巴基斯坦50 kW離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中興能源有限公司 ■ 張濤

0 引言

巴基斯坦目前存在著嚴(yán)重的電力短缺，部分偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)甚至無電或停電時(shí)間超過12 h。電力短缺不僅制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，也不利于人民就業(yè)、教育、醫(yī)療水平的改善，快速建設(shè)電力基礎(chǔ)設(shè)施迫在眉睫。幾個(gè)月內(nèi)即可建成的大型光伏地面電站能大幅緩解電網(wǎng)的電力短缺問題，但配套傳輸和分布線路的建設(shè)周期長、投資大，且其對(duì)于邊緣地區(qū)覆蓋不具備經(jīng)濟(jì)性。

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)不需要電網(wǎng)傳輸線路，可在很短時(shí)間內(nèi)迅速解決電力短缺的問題，其直接定位于最終用戶，并提供最經(jīng)濟(jì)的解決方案。太陽能與風(fēng)能在時(shí)間上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天太陽光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很??；太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變大使風(fēng)能加強(qiáng)[1]。在夏季，太陽光輻射強(qiáng)度大而風(fēng)??；冬季，太陽光輻射強(qiáng)度弱而風(fēng)大[2]。太陽能和風(fēng)能這種時(shí)間上的互補(bǔ)性使離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，是具有較高性價(jià)比的新能源供電系統(tǒng)[3]。

本文以亞洲開發(fā)銀行在巴基斯坦偏遠(yuǎn)無電村莊的試點(diǎn)項(xiàng)目為例，通過對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的仿真及村民用電量的分析驗(yàn)證，項(xiàng)目最大程度地滿足了當(dāng)?shù)卮迕竦挠秒娦枨蟆?/p>

1 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目由亞洲開發(fā)銀行投資，在巴基斯坦建立離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為試點(diǎn)，以解決亞洲偏遠(yuǎn)無電地區(qū)貧困村莊的用電問題。項(xiàng)目位于巴基斯坦旁遮普省胡沙布地區(qū)的2個(gè)偏遠(yuǎn)山村Pheera和Wadgal，2個(gè)村莊相距500 m，共有80戶家庭，平均每戶家庭約為7人。

項(xiàng)目的工作范圍主要包括離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)備的采購、運(yùn)輸、安裝、調(diào)試，人員的培訓(xùn)，以及電站的運(yùn)維等工作，屬于“交鑰匙”工程。

2 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

本項(xiàng)目中，離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備主要包括：光伏組件、太陽能控制器、風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組控制器、蓄電池組、逆變器、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)等。光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過太陽能控制器將電能存儲(chǔ)在蓄電池組中，同時(shí)經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，然后給負(fù)載供電；風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，電能經(jīng)風(fēng)電機(jī)組控制器將電能存儲(chǔ)在蓄電池組中，同時(shí)經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電給負(fù)載供電。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

表1 80戶家庭平均每天用電量情況（單位：kWh）

表2 公共設(shè)施平均每天用電量情況（單位：kWh）

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

2個(gè)村莊共計(jì)80戶家庭，每個(gè)家庭的負(fù)載為3盞14 W的LED燈、1個(gè)70 W的節(jié)能落地風(fēng)扇、1臺(tái)100 W的電視機(jī)及0.1 W的手機(jī)充電器。公共負(fù)載包括：2個(gè)清真寺、1個(gè)學(xué)校、1個(gè)活動(dòng)中心、1個(gè)電站控制室的LED燈和風(fēng)扇，以及20個(gè)路燈。

針對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載，亞洲開發(fā)銀行提供了詳細(xì)的負(fù)載數(shù)據(jù)，2個(gè)村莊最大負(fù)載功率為18.5 kW?？紤]到季節(jié)原因，最大用電量在每年的7月，由于天氣炎熱，風(fēng)扇的使用時(shí)間最長。由表1～表3可知，2個(gè)村莊7月的用電量最大，平均每天的用電量為171.5 kWh。同時(shí)，考慮到村民生活改善后負(fù)載增加的情況，亞洲開發(fā)銀行要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足15年用電量年增長率2%的要求，以滿足當(dāng)?shù)厝嗣袢找嬖鲩L的用電需求[4]。

表3 村莊平均每天用電量情況

由表3中的數(shù)據(jù)可推算出2個(gè)村莊全年的用電量約為4.3萬kWh，因此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的裝機(jī)容量為50 kW。根據(jù)亞洲開發(fā)銀行的前期調(diào)研，由于當(dāng)?shù)靥柲苜Y源優(yōu)于風(fēng)能資源，于是采用30 kW光伏組件和20 kW的風(fēng)電機(jī)組。

3.2 光伏組件間距計(jì)算

光伏組件的安裝采用固定傾角安裝。對(duì)于固定式安裝，必須考慮組件前、后排的陰影遮擋問題，并通過計(jì)算確定光伏方陣的間距或光伏方陣與建筑物的距離。一般的確定原則是：冬至日9:00～15:00的時(shí)間段內(nèi)，光伏方陣不被遮擋。若發(fā)生遮擋，組件非但沒有電力輸出，反而要消耗電力，形成局部發(fā)熱，產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)” ，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞光伏組件。

方陣間距確定原則為：一年中冬至日太陽高度角最低，方陣間距應(yīng)大于冬至日真太陽時(shí)9:00 ～15:00 時(shí)的陰影最大長度，則光伏方陣在一年中太陽輻射范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生陰影遮擋。根據(jù)項(xiàng)目所在地的緯度、太陽運(yùn)動(dòng)情況、高度差等可由式(1)～ 式(3)計(jì)算出最大陰影長度D。

式中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?北半球?yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù))；H為前排陣列(或其他遮擋物)最高點(diǎn)與后排組件最低位置的高度差；δ為冬至日的太陽赤緯角，取-23.5°；ω為時(shí)角，9:00～15:00 時(shí)的時(shí)角取±45°；α為太陽高度角；β為太陽方位角。

通過計(jì)算并附加一定的裕量，在光伏組件前、后排之間不存在高程變化的情況下，本項(xiàng)目光伏方陣標(biāo)準(zhǔn)間距取2 m。

3.3 光伏組件串聯(lián)數(shù)量

光伏方陣中，同一光伏組串的各光伏組件電性能參數(shù)宜保持一致。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，可計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)：

式中，Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；Kv′為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N取整數(shù))；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT 電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT 電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

Vdcmax取460 V，Vmpptmin取250 V，Vmpptmax取450 V，Voc取37.82 V，Vpm取30.29 V。一般情況下，較少有廠家提供光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)，在此按照規(guī)范以光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)代替，Kv=Kv′=-0.33%/℃。根據(jù)收集的當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度范圍在4～40.5 ℃，即t為4 ℃，t′為40.5 ℃。將以上數(shù)值代入式(4)～式(5)，可得8.7≤N≤11.37，由于N取整數(shù)，所以N可取9、10或11。但考慮到光伏組件總數(shù)量為200塊，因此選擇光伏組件串聯(lián)數(shù)為10，即每10塊光伏組件串聯(lián)，20串光伏組串再通過匯流箱進(jìn)行并聯(lián)。

3.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量仿真

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，國際上通常采用仿真軟件獲得。PVsyst是一款全球性專業(yè)的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，軟件包含了初步設(shè)計(jì)工具、工程設(shè)計(jì)工具、數(shù)據(jù)庫設(shè)備管理及結(jié)果模擬比較等工具，可用于不同種類的光伏系統(tǒng)模擬和設(shè)計(jì)，并可模擬系統(tǒng)發(fā)電量。圖2為本光伏系統(tǒng) PVsyst發(fā)電量仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可知，30 kW的光伏系統(tǒng)首年可為村民提供46920 kWh的電量，但有時(shí)在蓄電池已經(jīng)滿充且負(fù)載不大的情況下，會(huì)損失一部分電量，所以最終首年村民能消耗的電量為38770 kWh，但村莊的年用電量約為4.3萬kWh。即使在不考慮年用電量2%的增幅的情況下，僅光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量無法徹底滿足村民的用電需求，因此，剩余的電量需求需要由風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)滿足。

圖2 PVsyst發(fā)電量仿真結(jié)果

3.5 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)采用2臺(tái)10 kW的風(fēng)電機(jī)組與光伏系統(tǒng)配合。風(fēng)電機(jī)組供電系統(tǒng)原理圖如圖3所示，2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組分別連接2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組控制器，將風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電整流成直流電，同時(shí)輸出的直流電連接到蓄電池組給蓄電池充電；在蓄電池組正負(fù)極連接卸荷箱，以便在風(fēng)速過大時(shí)防止蓄電池過充，通過卸荷箱將多余的電放掉；最后，蓄電池連接到逆變器將直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后輸送給負(fù)載。

圖3 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖4 2004～2013年10 kW風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量仿真圖

Windographer是一款在測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理、分析、可視化及可靠性驗(yàn)證方面最為先進(jìn)的軟件和工具，可兼容各種測(cè)風(fēng)塔及遙感測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，為風(fēng)電項(xiàng)目模擬計(jì)算提供最重要、最準(zhǔn)確的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。輸入本項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過仿真軟件的模擬計(jì)算，可以得出項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)10 kW風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量數(shù)據(jù)為17479.1 kWh，因此，20 kW風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量數(shù)據(jù)為34958.2 kWh。

3.6 蓄電池組設(shè)計(jì)

項(xiàng)目地氣候條件及負(fù)載功率，決定了蓄電池的備份時(shí)間、工作環(huán)境溫度、電池容量校正系數(shù)及最大放電深度，然后根據(jù)式(6)，可計(jì)算得出蓄電池組的容量：

式中，蓄電池備份時(shí)間取1.5天；每天用電量按照7月最大用電量171.5 kWh計(jì)，項(xiàng)目中蓄電池的壽命為5年，5年內(nèi)預(yù)計(jì)每年用電量增加2%；最大放電深度取80%；溫度修正系數(shù)取1(按照最大用電量月份估算，溫度大于25 ℃)；直流母線電壓取220 V；蓄電池能量轉(zhuǎn)換效率取95%；逆變器效率取90%。將數(shù)據(jù)代入式(6)后可得：

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片

表4 50 kW離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與用電量分析表

通常管式膠體蓄電池常用型號(hào)只有2V/800 AH或2V/1000AH，因此，為了滿足設(shè)計(jì)容量需求，采用2組110節(jié)1000 AH的蓄電池并聯(lián)。組逐月發(fā)電量和年發(fā)電量，以及考慮了衰減(首年衰減2.5%，后逐年衰減0.7%)后得到的光伏系統(tǒng)首年和第15年的逐月發(fā)電量及年發(fā)電量。由表4可知，經(jīng)過了15年，村民的年需求用電量從43175.3 kWh增至56968.9 kWh。在此情況下，50 kW離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)首年每月發(fā)電量都能夠完全滿足村民的用電需求；隨著時(shí)間的推移，村民用電量增加，系統(tǒng)發(fā)電量降低，直到第15年，離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年負(fù)載

4 系統(tǒng)發(fā)電量分析

表4顯示了客戶需求的用電量，2臺(tái)風(fēng)電機(jī)不滿足率為3.89%，仍然滿足亞洲開發(fā)銀行要求的5%以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)發(fā)電量分析可知，前幾年離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較村民的用電量有較大的剩余，特別是春季和冬季。因此，在電站運(yùn)維人員的指導(dǎo)下，可以允許當(dāng)?shù)卮迕裼杏?jì)劃的接入設(shè)計(jì)負(fù)載范圍以外的其他負(fù)載，如水泵或面粉機(jī)等，以達(dá)到不浪費(fèi)系統(tǒng)所產(chǎn)生電力的目的。

5 結(jié)論

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)更好地彌補(bǔ)了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在單獨(dú)使用中所帶來的問題，從而保障了供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。本文根據(jù)亞洲開發(fā)銀行在巴基斯坦偏遠(yuǎn)無電村莊的試點(diǎn)項(xiàng)目，分析用電負(fù)荷情況，并考慮環(huán)境等因素對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在項(xiàng)目已經(jīng)通過亞洲開發(fā)銀行的驗(yàn)收，完整的離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完美解決了巴基斯坦偏遠(yuǎn)無電村莊的用電問題，并以此為示范點(diǎn)，向全亞洲推廣。

[1]談?shì)碓? 衛(wèi)少克.離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 25(3): 244-248.

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[4]彭有明，詹躍東.離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)[J].蓄電池, 2015, 52(4): 174-177.