離網型風光互補發電系統匹配程序設計

■ 李冬梅 劉志強

(1.內蒙古自治區水利水電勘測設計院；2.華潤電力風能內蒙古巴音錫勒有限公司)

0 引言

單純的風力發電和光伏發電系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致系統發電量與用戶負荷的不平衡。風光互補發電綜合了光伏發電和風力發電兩種技術的優點[1]，太陽能與風能在時間上有很強的互補性，風光互補發電系統可彌補單純的風力發電系統和光伏發電系統在資源上的缺陷[2]。這種互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，使系統的發電量更加均衡、穩定。同時，風力發電系統和光電系統的蓄能裝置和逆變器環節又可通用，所以可以降低風光互補發電系統的造價，系統成本趨于合理。對于離網型風光互補發電系統，由于在蓄能時使用的是蓄電池，準確合理的匹配設計更為重要，這樣可以保證蓄電池工作在盡可能理想的條件下，最大限度地延長蓄電池的使用壽命。

1 風光互補發電系統優化設計原理

本文進行離網型風光互補發電系統優化設計時采用的設計思想是：以風力供電為主，光伏發電作為補充；發電系統全年最差月的發電量要滿足用戶用電虧欠率的要求，且成本能達到最低。

根據該設計思想，從以下幾個步驟進行風光互補發電系統的優化設計：

1)首先根據安裝地區的風能資源情況，初選風力機型號；

2)根據風力機的輸出特性曲線建立風力機輸出功率的擬合曲線方程；

3)計算出光伏板板面各月能獲得的最大月平均日輻射強度，以及相應的最佳安裝傾角；

4)由負載用電量和風力機發電量計算出風光互補發電系統各月的虧電量及各月所需光伏陣列的容量，從中選出最大光伏陣列容量作為該系統需匹配的光伏陣列容量，其對應的最佳安裝傾角即為光伏陣列最適合的安裝角[3](光伏陣列以固定角安裝)；

5)通過改變風力機的容量，由程序篩選出一系列與不同容量的風力機相匹配的風/光/蓄組合；

6)根據系統供電虧欠率要求和不同的風/光/蓄組合的度電成本，選出度電成本最低的一組系統配置，該配置即為系統供電虧欠率下的最優化的風光互補發電系統配置。

2 風光互補發電系統優化程序的設計

本文使用Matlab軟件進行了優化程序的設計，并為方便用戶使用，設計了中文化的參數控制界面，界面設置如圖1所示。

圖1 風光互補發電系統參數設置界面

空白編輯框的部分需要手動輸入參數，“import data”的部分可進行參數導入，導入參數的格式可為excel格式、txt文檔格式或dat格式。當風力機特性參數和水平面總輻射參數被導入后，即在界面的右下方自動生成風力機特性曲線圖和月平均太陽輻射強度的曲線圖。

當空白的編輯框中有參數漏輸入或參數類型輸入錯誤時，錯誤處將會被高亮顯示，且有“輸入有誤，已以高亮顯示請查閱！”的提示；當導入數據錯誤時，“import data”將會變為“false”的提示，且該按鈕也將會用高亮顯示；當導入數據正確時，“import data”將會變為“sucess”，且按鈕的顏色從藍色變為黃色，如圖2所示。

當錯誤的參數被更正后，點擊保存退出，將出現“參數輸入結束，是否退出面板程序”的提示，點擊“確定”，可將設定的參數存在任意路徑下，程序將從該路徑下讀取數據并自動進行計算。如果點擊“取消”則繼續停留在參數設定界面，如圖3所示。也可點擊“清空”，重新設置參數；若點擊“撤銷退出”，程序將按照之前設定值自動進行。

當程序運行完后，會出現“計算完畢”的提示，計算結果以excel格式保存到指定路徑下。

圖2 參數設置錯誤時的界面

圖3 參數設置正確時的提示

3 風光互補發電系統優化匹配的實例分析

為了更好地說明本文在進行風光互補發電系統設計時所使用的優化設計方法及本文優化程序的設計思想，現用一實例進行說明。

假定為達旗一所鄉鎮醫院安裝1套風光互補發電系統作為醫院的補充電源，該醫院每天用電情況如表1所示。

用電設備最高峰的功率為2 kW，日平均用電量為23 kWh/天；使用交流電源，且一年中的累計停電天數不得超過7天(即全年系統供電虧欠率LPSP≤0.02)。根據達旗的氣象數據資料，該地在8月的月平均風速最低，太陽能資源匱乏，且8月份時該地最大連續陰雨天時間為5天。為保證系統的供電穩定性，需考慮用蓄電池蓄電供系統陰雨天時用電。在進行蓄電池的容量設計時，應以8月份的最大連續陰雨天數5天作為蓄電池的自給天數。

表1 醫院用電量表

根據醫院允許的發電系統供給虧欠率及發電成本，選擇風力機、光伏板、蓄電池及控制器和逆變器的特性參數，由優化程序計算出不同的風/光/蓄容量組合(風力機的臺數、光伏板串并聯數、蓄電池串并聯數)、全年發電量、系統供給虧欠率LPSP、度電成本。為說明風力機的不同選型和光伏板的不同安裝傾角對系統容量匹配的影響，本文使用優化程序計算出兩種不同型號相同額定功率的風力機全年發電量情況，以及在不同安裝傾角下的光伏板全年發電量；并重點分析風力機、光伏板和蓄電池3者之間的容量匹配關系，以及兩者容量的匹配關系。最后根據用戶給定的系統供電虧欠率要求篩選出滿足供電可靠性要求的一組風光互補發電系統配置。

系統匹配設計結果：HY-1500型風力機臺數k=2；SQ200型光伏板數NPV=40；蓄電池數Nbat.=72；度電成本為2.06元/kWh；滿足全年系統供電虧欠率LPSP≤0.02的要求。

此系統配置中，光伏陣列的安裝傾角為18°，在此安裝傾角下能保證光伏陣列與風力機全年各月月平均發電量有更好的互補性，從而減少對蓄電池的需求量。

由表2可看出，為保證全年系統供電虧欠率LPSP≤0.02的要求，當風力機數量不變，光伏板減少就需要增加蓄電池的數量；當蓄電池數量不變，光伏板減少就需要增加風力機的數量。當蓄電池的數量增加時，系統盈余電量減少；而當風力機數量增加時，系統盈余電量增加。由于本案例是離網發電系統，系統中所采用的蓄電池是4年使用壽命的鉛酸蓄電池，過多使用蓄電池雖能使系統的盈余電量降低，但同時也會使發電系統的度電成本上升。

表2 系統配置大小及系統每月的性能

此外，風力機的輸出功率隨風速的變化呈3次方變化。由于風能分布的不均勻性和隨意性較大時，會使每個月風力機的發電量出現大幅度波動，為滿足風能和太陽能資源最差月的用電需求，在其他月份不可避免地會產生盈余電量。如圖4所示，系統為滿足8月份的用電需求，在3～6月和10～12月產生了大量盈余電量，這是由于風能資源的不平衡導致的。本程序通過選擇合理的風力機、光伏陣列及蓄電池的容量組合，使整個系統的盈余電量較少，成本最低。

圖4 系統供電量與用電量之間的關系

4 結論

本程序的設計充分利用了風光資源在時間分布上所呈現出的一定互補性，以及各設備變化對發電量和度電成本的影響，使所設計的系統能最大程度地利用當地風能和太陽能資源，滿足系統用電量要求，并降低系統成本。此外，本優化程序的漢字化圖形界面，使其更便于操作和使用。

[1] 李爽. 風/光互補混合發電系統優化設計[D]. 北京: 中國科學院電工研究所, 2001.

[2] 羅運俊, 何梓平, 王長貴, 等. 太陽能利用技術[M]. 北京:化學工業出版社, 2005: 7－20.

[3] 楊金煥, 毛家俊. 不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算[J]. 上海交通大學學報, 2002, 36(7): 1032－1036.

[4] 肖毅. 風光互補發電系統的優化設計[D]. 西安: 西安交通大學, 2001.