本，與單獨的光伏或風能設(shè)備進行比較，得出風光互補發(fā)電系統(tǒng)有極大改善。

常新［19］提出了PV和風電并用時的輸出功率相關(guān)性。采用最小二乘法計算風電的概率密度函數(shù)，用均值和方差估計的方法得到光電功率的概率密度函數(shù)。然后用Copula函數(shù)計算兩代的聯(lián)合概率密度;以負載損失率為約束條件，系統(tǒng)運行成本為目標建立優(yōu)化配置模型；采用遺傳算法對優(yōu)化配置的模型進行計算，通過具體數(shù)據(jù)與模型優(yōu)化數(shù)據(jù)進行比較，容量配置方案能在滿足負載能量需求的同時，降低成本。

于文英等［20］提出通過建立函數(shù)模型，模型以經(jīng)濟性指標LCE，功率的最大化指標Poutmax和系統(tǒng)可靠性指標LPSP為目標來進行系統(tǒng)優(yōu)化。并針對適應(yīng)度值標定和種群多樣化兩方面對遺傳算法進行改進，由此得到更優(yōu)化的配置。此方法的優(yōu)點是可以確定合適的風力機、PV組件和蓄電池的類型數(shù)量，改進遺傳算法可以獲得更高的全局收斂能力和搜索效率。

3.3 協(xié)同控制

針對能源系統(tǒng)在運行過程中的能量產(chǎn)生、儲備及傳輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)節(jié)，進行高寒高海拔地區(qū)風光互補發(fā)電和儲能系統(tǒng)的協(xié)同特性研究，探討高寒高海拔地區(qū)風光互補儲能系統(tǒng)協(xié)同控制的耦合規(guī)律。

CSU大學和NREL［21］合作開發(fā)了Hybrid2應(yīng)用軟件。根據(jù)聯(lián)合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，負荷特性，風速，太陽輻射等安裝現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得到8760h年的仿真結(jié)果。該仿真軟件可以非常精確地模擬風力-光學混合動力系統(tǒng)。

梅宏琛［22］對風光互補系統(tǒng)的各個模塊進行了仿真，對系統(tǒng)的光伏和風力發(fā)電的最大功率跟蹤進行了基于拓撲結(jié)構(gòu)的仿真，對比了幾種常用方法的特點，并對改進算法進行了驗證和比較，該算法比原有的控制方法更能提高動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

許慧怡［23］設(shè)計了一種風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可以基于多模式分析方法，通過氣象因素手動或自動改變供電方式。該系統(tǒng)共有4種工作模式，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，能夠滿足用戶的電力需求。該系統(tǒng)還可以最大程度地保護電池壽命。

3.4 負荷匹配

風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常會出現(xiàn)“大馬拉車”或“小馬拉車”的現(xiàn)象，高功率風光互補發(fā)電站的發(fā)電負荷匹配設(shè)計研究，探討高海拔高寒地區(qū)風光互補電站與負載的匹配性耦合規(guī)律，意義重大。

艾斌等［24］提出了一種以CAD（計算機輔助設(shè)計）設(shè)計方法來優(yōu)化配置。計算由光伏陣列和不同容量的電池組成的風-光-儲年度電力供應(yīng)折舊率（LPSP），該組合與風力發(fā)電機組的容量相匹配。根據(jù)最小化總投資成本的原則，選擇與滿足用戶給定系統(tǒng)LPSP值的可靠性的風力渦輪機容量相對應(yīng)的一組風光儲電組合;通過改變風機容量，不同容量的風機數(shù)量得到優(yōu)化，以滿足用戶的電力需求。同時，總設(shè)備購買成本組合是最低的。

R.Dufo Lz［25］用C語言開發(fā)了一個用于輕風，光電柴油和其他互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化系統(tǒng)。薩拉戈薩的輕型/柴油混合動力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化，并與補充優(yōu)化系統(tǒng)HOMER進行了比較。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)負載和照明條件來確定太陽能組件，電池和柴油發(fā)動機的容量。并且可以找到電池的最佳充電狀態(tài)，以最小的成本獲得系統(tǒng)的最大輸出功率。

4 結(jié)論

太陽能和風能雖然取之不盡，但單獨使用效率卻偏低。首先在高海拔高寒地區(qū)采用垂直軸風力機，提高系統(tǒng)安全性；其次從能量管理角度入手優(yōu)化系統(tǒng)，通過回歸樣條算法對蓄電池剩余容量進行估算或采用動態(tài)平衡的能量優(yōu)化管理機制等方法對能量進行優(yōu)化。

系統(tǒng)配置采用基于交叉遺傳的粒子群算法或遺傳算法等進行仿真模擬，得到優(yōu)化的系統(tǒng)配置模型，即可降低成本，提高效率。

采用非線性優(yōu)化的方法或建立函數(shù)模型從最優(yōu)控制策略和功率最大化方面對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)的能源利用效率最大化。