樊小朝，史瑞靜，王維慶，李永東

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047； 2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引 言

目前新能源發(fā)電技術(shù)主要有風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等[1-2]。絕大多數(shù)地區(qū)夏季太陽(yáng)光照強(qiáng)，但風(fēng)力較弱；冬季風(fēng)能資源豐富而太陽(yáng)能資源較少，利用太陽(yáng)能與風(fēng)能在全年不同季節(jié)和不同時(shí)間的互補(bǔ)性，將風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列和蓄電池組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過智能控制使其滿足全年不同時(shí)間的用電需求，供電成本將比單獨(dú)的風(fēng)力或光伏發(fā)電低很多[3- 4]。我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電項(xiàng)目迅猛發(fā)展，目前大量的風(fēng)電項(xiàng)目在各地建設(shè)并投入運(yùn)行，2013年12月31日內(nèi)蒙古滿洲里東園風(fēng)光電站正式投入運(yùn)行；2016年10月26日江西大唐國(guó)際沙嶺風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目正式并網(wǎng)發(fā)電；2015年9月27日中電投宣化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電項(xiàng)目一期并網(wǎng)發(fā)電；2016年7月27日民勤紅沙崗風(fēng)光互補(bǔ)試驗(yàn)發(fā)電項(xiàng)目投產(chǎn)發(fā)電。但是，運(yùn)行效率普遍不高，有待提高[5- 6]。

目前國(guó)外在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于功率的確定方法有兩種[7- 8]：一是功率匹配，主要用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制，光伏陣列的功率和風(fēng)機(jī)的功率和大于負(fù)載功率；二是能量匹配，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)，在光伏陣列的發(fā)電量和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量的和大于等于負(fù)載的耗電量。在國(guó)內(nèi)，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了研究，科學(xué)院電工利用遺傳算法優(yōu)化匹配，內(nèi)蒙古大學(xué)新能源研究中心的小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，匹配計(jì)算、系統(tǒng)控制等方面進(jìn)行了研究。

綜上，對(duì)新疆烏魯木齊地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)研究很少，因此本文基于烏魯木齊風(fēng)光數(shù)據(jù)，利用遺傳算法，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 烏魯木齊地區(qū)風(fēng)能、太陽(yáng)能情況

根據(jù)烏魯木齊氣象觀測(cè)站近10年的統(tǒng)計(jì)，風(fēng)能功率密度及有關(guān)氣象參數(shù)的部分月均值如表1所示。

表1 烏魯木齊地區(qū)風(fēng)能功率密度

本文小型風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行并輸出功率的最大風(fēng)速風(fēng)機(jī)在可利用風(fēng)速(v1，v2)范圍內(nèi)所輸出的能量E

(1)

式中，T為時(shí)間；c為韋伯分布的尺度參數(shù)；k為韋伯分布的形狀參數(shù)；Pv為風(fēng)機(jī)輸出功率。

該小型風(fēng)機(jī)年累計(jì)發(fā)電量達(dá)到15 000 MJ，風(fēng)機(jī)利用率可以達(dá)到0.35以上。

烏魯木齊具有豐富的太陽(yáng)能資源，日照時(shí)數(shù)分布如圖1所示，太陽(yáng)照射時(shí)間長(zhǎng)，輻射量大可以發(fā)展光伏發(fā)電。

圖1 烏魯木齊年日照時(shí)數(shù)分布示意

烏魯木齊輻射量最高的時(shí)間出現(xiàn)在6月，最低的時(shí)間是12月，光伏陣列傾角取以低于緯度角為宜，以獲得在夏季最穩(wěn)定的輸出[7]。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電和光電具有時(shí)間互補(bǔ)特點(diǎn)。大多數(shù)地方夜晚的風(fēng)速比白天的大很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以輸出較高的風(fēng)能；而光伏發(fā)電則在白天可以獲得較高的能量。兩者在能量來源上具有很好的互補(bǔ)性，并且兩個(gè)發(fā)電系統(tǒng)可以共用部分蓄能設(shè)備和控制器件，所以兩者的結(jié)合構(gòu)成一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)很大的優(yōu)勢(shì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種新能源發(fā)電系統(tǒng)，其綜合利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，具有良好的應(yīng)用前景。

獨(dú)立式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示，利用光伏陣列，風(fēng)機(jī)發(fā)電，然后存儲(chǔ)到電池組中，當(dāng)用戶需要電力時(shí)逆變器將被存儲(chǔ)在電池組的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電的能量通過傳輸線到負(fù)載。

圖2 獨(dú)立式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

2.2.1 系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置時(shí)需要優(yōu)化的4個(gè)變量：風(fēng)力機(jī)數(shù)量NW、光伏組件數(shù)量NPV、蓄電池組數(shù)量Nb、光伏陣列安裝傾角s，可表示為

X=[NW，NPV，Nb，s]

(2)

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)總目標(biāo)是以最低發(fā)電成本達(dá)到最佳的發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)成本Call由系統(tǒng)初始安裝成本Cins和后期維護(hù)成本Cmat兩部分組成[7]，即

Call=Cins+Cmat

(3)

系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本主要和負(fù)載系統(tǒng)總?cè)萘考柏?fù)載大小有關(guān)，當(dāng)負(fù)載大小一定時(shí)，容量越大，則其運(yùn)行維護(hù)的成本也越高，并且風(fēng)光互補(bǔ)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)運(yùn)行維護(hù)的成本占相當(dāng)高比例的是儲(chǔ)能元件的更換和風(fēng)機(jī)的保養(yǎng)，這部分發(fā)電成本對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型影響很小，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)暫時(shí)不考慮系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，僅考慮系統(tǒng)初次安裝成本。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，即獲得最低的初始安裝成本，目標(biāo)函數(shù)為[9]

minCins=CWNW+CPVNPV+CbNb

(4)

其中,Cw、CPV、Cb分別為風(fēng)機(jī)、光伏組件以及蓄電池組單價(jià)，單位均為元。

2.2.3 約束條件

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要與負(fù)荷需求相匹配，系統(tǒng)需要滿足負(fù)載，在一定時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行前提下，達(dá)到成本降到最低的目標(biāo)[9]。

設(shè)定評(píng)估期為一年，以天為時(shí)間間隔時(shí)間段，風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電量EW、EPV分別為

EW=NWf(VW，PW)

(5)

EPV=NPVf(H，λ，s，n，S，T，PPV)

(6)

式中，VW為風(fēng)速；PW為風(fēng)機(jī)功率特性參數(shù);式(6)表示光伏陣列發(fā)電量EPV與水平面輻射量H、緯度角λ、光伏陣列傾角s、天數(shù)n、日照時(shí)數(shù)S、溫度T以及光伏組件功率特性參數(shù)PPV和組件的配置數(shù)量NPV之間關(guān)系。

蓄電池組每天初始容量可以由式(7)與式(8)計(jì)算，式中Eb為儲(chǔ)能元件的剩余電量；Ebm為最大可用電量；EL為負(fù)載耗電量；Eov為盈余電量。即

(7)

Eov(n)=EW(n)+EPV(n)-EL(n)

(8)

忽略外界環(huán)境對(duì)蓄電池組性能的影響，并將蓄電池組的充放電效率設(shè)為1，最大放電深度設(shè)定為最大蓄電量的1/2，目的是延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命。設(shè)定設(shè)定蓄電池電量初始電量為

(9)

式中,Ebat為儲(chǔ)能元件的額定容量。

在時(shí)間序列的計(jì)算過程中，如果負(fù)載缺電則盈余電量Eov顯示為負(fù)值，負(fù)載缺電次數(shù)加1。將評(píng)估期內(nèi)負(fù)載缺電的次數(shù)和除以365天，便得到負(fù)載缺電率LPSP，于是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件可以表示為式(10)，式中LPSPset為設(shè)定的負(fù)載缺電率閾值；光伏陣列的固定傾角s的邊界約束為(11)。

LPSP-LPSPset≤0

(10)

0°≤s≤λ+30°

(11)

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與分析

烏魯木齊氣象站氣象記錄數(shù)據(jù)累年日平均值進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。負(fù)載耗電量采用每日每戶5 kW·h，并設(shè)定2戶和10戶兩種情況。選擇一款額定功率為1 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單價(jià)為3 500元。光伏電池組件為PVM-50的單晶硅太陽(yáng)能電池組件，其峰值功率為50 W，單價(jià)330元。儲(chǔ)能元件容量為12 V，120 A·h的膠體免維護(hù)蓄電池，單價(jià)1 200元。

利用遺傳算法解決具有復(fù)雜非線性約束和整數(shù)約束的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的最優(yōu)模型。遺傳算法迭代計(jì)算過程如圖3所示。在迭代計(jì)算過程中，遺傳算法使用懲罰函數(shù)法來處理系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中的非線性不等式約束和整數(shù)約束。給出了優(yōu)化過程中歷代群體的最優(yōu)懲罰函數(shù)值和平均罰函數(shù)值的變化情況。這里將每一代個(gè)體數(shù)量限定在20，最大遺傳代數(shù)限定在100，經(jīng)過50～60代優(yōu)化選擇后就成功收斂，獲得了最優(yōu)解。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的遺傳迭代過程

3.1 負(fù)載情況下的系統(tǒng)優(yōu)化

本部分假定了兩種負(fù)載情況：2戶和10戶且每戶日用電量為5 kW·h。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

3.2 系統(tǒng)仿真運(yùn)行與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.2.1 系統(tǒng)仿真運(yùn)行與分析

將較小負(fù)載情況的結(jié)果代入能量輸出模型，仿真得到風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量輸出，如圖4所示，蓄電池能量狀態(tài)和電量盈余狀況如圖5所示。

圖4 較小負(fù)載風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量輸出

圖5 較小負(fù)載蓄電池能量狀態(tài)和電量盈余狀況

將較大負(fù)載情況的結(jié)果代入能量輸出模型，仿真得到風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量輸出，如圖6所示，蓄電池能量狀態(tài)和電量盈余狀況如圖7所示。

圖6 較大負(fù)載風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量輸出

圖7 較大負(fù)載蓄電池能量狀態(tài)和電量盈余狀況

綜上，風(fēng)力發(fā)電量及光伏發(fā)電量都極不穩(wěn)定。大多數(shù)時(shí)候的時(shí)間的發(fā)電量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了負(fù)載需要，有大量的輸出盈余，部分時(shí)間出現(xiàn)盈余電量小于零情況，有缺電情況發(fā)生。

3.2.2 系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部件選取要經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，經(jīng)計(jì)算得到系統(tǒng)安裝成本，如表3所示。其中維護(hù)成本為市場(chǎng)調(diào)研后估算值，總成本等于初始成本與維護(hù)成本之和。供電成本等于總成本除以設(shè)備使用年限內(nèi)總用電量，單位為元/kW·h。

表3 安裝成本

計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電成本相對(duì)于目前的網(wǎng)電價(jià)格是偏高的。烏魯木齊雖然擁有較為豐富風(fēng)能和光輻射能資源，但季節(jié)性差異較大，為了提高供電穩(wěn)定性使得供電成本也相對(duì)較高。針對(duì)不同負(fù)載容量相比較，適合大負(fù)載要求的配置供電成本也會(huì)有所降低，當(dāng)然這也與風(fēng)機(jī)、光伏器件外其他部件選型有關(guān)，供電成本存在一定偏差。

4 結(jié)論與展望

本文構(gòu)建了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)所必須的目標(biāo)和約束條件，搭建了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型；約束條件為負(fù)載缺電率指標(biāo)，采用時(shí)間序列法計(jì)算負(fù)載缺電率，并搭建風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量輸出模型及混合輸出模型；然后利用帶有懲罰函數(shù)的遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解；最后對(duì)不同大小的負(fù)載情況下，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)并得出結(jié)果，結(jié)果代入能量輸出模型進(jìn)行分析和仿真運(yùn)行，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)不同條件下的系統(tǒng)供電成本進(jìn)行了分析比較。

通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電量及光伏發(fā)電量都極不穩(wěn)定。大多數(shù)時(shí)候的時(shí)間的發(fā)電量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了負(fù)載需要，有大量的輸出盈余，但仍有部分時(shí)間發(fā)生負(fù)載缺電。優(yōu)化得到的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以滿足對(duì)電能質(zhì)量要求不高的用戶，建議發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與其他形式相結(jié)合的供電模式，對(duì)用電量不高或遠(yuǎn)離供電線的用戶可以發(fā)展風(fēng)光柴油發(fā)電的用電模式，其他用戶可以發(fā)展風(fēng)光-電網(wǎng)非并網(wǎng)形式用電模式。通過經(jīng)濟(jì)性計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本高于目前電網(wǎng)價(jià)格。本文研究將促進(jìn)新疆新能源的健康可持續(xù)發(fā)展。

由于烏魯木齊氣象環(huán)境季節(jié)性差異較大，在冬季為了提高供電穩(wěn)定性使得供電成本也相對(duì)較高，同時(shí)為滿足冬季供電需求，導(dǎo)致設(shè)備投入較高，在其它季節(jié)會(huì)有大量的電量剩余。因此，風(fēng)光儲(chǔ)設(shè)備的優(yōu)化投入運(yùn)行將是下一步研究重點(diǎn)。

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