徐 爽

銀川能源學院，寧夏 銀川 750021

0 引言

隨著地球環(huán)境的逐步惡劣和全球國家工業(yè)發(fā)展進程的穩(wěn)步推進，能源利用問題、工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展問題和環(huán)境保護問題已成為當前世界上所面臨的重要問題，引起了社會各界人士的廣泛關注和熱烈討論。風能和太陽能是地球上蘊含能量值豐富且取之不盡、用之不竭的天然清潔能源，更重要的是對周圍環(huán)境無污染。將風能和太陽能資源進行高效率結(jié)合，既能彌補風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電在各自發(fā)電過程和發(fā)電工藝上存在的問題，保障供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，又能大幅降低我國風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的綜合成本，因此風光互補發(fā)電技術應運而生。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外關于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關研究最早可追溯至19世紀80年代初期，丹麥學者Buchand等[1]初步提出了綜合利用太陽能和風能的建設構(gòu)想，但受制于當時的理論環(huán)境和現(xiàn)實條件，并未形成較為完整的系統(tǒng)設計方案，也并未根據(jù)該設想形成較為完整的理論文字綜述。直到1983年，瑞典學者Akerlund[2]提出風光互補發(fā)電系統(tǒng)建設以解決偏僻地段電能供應問題的實施計劃，風能資源利用和太陽能資源利用以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電能供應才得到了足夠重視，成為初具規(guī)模的清潔型發(fā)電方案。該學者引入了數(shù)字化的控制器，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸電水平、電壓、電流、功率參數(shù)等進行優(yōu)化和調(diào)節(jié)，使風光互補發(fā)電技術真正能夠落到實處。該系統(tǒng)的成功研制，直接標志著全球范圍內(nèi)風光互補發(fā)電系統(tǒng)重要研究成果的取得。

20世紀90年代后期，風光互補發(fā)電系統(tǒng)科學合理的最終控制策略以及發(fā)電容量與儲能容量的匹配研究，成為該時期的主流研究方向。1997年，英國學者Protogeropulos等[3]以蓄電池儲能裝備為研究基礎，探討了該裝置上的離網(wǎng)型風光互補發(fā)電技術的電能和蓄能容量配置研究以及優(yōu)化研究。2006年，日本學者Ahmed等[4]通過最大功率點追蹤（MPPT）技術，使風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制策略得以簡化，有效提升了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。2008年，F(xiàn)ontes等[5]以某城鎮(zhèn)服務對象，根據(jù)該城鎮(zhèn)的風力發(fā)電數(shù)據(jù)、太陽輻射數(shù)據(jù)等設計了風光互補發(fā)電系統(tǒng)，并在此基礎上提出微型發(fā)電的基礎概念，研究了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和技術效益的獲取。2010年，加拿大學者Hui等[6]利用整流級的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計了相關優(yōu)化策略，擴大了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的適用范圍，也進一步優(yōu)化了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的實際功效。2012年，Hamad等[7]以傳統(tǒng)的MTTP風光互補控制器為支撐，以貝葉斯信息融合技術和群體智能技術理論為基礎指導，研究了基于貝葉斯信息融合技術和群體智能技術的全新最終控制方法，并利用軟件得到了高效提升風光互補發(fā)電系統(tǒng)效率的相關結(jié)論。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2003年，茆美琴等[8]基于智能控制系統(tǒng)初步制定了風能、太陽能、柴油機、蓄電池等復合發(fā)電裝置的相關設備，分析了該發(fā)電裝置設備的應用特點、試驗結(jié)果以及實驗過程中可能存在的諸多問題，針對問題提出了未來關于風能、太陽能以及蓄電池發(fā)電融合發(fā)展的相關措施。楊紅星等學者通過對計算程序的編制匹配得到風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法。

2004年，龍平[9]在研究風光互補發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理和工作流程的基礎上，建立了較為完整的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測體系，并利用該監(jiān)測體系進行了實地驗證研究，分析了完整監(jiān)測體系存在的精度誤差，并對其進行了修正和評價。

2005年，齊發(fā)[10]進行了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，以Microchip公司生產(chǎn)的微處理器和單片機為核心設備進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化改造，有效提升了傳統(tǒng)模式下風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用效能。

2006年，徐大明等[11]基于精英非支配排序遺傳算法的相關理論知識，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的獨立供電系統(tǒng)進行了功能優(yōu)化配置，此后又在獨立供電系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎上，加入了自適應罰函數(shù)方法，對獨立供電系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。

2017年，陳天等[12]利用微分進化算法的指導，對風光互補發(fā)電技術的發(fā)電容量進行了優(yōu)化設計，并進一步以實例驗證了微分進化算法對風光互補技術優(yōu)化配置應用的合理性和科學性。

2019年，于東霞等[13]以蓄電池、超級電容具備強烈互補性特征為出發(fā)點，將蓄電池和超級電容引入了風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，并結(jié)合實例驗證分析了仿真算法的合理性、科學性與可行性，得出了兩者在新能源電能利用效率提升方面存在的差異。總而言之，近30年來國內(nèi)關于風光互補發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電技術的相關研究思路和研究重點與國外大致相同，我國在風光互補發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究和容量配置與優(yōu)化研究上取得了一定的成績。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究趨勢

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究趨勢主要可歸納為以下4種：（1）風光互補發(fā)電系統(tǒng)類型與容量研究逐步趨于多樣化；（2）風光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關發(fā)電流程以及電能輸送控制策略依舊處于主導研究地位；（3）風光互補發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置設計以及選型匹配研究進一步凸顯出重要性；（4）風光互補發(fā)電系統(tǒng)的逆變器研究仍舊處于快速發(fā)展階段。

就風光互補發(fā)電技術應用的系統(tǒng)儲能裝置選擇與配備而言，該發(fā)電系統(tǒng)風光互補技術應用及其發(fā)電量和用電量不匹配的問題一直影響該技術進步的關鍵，蓄電池儲能設備快速充放電有助于系統(tǒng)整體穩(wěn)定性提升，故應加強系統(tǒng)儲能元件充放電性能試驗研究與設備性能優(yōu)化研究，采取合理措施提升蓄電池充放電水平，減少蓄電池運轉(zhuǎn)過程中由于極化現(xiàn)象出現(xiàn)導致的生命周期縮短的可能。

3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置的研究進展

國內(nèi)關于風光互補系統(tǒng)的優(yōu)化研究較多，可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化研究通常在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)建模方法、模擬仿真技術、經(jīng)濟可行性分析等領域進行，尤其是在系統(tǒng)設計與優(yōu)化領域得到了廣泛應用。風光互補系統(tǒng)的優(yōu)化設計主要體現(xiàn)在配置優(yōu)化和控制策略優(yōu)化兩大方面。

一般情況下，采用匹配計算方法得到風光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關配置，該方法使用較為純熟，理論體系發(fā)展較為完備，大多通過數(shù)據(jù)庫建立后獲取關于風光互補發(fā)電系統(tǒng)所在地的風能信息、光能信息和負載曲線信息等，根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立風光蓄電池數(shù)學模型，得到風光發(fā)電系統(tǒng)的目標函數(shù)與約束條件，在約束條件下取得目標函數(shù)的最優(yōu)值。常用的目標函數(shù)與約束條件主要包括全年負載缺電率、全生命周期成本最低。系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，主要是通過選擇控制方法和控制手段使整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的最終收益最大化，通常可使用最大風力資源跟蹤方法以及光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制策略兩大類別進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

4 結(jié)束語

風光互補發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境保護意識不斷增強和可再生能源利用關注程度不斷提高的條件下，以其特有優(yōu)勢在新能源領域占據(jù)了一席之地，但利用風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行電能供應，要想獲得更加穩(wěn)定的電能供應和更大的經(jīng)濟效益，必須進一步加強對風光互補發(fā)電系統(tǒng)中技術瓶頸的研發(fā)力度，通過技術優(yōu)化與方法創(chuàng)新拓寬其應用范圍。