風光互補發電系統的應用及優化設計

趙艷梅

【摘 要】隨著社會的發展，風能、太陽能等可再生能源的應用越來越廣泛，其能夠緩解當前面臨的能源緊缺和環境污染問題。作為新型能源，風能和太陽能可以解決供電問題，并完善供電系統，對各行各業和區域經濟發展有著積極的作用。基于此，文章就風光互補發電系統展開研究，希望能夠為風光互補發電的實際應用提供參考。

【關鍵詞】風光互補發電系統;應用;優化設計

【中圖分類號】TM61 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0060-03

能源在人們的日常生活生活中占據了重要地位，其為社會和經濟的發展起到了保障作用。人類社會在發展過程中，作為重要的能源體系，石油、煤炭及天然氣是主要能源構成，其在應用過程中不僅會加劇能源緊缺狀況，也會產生嚴重的環境污染問題，對生態系統產生破壞。近年來，世界各國開始重視能源應用問題，加大力度開發清潔、可再生能源，在滿足經濟發展需求的同時解決環境問題。因此，提出了風光互補發電系統，通過推廣和應用該系統，充分利用風能和太陽能，構成新型能源發電系統，為人們的生產生活提供充足的電力。

1 風光互補發電系統概述

風光互補發電系統通過應用風能和太陽能，并與多種能源發電技術相結合，在智能控制技術的基礎上實現發電，為可再生能源發電系統。該系統主要由風力和太陽能發電組件構成，其中蓄電池能存儲電能，通過逆變器將直流電轉化為交流電，為用戶提供電力[1]。該系統能夠使風電和光電之間形成互補，可以根據用戶用電和資源實際情況分配系統容量，保證持續供電，減少能源浪費。該系統分為兩個發電單元，其費用與區域風能和太陽能實際資源有關，同時這兩種資源的互補情況也會影響其利用情況，該系統會根據季節、晝夜變化等太陽能和風能的實際變化情況來分配能源，并利用自動控制系統實現充放電和發電。

2 風光互補發電系統應用

2.1 航標

我國很多地區都有應用太陽能航標，根據天氣狀況運行的，若天氣不好，就無法滿足太陽能發電要求，這就需要風力發電作為補充。一般情況下，春夏兩季氣溫高，太陽輻射強，太陽能資源比較豐富，能夠滿足太陽能發電配置需求，這時就不需要啟動風光互補系統，但是在冬季或雨雪天氣時，溫度低，太陽輻射量少，太陽能資源相對較少，太陽能發電無法滿足供電要求，這時就需要啟動該系統，采用風能發電[2]。

2.2 建筑行業

隨著社會的發展，建筑行業不僅要滿足建筑要求，同時要滿足節能環保要求。對此，需要全面應用風光互補發電系統，安裝太陽能集熱管和風力發電機，同時在應用該系統時，建筑也需要滿足光伏一體化要求，同時具備屋頂風力發電機、風光互補鍋爐等建筑設施。

2.3 發電

一方面，該系統可以在無電農村應用。我國區域經濟發展水平有所差異，經濟發展不平衡，有些農村地區缺少基本的生產生活電能，例如青藏高原等地區，這類地區的風能和太陽能資源比較豐富，可以通過風光互補發電技術為其提供充足的電能。為滿足農村用電需求，需要加大力度構建可再生能源供電系統，通過風光互補滿足農村生產生活用電，推動農村發展。另一方面，該系統也能夠實現并網發電，應用光伏產品實現發電，例如在高原、沙漠地帶安裝光伏產品，開發風光互補發電系統來建設電網。

2.4 日用品

該系統廣泛應用在日用品中，例如路燈、充電電源、供暖等產品。城市路燈應用該系統十分節能，盡管前期投資較大，但是減少了施工工程量且不會消耗電能，經濟性整體比較好。城市道路和景觀照明都可以應用該系統，其發展趨勢比較可觀。

2.5 沙漠治理

我國經濟穩步發展，為有效治理沙漠，我國投入了大量的人力、物力，在開通沙漠公路后，區域居民生活水平有所提升，自然環境也有所改善。在治理過程中，需要大量的水資源和電能資源，對此，需要應用風光互補發電系統及相關的設施，為沙漠治理提供所需的資源。

3 風光互補發電系統優化設計

3.1 系統設計

風光發電呈現時間互補特征，夜晚風速大于白天風速，其輸出風能比較高，而白天太陽能資源豐富，光伏發電效果好，彼此在能源上有互補性，可以共同使用一部分控制器件和蓄能設備，因此將兩者結合起來能夠形成優勢性的風光互補發電系統，可以將風能和太陽能綜合利用起來，應用前景比較好[3]。風光發電互補系統如圖1所示，光伏列陣、風機發電，將電能存儲到蓄電池組中，用戶用電時只需要利用逆變器就能夠將直流電轉化為交流電，實現電能傳輸。

3.2 優化設計模型

風光互補發電系統在優化設計時，其需要對風機、光伏組件、蓄電池的數量及光伏列陣安裝傾角這4個變量進行優化。

該系統的目的在于用最小成本達到最優發電，系統成本包括初始安裝和后期維護兩個部分[4]。系統的運維成本關系著負載系統的負載大小及其總容量，負載大小固定時，容量大，運維成本就會上升。儲能器件更換與風機保養是主要成本，該部分發電成本不會對優化設計產生較大影響，只需要考慮初次安裝成本即可。安裝優化設計目標，得到目標函數如下：

Cw、Cpv、Cb分別為風機、光伏組件和蓄電池組單價（元）。

該系統優化設計要符合負荷需求，系統在滿足負載的基礎上，在一定時間內實現可靠運行，進而達到最低成本目標。假定評估期為1年，間隔時間以天為單位，風光組建發電量：

Vw為風速，Pw是風機功率特性參數;水平輻射量為H，維度角為λ，光伏列陣傾角為s，天數為n，日照時數為S，溫度為T，Npv為組件配置數量，Ppv為光伏組件功率特性參數。

蓄電池組日初始容量計算公式：

Eb是儲能元件剩余電量，Ebm是最大可用電量，El是負載耗電量，Eov是盈余電量。

若是不考慮外界因素對蓄電池組的影響，同時假定其充放電效率是1，最大放電深度是最大蓄電量一半，這是為延長電池壽命。假定蓄電池組初始電量：

Ebat是儲能元件額定電量。

在計算時，若是負載去電，盈余電量就為負值，缺電次數則加1。在評估期內，負載缺電次數之和與365相除，則得到缺電率，則該設計的約束條件就可以用下式表示：

LPSP-LPSPset≤0，LPSP為負載缺電率，LPSPset為負載缺點率閾值。

0°≤s≤λ+30°，s為光伏列陣固定傾角。

3.3 結果分析

通過對區域氣象站所記錄的日平均風量和太陽能量的統計，在優化設計時，以每戶每日負載耗電量為5 kW·h，分別計算2戶和10戶的用電量。風力發電機選擇額定功率為1 kW，單價在3 000元，光伏電池組件為單晶硅組件，峰值在50 W，單價在320元，儲能元件則是膠體免維護的蓄電池組件，容量在13 V，單價為1 100元。通過遺傳算法建立風光互補系統模型，在進行迭代計算時，該算法利用懲罰函數對模型中的非線性和整數約束進行處理，得到歷史群體最優和平均的函數值變化。每代個體數量是20，限定的最大遺傳代數為100，在通過60代的優化計算選擇后可以成本收斂，進而得到最優結果。

在假設兩種負載基礎上，這2戶和10戶兩種用戶的日用電量統一，得到的結果見表1。

3.4 系統運行分析

在能量輸出模型中帶入小負載結果，通過仿真可以得到風力和光伏兩種發電量。在能量輸出模型中帶入大負載結果，通過仿真得到風力和光伏兩種發電方式的發電量。

通過對市場調研得到，風光互補發電系統中零部件選取的都具有經濟性及實用性，在通過計算后可以獲得安裝成本（見表2），同時根據市場對后續的維護成本進行了估算，最終得到總成本是初始成本和維護成本相加之和，供電成本是總成本和設備使用期間內的用電總量相除所得結果。計算結果可以表示該系統供電成本相較于網電而言要高，且存在明顯的季節差異，為保證供電穩定性，供電成本也會隨之升高[5]。在對比不同負載容量，與大負載配置要求相符的供電成本呈現下降趨勢，但是這與器件選擇也有關系，總之，供電成本是存在偏差現象的。

4 結語

本文通過闡述風光互補發電系統，首先了解該系統的主要內容及特征，其次對其在航標、建筑行業、發電、日用品、沙漠治理等方面的應用進行了分析，最后對其優化設計展開深入研究，建立了優化設計數學模型，將負載缺電率作為約束條件，并進行計算，建立電量輸出模型，求解模型，得到大小負載條件下，系統優化設計結果，之后進行仿真分析計算，得到最終的供電成本，對其進行比較。通過仿真分析發現，風力和光伏發電量本身的穩定性不高，其發電量遠超過了負載，且存在輸出盈余，也出現負載缺電現象。在對風光互補發電系統優化后發現，這種發電形式仍然需要與其他供電模式結合，在進行經濟性計算后得到，該發電系統成本相較于電網要高。

參 考 文 獻

[1]楊輝，王麗萍，薛森賢，等.PLC在風光互補發電系統中的應用——光伏發電系統[J].能源研究與管理，2019（3）.

[2]齊志.基于貝塞爾函數和斐波那契數列的分布式風光互補發電系統[J].中國新通信，2018，20（3）.

[3]袁延華，馬琳，孫洪芹.風光互補發電技術在農村生活污水處理中的應用[J].中國資源綜合利用，2019（2）.

[4]胡瀅，臧大進，張勇，等.基于知識融合PSO的風光互補發電系統優化[J].控制工程，2019（5）.

[5]錢為，徐政，陳銳堅.風光互補提水系統的研究與開發[J].太陽能學報，2019（9）.