風光互補發電系統運行特性、輸出功率曲線與負荷曲線的關系的研究

神華國華能源投資有限公司 ■ 高輝

北京科諾偉業科技有限公司 ■ 梁勃 王偉 李軍

一 引言

我國的風能和太陽能資源非常豐富。我國是世界上風力資源較豐富的國家之一，全國可開發利用的風能約為2.5億kW[1]。全國太陽能總輻射量為3340～8400MJ/(m2·a)，中值為5852MJ/(m2·a)[2]。

由于太陽能與風能自身的特點，兩者均受季節、地理位置、天氣等多種因素的制約。單獨的風力發電和太陽能發電的輸出功率都具有較大的波動性和間歇性，如果大規模接入電網，將給電網安全穩定運行帶來較大影響。由于兩者的變化趨勢基本相反，應揚兩能之長，補兩能之短，相互配合利用，因地制宜，減少對電網的不利影響，有利于新能源發電的健康發展。

國華尚義2.5MW風光互補并網發電項目中一臺1.5MW風機與1MWp光伏發電單元組成風光互補發電系統。本文針對此項目研究尚義當地風光功率比為1.5∶1時，各自功率曲線及總功率曲線特性，以及總功率輸出曲線與張家口電網負荷曲線進行對比。

二 風電、光伏發電特性及風光互補系統構成

1 風力發電系統的特性

風力機只能從風能中獲取小部分能量，吸收能量的程度可用風能利用系統CP來衡量。對于一臺實際的風力機，其機械功率Pm可用式(1)表示[3～5]：

其中：Pw為通過風輪掃過面積的風的能量；D為風輪直徑；CP為風能利用系數，不是常數，隨著風速、風機轉換及風機葉片參數的變化而變化；υ為輪轂高度實際風速；ρ為空氣密度(標準空氣密度為1.225kg/m3)。

一般典型風力機的實際輸出特性P(v)由式(2)表示：

其中：Pr為發電機額定輸出功率；vi為風輪機起動風速；vr為風輪機額定功率風速；vc為風輪機停機風速；η(v)為風速在起動風速與停機風速之間時，風機輸出功率效率與風速關系，對于大型風機有：

因此，風力機的輸出功率與風速密切相關。標準空氣密度條件下，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱為風電機組的標準功率特性曲線，可由廠家提供。在安裝地點條件下，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱為風電機組的實際輸出功率特性曲線。尚義風電場1.5MW風機實際功率特性曲線x(v)和標準功率特性曲線x0(v)如圖1所示。

圖1 風機功率特性曲線

2 光伏發電系統特性

由于太陽電池的瞬時響應特性與太陽能的轉換無關，忽略太陽電池的結電容Cj。工程應用時，作以下近似：V+RsI/Rsh遠小于光電流(Rs為串聯電阻，Rsh為電池并聯電阻)；Rs遠小于二極管正向導通電阻，Iph=Isc(Iph為光生電流，Isc為短路電流)。

太陽電池的等效數學模型為[6～8]：

將太陽電池的峰值電壓Vm及峰值電流Im代入式(3)可推出C1和C2為：

所以工程應用時，通過產品廠商提供的峰值電壓Vm、開路電壓Voc、峰值電流Im及短路電流Isc可得出I-V方程，保證精確性的同時滿足實用性。

電池溫度及輻照強度直接影響太陽電池的I-V特性，產品廠商提供參數一般是在Tref=25℃，Sref=1000W/m2情況下測量的。通過擬合大量實驗數據，在任意輻照強度S(W/m2)及任意環境溫度Tair下的太陽電池溫度T可由式(6)得出：

通過測定的T(s)直線的斜率可得K值，K值通常可取0.03(℃·m2)/W。

利用Vm、Voc、Im、Isc推算出在一定輻照強度及溫度下的 V'm、V'oc、I'm、I'sc為[9]：

假定電流電壓特性曲線在整個推算過程中基本形狀保持不變，參數a、b、c典型值為a=0.0025℃，b=0.5，c=0.00288℃。

由上面的分析得出M個組件并聯和N個組件串聯的光伏陣列的I-V特性方程[10]：

由太陽電池的峰值電壓Vm及峰值電流Im代入式(7)，可推出C1和C2為：

圖2為光伏電站所采用的光伏組件不同輻照度情況下的I-V特性曲線。圖3為光伏組件不同溫度情況下的I-V特性曲線。從圖2可知，光伏組件的輸出電流與輻照強度成正比，隨著輻照度的增加，光伏組件的輸出電流隨之增大，最大功率點功率也隨之增加。從圖3可看出，光伏組件的輸出電壓與溫度成反比，隨著溫度的增加，光伏組件的輸出電壓減少，最大功率點功率也隨之減少。輸出電流受輻照度影響較大，而電壓受輻照度影響較小。輸出電流受溫度影響較小，而輸出電壓受溫度影響較大。

圖2 不同輻照度下I-V曲線

圖3 不同溫度下I-V曲線

3 國華尚義風光互補發電系統構成

國華尚義2.5MW風光互補并網發電項目包括一臺1.5MW風機與1MWp光伏發電單元，即風光互補比例為1.5∶1。光伏陣列輸出為直流電，通過并網逆變器變為交流電，然后接入2700kVA雙分裂升壓變壓器低壓400V側升壓到35kV；1.5MW風機所發電量通過2700kVA雙分裂升壓變壓器低壓690V側升壓至35kV，經1回35kV線路接入風電場已建35kV集電線路，利用風電場已建設110kV升壓站和輸電線路，送入華北電網。

三 風光互補發電系統輸出功率曲線與負荷曲線分析

分析風光互補電站夏季典型日(7月17日)及冬季典型日(11月4日)運行特性與日負荷曲線進行比較。

1 風光互補發電系統的輸出功率曲線

風光互補發電系統的監測系統對當日水平面總輻射、輪轂高度實際風速、光伏發電功率及風機功率進行了實時測量。

(1)夏季典型日(7月17日)

夏季輪轂高度實際風速曲線及電站水平面輻射量曲線如圖4、圖5所示。

圖4 風速曲線

圖5 水平面輻射量曲線

風光互補發電系統受當日氣象條件的影響，其發電功率值見表1。

風光互補發電系統的發電功率曲線如圖6所示。

(2)冬季典型日(11月4日)

冬季輪轂高度實際風速曲線及電站水平面輻射量曲線如圖7、圖8所示。

風光互補發電系統受當日氣象條件的影響，其發電功率值見表2。

風光互補發電系統的發電功率曲線如圖9所示。

2 當地電網負荷曲線及其與電站功率曲線比較分析

表1 風光互補系統功率值

圖6 風光互補發電系統功率曲線

圖7 風速曲線

圖8 水平面輻射量曲線

表2 風光互補系統功率值

根據中國華北電網有限公司編制的華北電網圖集可得出張家口電網最大供電負荷日(7月17日及11月4日)的負荷曲線，如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，夏季在1:00～6:00負荷功率較小，7:00～12:00負荷略有上升，13:00～16:00負荷較小，17:00～24:00呈現一個較大的波峰，最大負荷功率在18:00～20:00；冬季在1:00～6:00負荷功率較小，從6:00開始逐漸上升，8:00～17:00在一定范圍內變化，17:00～24:00呈現一個較大的波峰，最大負荷功率在18:00～20:00。

通過風光互補發電系統輸出功率曲線與負荷曲線進行比較可看出，風力發電與光伏發電功率曲線基本呈互補性，風力發電功率白天小，晚上大，光伏發電功率白天大，晚上無；風光互補發電系統能夠緩解單獨的發電系統的間歇性和波動性；風光互補發電系統功率變化趨勢基本與負荷功率變化趨勢一致。

四 結論

無論是風力發電還是光伏發電，都受環境因素的影響較大。風力發電受風資源影響明顯，光伏發電受輻照資源影響明顯。單獨的發電系統由于其不穩定性及間歇性對電網的影響較大，但是兩者的變化趨勢基本相反，日間陽光強時，風較小，晚上沒有光照，但由于地表溫差變化大而風能有所加強；太陽能和風能在時間上的互補性使得風光互補發電系統在資源上具有很好的匹配性。尚義風光互補發電系統中風光功率比為1.5∶1，發電功率曲線與用電負荷曲線變化趨勢基本一致，可緩解電網負荷壓力。尚義風光互補電站中風光功率互補比例適合當地電網情況。

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