基于多目標優化策略的風光柴儲發電系統的設計

李瀟瀟 楊明 韓健 徐忠良 李悅悅

摘 要：為實現風光柴儲發電系統的最佳配置，本文提出基于多目標優化策略的風光柴儲發電系統，設計了發電系統，提出了系統經濟性最優、系統供電可靠性最優、對風能或太陽能利用率最大的三種優化策略，本文的工作可為混合發電系統的設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：多目標優化；風光柴儲；發電系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.073

目前國內外已經開展了關于混合發電系統的相關理論研究，這些研究主要側重于控制方法、以及對系統中各發電單元容量的優化配置等方面[1]。例如有文獻提出考慮各種能源不同的特點，找出成本最低的組合，但其缺點是并未考慮安裝場址實際發電效率以及場地限制等因素，并無法貼切地根據安裝場址實際環境做出最佳比例配置。有些文獻研究了風光互補系統的理論最佳容量配置，但沒有考慮安裝環境因素，對儲能環節的計算和考慮也比較模糊，參數在一個較大范圍內變動，降低了系統的可靠性和可用性[2-3]。

1 本課題研究的意義

為改善新能源發電系統的可靠性，提高系統供電的穩定性，可配備儲能設備，形成風能、太陽能、水能、燃氣輪機、儲能等多種能源混合互補系統。合理的選擇互補能源直接關系到整個系統的可靠性和經濟性。風光柴儲混合發電系統以其獨立的供電方式，已經越來越廣泛地應用到廣大缺電的邊遠地區和無電的海島地區，整個系統的優化配置和運行費用是項目成功實施的關鍵。

2 風光柴儲混合發電系統的設計

本文設計的風光柴儲混合發電系統由六部分構成，包括太陽能電池陣列、風力發電機、柴油發電機、電力變換裝置、蓄電池、交直流負載（如圖1所示）。太陽能電池陣列、風力發電機及柴油發電機所發出的電能以互補的方式傳輸給電力變換裝置，轉換為適合負載運行要求的電能傳輸給負載。如果電能在滿足負載運行的同時有盈余，則經充電器給蓄電池組充電。對于風光柴儲互補發電系統，它的工作情況主要由太陽能、風能、柴油發電機、蓄電池和負載的狀態共同決定，發電輸出的能量應與負載當前消耗的能量以及蓄電池所能儲存的能量總和匹配。風光柴儲互補發電系統中柴油發電機相對獨立，可以單獨，也可以與太陽能電池陣列或風力發電機聯合輸送電能。

3 多目標優化策略

本文提出針對不同優化目標而開發不同的優化策略和算法，達到對各發電方式的功率進行最優控制和調度。優化策略包括：對各發電方式的啟動功率進行靈活設定，對各發電方式的運行優先級別進行劃分，對各發電方式的發電功率在總功率的百分比進行智能控制等。優化目標包括三方面：系統經濟性最優、系統供電可靠性最優、對風能或太陽能利用率最大。闡明如下：

（1）系統經濟性最優。利用風能和太陽能在時間空間上具有較好的互補性，通過調整二者的比例，使發電量曲線接近負載的用電功率曲線，以減少柴油發電機的啟動頻率，并可據此削減儲能單元容量的配比，提高系統的經濟性。此外利用蓄電池和超級電容在功率密度和能量密度方面優勢互補，在為負荷長時間持續供電時，主要考慮蓄電池的儲能能力，發揮蓄電池大容量存儲的特性；在為沖擊性負荷供電時，則考慮超級電容器的大功率吞吐能力，發揮超級電容器能量密度大和循環壽命長的優勢。二者根據負載特點按一定比例組成的混合儲能系統可大大提高儲能元件的壽命，提高系統的經濟性。

（2）系統供電可靠性最優。由于風能、太陽能均具有隨機性和不確定性，在光照強度和風力強度很弱或負荷沖擊性大的情況下，通過柴油發電和儲能系統為負載提供足夠的電能輸出，保證供電電能質量和持續性。在光伏、風電甚至柴油發電機都無法正常工作的情況較多時，需要提高系統中儲能裝置的配比，滿足為重要負載提供穩定的電能，保證供電的可靠性。

（3）對風能或太陽能利用率最大。如果當地風能資源更豐富，可增加風機容量的配置；如果當地太陽能資源更豐富，則增加光伏陣列容量的配置。以此提高混合系統的整體發電效率，并調整儲能系統的容量，保證在光照充足或風力較大時儲能系統能夠充分吸收過剩的太陽能或風能。

4 結語

本文設計了風光柴儲發電系統，提出了針對不同優化目標而開發不同優化策略的方法，綜合考慮了風光柴儲混合發電系統中各單元的發電特性、建設地點的自然條件、負荷用電需求、儲能系統特性等，旨在保證混合系統供電的可靠性和合理性，同時提高系統的實用性和經濟性，以滿足不同條件下的用電需求。

參考文獻：

[1]張大頂.風光柴蓄互補發電系統的控制策略和優化設計研究[J].電子技術與軟件工程，2015（04）：177-178.

[2]劉建濤，張建成，王珂等. 獨立光伏發電混合儲能系統容量優化研究[J].電網與清潔能源，2012，28（03），85-90.

[3]何勇琪，張建成.獨立型風光互補系統中儲能容量優化研究[J].電力科學與工程，2012，28（04）：9-13.

作者簡介：李瀟瀟（1980-），男，遼寧沈陽人，博士，高級工程師，主要研究方向：光伏系統優化和光伏建筑一體化發電系統設計。