楊 凱

（中國能源建設(shè)集團投資有限公司，北京 100022）

0 引 言

多能源聯(lián)合發(fā)電是利用多種不同的能源形式進行發(fā)電，包括風(fēng)能、光能、水能等。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，尤其是海上風(fēng)電，已成為推動能源轉(zhuǎn)型、促進能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)方式已難以滿足日益增長的風(fēng)電接入需求，因此探索新的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)和運行模式勢在必行。

1 海上風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)概述

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過智能化管理，優(yōu)化調(diào)度各種發(fā)電資源，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟的能源供應(yīng)[1]。例如，海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、發(fā)電量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但受風(fēng)速波動和季節(jié)性變化的影響較大；光伏發(fā)電則依賴于日照強度和時間，日間發(fā)電量大，夜間無發(fā)電能力。這些特性使單一能源發(fā)電存在間歇性和不穩(wěn)定性問題。

為解決能源供應(yīng)問題，在多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)可以吸收和儲存電能，并在能源不足時釋放儲存的電能，以平衡能源供應(yīng)，減少浪費。同時，提供快速響應(yīng)的備用能源，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。智能管理和優(yōu)化調(diào)度是實現(xiàn)能源高效利用的關(guān)鍵，因此需要借助先進的能源管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測和預(yù)測能源需求與供應(yīng)情況，制訂最優(yōu)的能源調(diào)度策略。

2 多能源聯(lián)合發(fā)電運行控制方法

2.1 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行模型

假設(shè)多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由海上風(fēng)電、光伏和儲能3 個子系統(tǒng)組成。海上風(fēng)電系統(tǒng)的運行模型可以用公式表示為

式中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪面積；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)；V為風(fēng)速。

光伏發(fā)電功率與光照強度和光伏組件特性有關(guān)，常用的光伏發(fā)電功率計算公式為

式中：η為光伏組件的轉(zhuǎn)換效率；Apv為光伏組件的表面積；G為光照強度。

儲能效果功率則與儲能系統(tǒng)的特性和狀態(tài)有關(guān)，常用的儲能效果功率計算公式為

式中：SOC為儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)；Ebatt為儲能系統(tǒng)的總儲能容量；Δt為時間間隔。其中，荷電狀態(tài)表示儲能系統(tǒng)當(dāng)前儲存電量與總?cè)萘康谋壤≈捣秶鸀? ～1。當(dāng)荷電狀態(tài)為0 時，儲能系統(tǒng)電量為零，無法提供能量；當(dāng)荷電狀態(tài)為1 時，儲能系統(tǒng)充滿電量，能夠提供最大能量。在其他荷電狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)能夠提供的能量介于兩者之間。

2.2 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行優(yōu)化算法

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行優(yōu)化算法用于優(yōu)化和管理多種能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。該算法基于對能源供應(yīng)和需求的深度分析，提供更高效、環(huán)保和經(jīng)濟的能源解決方案。

通過對比改進前后的結(jié)果，深入分析算法的性能和效果。在算例中，特別考慮1 個包含燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t、電制冷機等機組的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以驗證該優(yōu)化算法在實際應(yīng)用中的可行性和有效性。多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運行優(yōu)化算法的算例結(jié)果如表1所示。

表1 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運行優(yōu)化算法的算例結(jié)果

由測試結(jié)果可知，多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)利用運行優(yōu)化算法后，燃?xì)廨啓C功率減少10%，鍋爐效率提升5 個百分點，電制冷機效率提高5 個百分點，系統(tǒng)總能耗降低5%，系統(tǒng)二氧化碳總排放量減少10%，總運行成本降低約5.33%。因此，利用運行優(yōu)化算法有助于降低企業(yè)運營成本，提高經(jīng)濟效益。

2.3 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行控制策略

多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源通過系統(tǒng)化、智能化的方式整合起來，形成了互補優(yōu)化的發(fā)電系統(tǒng)。在孤島運行模式下，通過蓄電池和雙向交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）變換器共同維持系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定，并制定交、直流系統(tǒng)之間功率平衡的控制方案。文章設(shè)計的基于風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、儲能單元、整流器以及逆變器等組成。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使能量在不同組件間實現(xiàn)有效流動，滿足系統(tǒng)需求。例如，太陽能電池板能量通過整流器直接輸送到電網(wǎng)，儲能單元在太陽下山前為電池充電。當(dāng)系統(tǒng)需求超過太陽能電池板輸出時，儲能單元釋放能量，以滿足用電需求。

3 海上風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行實驗

3.1 實驗設(shè)計與參數(shù)設(shè)置

為全面評估海上風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的性能，設(shè)計一套綜合實驗方案，以G 區(qū)域的新能源發(fā)電站作為測試目標(biāo)[3]。同時，為模擬系統(tǒng)實際運行環(huán)境，基于IEEE39 節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和G區(qū)域的實際氣象數(shù)據(jù)建立海上風(fēng)電和光伏發(fā)電模型。系統(tǒng)進行初始化后，模擬不同天氣條件和風(fēng)速下的出力調(diào)整，并觀察儲能系統(tǒng)的充放電行為，記錄各種條件下的數(shù)據(jù)，包括功率流動、電壓穩(wěn)定性、頻率偏差等。通過數(shù)據(jù)分析，評估系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，以及對電網(wǎng)容量需求的影響。

3.2 實驗結(jié)果分析與討論

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行海上風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行實驗，發(fā)電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 發(fā)電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)

由表2 可知，風(fēng)速與風(fēng)電發(fā)電量成正比關(guān)系。儲能系統(tǒng)的充/放電功率受光伏發(fā)電量和海上風(fēng)電發(fā)電量的共同影響。綜合考慮光伏發(fā)電量和海上風(fēng)電發(fā)電量可知，二者在不同天氣條件下具有互補性，能夠有效平衡電網(wǎng)負(fù)荷。在晴天時，光伏發(fā)電量較高而風(fēng)電發(fā)電量較低；在陰天和雨天時，光伏發(fā)電量減少但風(fēng)電發(fā)電量保持穩(wěn)定或增加。這種互補性有助于平衡電網(wǎng)負(fù)荷和提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

4 多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行控制方法優(yōu)化

在并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中，原先的負(fù)荷分配方法是基于靜態(tài)條件的，即一旦確定后，在較長的時間內(nèi)都不會改變。然而在實際運行中，負(fù)載電流和各個電源模塊的效率可能會隨時間的推移發(fā)生變化。改進后的策略利用遺傳算法進行實時優(yōu)化，能夠動態(tài)調(diào)整各電源模塊的負(fù)荷分配，以提高系統(tǒng)的整體效率[4-5]。利用遺傳算法優(yōu)化后的負(fù)荷分配情況如表3 所示，電源模塊A 為微功率電源，電源模塊B 為小功率電源。

表3 優(yōu)化后的負(fù)荷分配情況

由表3 可知，利用遺傳算法優(yōu)化多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行控制方法后，電源模塊A 和電源模塊B的負(fù)荷分配均得到改善，雖然不同時間點的總負(fù)載電流有所不同，但優(yōu)化后的負(fù)荷分配更加合理，能夠有效提高電源模塊的工作效率。

電源模塊的實際運行能力約束情況如表4 所示。

表4 電源模塊的實際運行能力約束情況

由表4 可知，優(yōu)化后，A 電源模塊和B 電源模塊的輸出電壓均得到略微提高；效率也有明顯的提高，分別達到90%和92%。同時，兩個電源模塊的工作溫度和電源噪聲均有所下降。綜合來看，優(yōu)化后的電源模塊在效率、溫度和噪聲等方面都有所改善，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 論

文章通過研究海上風(fēng)電-光伏-儲能多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運行控制方法，開展系統(tǒng)運行實驗，證實該系統(tǒng)具有有效性和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，儲能系統(tǒng)在平衡系統(tǒng)出力與負(fù)荷需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠有效滿足電網(wǎng)容量需求。因此，可以對海上風(fēng)電-光伏-儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及其運行控制方法進行進一步的推廣應(yīng)用。