风光蓄互补范文

风光蓄互补范文（精选8篇）

风光蓄互补 第1篇

1 风光柴蓄发电系统组成

系统是通过两个独立的发电装置采用组合并统一对电能进行储备运行。首先系统由光法发电装置、风力发电装置、抽水蓄能装置、柴油机组以及逆向改变整流机组, 电流控制装置组成, 通过光发电装置和风力发电装置产生电能, 用抽水蓄能装置对电能进行蓄备。最后通过其他机组的配合把电能进行调控和合理转换达到这个系统运行稳定。

2 控制管理方法

2.1 抽水蓄能控制管理

此装置的控制目的是在风力发电和光伏发电已经在在蓄能满负荷后适当的控制柴油动力降低, 让系统的效能增高。通过水库位置设置产生出一个势差, 调整势差对发电机的作用进行工作。管理方法首先:关闭整流器和逆变器连接光伏电站开关, 也关闭整流器连接各机组开关。让整个系统通过抽水蓄能电站运作发电, 其次, 关闭整流器与光伏电站的开关, 以及整理器之间的开关, 再让抽水蓄能发电机组与整流器关闭, 当光伏和风力发电机组与抽水蓄能电站都能满足系统运行时要先用风力发电和光伏发电, 当不能满足系统时要用抽水发电。

2.2 风力发电最大功率管理

在风力发电机组的输出功率会因其风轮速度不同产生变化, 如果风力发电机组要获得最大功率需要根据风速的变化把机组的转速提高, 可以根据转速的调整控制发电的功率。风力发电机的MPPT控制方法是对功率最优的方法之一, 具有工作原理不繁琐的优点, 要按照风力发电机输出电能的曲线值来控制相应的机组速率。控制方法见 (图1) 。

3 风光柴蓄互补发电系统的方案设计

(1) 目前最可行的非线性优化问题方法是粒子群算法, 此算法是通过研究但一体与外界的相互影响来考虑如何通过多个体组成的群体经验共享指导单一个体改变自身, 以适应外界及粒子向最佳区域靠近。通过粒子群算法让每个粒子体都存在单独解并由一个目标优化函数相对应的值, 得出各体运作的方向。首先要生成一个统一的随机粒子解, 并规定在空间内运行的速率, 在对速率进行一定情况的动态调整后寻找每个粒子潜在的解, 表示出在空间的运动位置轨迹, 对最佳位置的几率找到整个粒子群运行的最佳轨迹, 在对每个粒子在群体运动得出如任一粒子i在空间运作中的方程式:

通过公式对表述, 得出粒子群被定为一个交叉概率r值表示, 并选定一定量的粒子进行两个相互之间的交叉产生出同等数值的子代并取代父代粒子。得出X (t) , Y (t) 两个新粒子并得出:

当两个交叉概率定义后其算法在解的空间上获得了最优的搜索整体显示。

(2) 粒子群计算方法进行设计。设计工作首先要对在满足其系统正常运行基础上对配置的相应最低成本, 以及最适宜运行的成本进行目标函数的表述:

其中公式中Ni表示为光伏电池等发发电机组的容量, Ci为各发电机组的价格, Pi为各机组的输出功率大小, Wi (Pi) 定义为维护成本。

随后, 要对约束条件进行设定, 要对机组间是否满足:

公式中t是时刻系统需要承担的总负荷大小, 而Wi (t) 为t的光伏电池发电机组的输出。引起, 需要各机组要满足相应的发电容量限制, 进而Pimin≤Pi≤Pimax, 并得出风力风力发电机组的发电量限制结论:Vmin≤V≤Vmax。

(3) 配置步骤和结果。首先选择合适的光伏电池型号, 并按照风力发电机和光伏电池的型号采用粒子群计算方法和控制管理方案对其发电机组进行合理的优化配置, 在出发电需求无法满足系统的需求后, 要启动备用电能对系统负荷开始供电, 并让柴油机组开始工作, 保证系统在电力的输出上的稳定, 同时让其功率是最大负荷达到及优化。

配置结果需要设定统一前提, 按照我国西部某地区的环境参数的表示, 得出相应的目标函数优化取值, 得出以下表格:因而, 得出第一种方案的成本是最经济的, 而第三个发电量最大, 相比较而言, 当地自然资源丰富其第三个方案比前两个方案成本会增高。第二种方案的风能利用率低, 因此, 选择第一种。 (表1, 2, 3, 4) 。

4 结论

根据对粒子群计算方法和管理策略的研究得出风光柴蓄互补发电系统可以进行优化配置, 在降低成本和提高效率上, 能起到积极作用。

摘要：风光柴蓄互补发电系统是由风力发电机和柴油机组等大型元件按照设计要紧密安装的, 具有发电量大, 经济效益高和环保的众多优势得点。但系统结构复杂, 抽水蓄能运行控制要求高等问题因而其系统机构优化程度至关重要。本文按照粒子群计算方法对风光柴蓄互补发电系统的控制和结构最佳调整提出了建议。

关键词：风光柴蓄,方案,优化

参考文献

[1]姚传安.小型风光互补发电系统控制和能量预测技术研究[D].河南农业大学, 2013.

[2]刘梦璇.微网能量管理与优化设计研究[D].天津大学, 2012.

风光互补发电系统简介 第2篇

一、概述

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

二、风光互补发电系统的发展过程及现状

最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。

据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

三、风光互补发电系统的结构

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；

(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：

●利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

●在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量[5]；

●通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

四、风光互补发电系统的应用前景

(1)无电农村的生活、生产用电

中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

(2)半导体室外照明中的应用

世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。

室外道路照明工程主要包括：

●车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；

●小区(广义)道路照明工程(小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等)。

目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程、风光互补led智能化隧道照明工程、智能化led路灯等。

(3)航标上的应用

我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。

天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行、效果明显。

(4)监控摄像机电源中的应用

目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。

(5)通信基站中的应用

目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。

要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电不足时使用。这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。

(6)抽水蓄能电站中的应用

风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死去，并有利于能源开发中的生态环境保护。

风光互补抽水蓄能电站的开发至少满足以下两个条件：

●三种能源在能量转换过程中应保持能量守恒；

●抽水系统所构成的自循环系统的水量保持平衡。

虽然与水电站相比成本电价略高，但是可以解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。

风光互补发电系统的应用向全社会生动展示了风能、太阳能新能源的应用意义，推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设，具有巨大的经济、社会和环保效益。

总结

风能和太阳能都是清洁能源，随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

总之，相信随着设备材料成本的降低、科技的发展、政府扶持政策的推出，该清洁、绿色、环保的新能源发电系统将会得到更加广泛的应用。

风光蓄互补 第3篇

随着全球能源危机, 分布式发电特别是风电、光伏发电和小水电等可再生能源发电成为世界范围内研究的热点[1]。微电网能接入可再生能源发电, 包含储能单元以及负荷, 能够以一体化运行, 灵活地接入和切出主网, 工作于并网模式或者孤岛模式, 是未来智能电网的重要组成部分[2,3]。

我国的风能、太阳能和水能呈现季节互补的特点, 太阳能最丰富的夏季处于丰水灌溉期, 而风能比较丰富的冬季则处于枯水期, 因此利用小水电结合风光等其他分布式发电进行互补发电是微电网的一个发展趋势, 风能、太阳能与水能通过合理的规划实现这三种绿色能源的互补具有广泛的推广应用价值, 存在以下几点明显优势:①水电站快速调节出力, 补偿风机和光伏出力波动, 克服风光波动性和间歇性的缺点, 充分发挥互补能源优势。②多种能源的协调利用使得能源综合利用率得到很大提高。③电源供电质量和可靠性的提高, 明显降低了对补偿设备的要求。④通过合理布局与配置互补发电设备, 共用送变电设备与管理人员, 降低了单独运行建设各种微电网系统的投资成本。⑤从生态效益上讲, 将三种绿色能源进行联合开发, 大量减少了废弃物的排放, 非常有益于保护生态环境。典型的风光水蓄互补微电网如图1 所示。

目前, 对风光互补系统的研究[4,5,6,7,8]较多, 集中在改进控制策略、优化资源配置、降低运行成本方面。对调节水电站与风电的互补运行方面, 文献[9] 建立模型揭示了水电与风电互补的本质——水电对风电的容量支持和风电对水电的电量支持。对径流式小水电与风光互补的研究方面, 文献[10] 建立了有蓄水库的水电站与风光混合发电系统, 但没考虑当地负荷情况和与电网的双向交换功率。对于风水互补微电网研究, 文献[11] 构建了含储能装置的风电水电互补系统, 通过配置合适容量的蓄电池, 安排风电带基荷、水电调峰。本文对风光水蓄互补微电网系统建立了数学模型, 运用改进粒子群算法选取冬季典型日进行算例仿真和优化运行研究。

风光水蓄互补微电网优化运行模型

本文选取枯水期进行风光水蓄互补微电网优化运行研究并计算, 特点是风能比较丰富, 太阳能相对匮乏, 水电站径流量小, 不需考虑防洪问题。

目标函数

本文选取日调度, 一小时一个时段, 在保障系统安全稳定的基础上, 以互补系统所获得的日收益最大为目标函数, 即:

其中, Pwdt、Ppdt、Phdt分别为t时刻直接供给负荷的风电出力、光伏出力、水电出力, Pbt为蓄电池在t时刻的充 ( 放) 电功率 ( 正值为放电、负值为充电) , Pgt为t时刻与外网交换功率, 单位均为k W;c1为风电和水电直接供给负荷的单位千瓦时销售电价, cX为蓄电池充 ( 放) 电时产生的价值, c2为大电网对互补系统的交易电价, 单位为元/k Wh。

约束条件

日电力平衡约束:

水量平衡约束:

水库蓄水量约束:

发电引用流量约束:

水电站出力约束:

蓄电池容量约束:

蓄电池容量平衡约束:

功率传输约束:

约束条件式 (2) ~式 (9) 中, Plt为t时刻的负荷功率, 单位为k W;Vt为水电站第t时刻初水库蓄水量, Vt+1为水电站第t+1 时刻末水库蓄水量, 单位为亿m3;qt为水电站第t时刻平均径流量, 单位为m3/s;Qt为水电站在t时刻的发电流量;Pht为t时刻水电出力, Wt为蓄电池在t时刻初的容量, Wt+1 为蓄电池在t+1 时刻末的容量, 单位为m3/s;Pgt为t时刻与外网交换功率, △t为每个时段的长度, △t =1h。

微电网并网时经济调度的原则

本文所设计的包含风光水蓄互补微电网并网运行原则如下:

(1) 优先考虑风力发电和光伏发电。因为:①二者具有不可控性, 对自然条件依赖性大, 不具调度性, 为了不浪费必须满载运行。②二者不直接消耗燃料、无环境污染, 国家政策也重点支持清洁可再生能源发电, 故优先安排。这部分出力为固定出力, 不能直接优化。

(2) 当风力发电、光伏发电不能满足全部负荷需求时, 将全部负荷需求减去上述二种供电功率, 得到剩余负荷需求, 再对蓄电池储能、小水电进行出力优化, 尽量满足。

(3) 微电网和外网之间可以自由双向交换功率。

基于改进粒子群算法进行求解

改进粒子群算法的应用策略

粒子群算法 (Particle Swarm Optimization, PSO) 是近年来发展的进化计算技术之一。该算法模拟社会的群体行为, 在多维空间中对“粒子群”的系统进行寻优。每个粒子根据统计迭代过程中自身和群体发现的最优值修正自己的前进方向和速度, 最终找到全局最优值[12]。 大量研究成果表明:该算法操作简便, 依赖的经验参数较少, 已成功运用于求解多种优化问题。 本文应用PSO算法对所建立的模型进行求解[13]。改进粒子群算法指混沌粒子群算法CPSO和量子粒子群算法QPSO。将标准PSO、CPSO、QPSO三种算法应用到本文的微电网环境, 并在Matlab中进行编程和测试。通过测试, 三种算法的优化结果非常接近, 精度较高, 稳定性好, 可以应用于微电网优化。三种算法的各次测试结果, 都不完全相同, 各个时刻的优化值准确度存在波动, 为了提高微电网优化效果, 本文将三种算法结合起来, 设置合理的调用算法次数, 分别调用三种算法, 取其中的最优值作为微电网的优化结果。本文的PSO、CPSO和QPSO的参数设置如表1 所示。

决策变量说明

本文所描述的风光水蓄互补优化运行问题实际上是讨论在某日如何优化调度蓄电池充 ( 放) 电功率Pbt、水电站发电流量Qt、外网交换功率Pgt来确保互补系统在安全可靠运行的前提下达到效益最大化, 也就是在满足各种约束条件下找到这些序列点, 对电网的影响最小并获得相应的收益。算例中, 决策变量是蓄电池充 ( 放) 电功率Pbt、水电站发电流量Qt、外网交换功率Pgt, 通过确定发电流量Qt来确定时刻末水位、下游水位和水电的出力, 粒子维数为24×3, Pbt、Qt、Pgt各为24 维。

算例分析

本文选取SDEC—JACOBS 43/600k W型风力发电机, 其重要参数如下:额定功率为600k W, 切入风速为3.2 m/s, 额定风速为16m/s, 切出风速为25 m/s。

太阳能发电系统总发电功率300k W。

蓄电池为多块单元电池组成, 容量为2700Ah, 最大输出功率为600k W。

算例的参数设置如下:c1为0.56, 充电时cX为0.5, 放电时cX为0.58。

风光数据

冬季典型日温度数据选取1 月份某天的温度, 如图2 所示。

光照数据以中国天气网所给的某地区的光照强度为基础, 冬季典型日的光照数据如图3 所示。

参考相关资料, 本文设定的冬季典型日风速数据如图4 所示。

电负荷数据

电负荷根据微电网优化情形的需要可以进行适当调整, 参考相关资料, 本文设定的冬季典型日电负荷需求如图5 所示。

水电站数据

所选取的水库基本参数[11]为: 总库容1.0343 亿m3, 水库正常蓄水位1179.6m, 相应库容2990 万m3, 汛期限制水位1177.1 m, 防洪库容930 万m3, 死水位1175.8 m, 死库容5730 万m3, 多年平均年径流量为7244 万m3, 径流量在一昼夜间是基本均匀的 ( 汛期除外) 。水电站装机构成及总容量为800×3+400=2 800 k W, 属于小型水电站, 水电站单机发电引用流量最大为3.56 m3/s, 枯水期只有一台运行。水库水位与库容的关系如表2 所示, 计算水能时暂且不考虑水电站水头损失。假定水库日初始库容7032.143 万m3。

分时电价数据

本文的算例实行分时电价政策, 参考相关文件, 设定居民峰谷分时电价c2时段划分为:高峰时段为14:00 ~ 17:00 和19:00 ~ 22:00, 平期时段为8:00 ~ 14:00、17:00 ~ 19:00 和22:00 ~ 24:00, 低谷时段为0:00 ~ 8:00。

分时购电售电电价数据如表3 所示。

并网模式的优化运行结果

采用本文建立的模型、算法和数据, 经过仿真计算, 得出各种电源的发电情况。图6 显示了直接供给负荷的风电、光伏发电、蓄电池充放电功率和水电站出力的情况, 也显示了风光水蓄互补微电网与大电网的功率交换情况。根据微电网的结构和规模, 设定与电网的交换功率为[-500, 500]k W范围内为安全稳定运行。

并网模式中, 蓄电池储能系统以削峰填谷方式运行来充放功率, 最大功率100k W, 实际充放电70k Wh, 设计为一天充放一个周期11 个小时 (充电6h, 放电5h) , 随机充放电, 根据负荷特点, 高峰期放电, 低谷期充电。蓄电池各时段充放功率, 如图7 所示。水电出力、微电网与外网交换功率如图8、图9 所示。

结果分析

对风光水蓄互补微电网优化运行后, 根据图6 ~图9 分析如下:

(1) 第6 时刻 ( 风速较大) , 12 ~ 16 时刻 (风速较大, 光照充足) , 风机处于满发状态, 能满足负荷的要求, 因此水电站停机, 充分体现了优先利用不可调度的风力发电、光伏发电的原则。

(2) 在1 ~ 5、7 ~ 11、17 ~ 24 时刻, 由于风电、光伏发电较少, 需要水电站进行开机补偿, 体现了风光水蓄的互补性, 经济效益明显。

(3) 由图8 可知, 小水电出力多数处于满发状态, 而且出力占负荷总量的比例较大, 充分体现了以小水电为主的微电网的特性。

(4) 本装置在系统稳定的情况下考虑经济性, 稳定性主要考虑微源出力限制、库容限制、蓄电池容量限制和负荷功率平衡, 所优化的决策变量均要满足稳定性条件。负荷方面, 由图9 可知, 第19时刻系统不能满足此时负荷需求, 需从电网中购电并支付相应的费用, 在其他如1 ~ 5 时刻, 系统能满足此时负荷需求, 故将多余的电能供给电网获取收益, 在7 ~ 11、22、23 时刻实际能供应的电能超过了500k W, 超过了稳定传输限制, 将超过500k W的部分舍弃。

结束语

本文建立了风光水蓄互补微电网优化运行的数学模型, 通过改进粒子群优化算法对枯水期的模型进行了具体分析, 求得各时刻风光水功率、蓄电池充放电功率和风光水蓄互补微电网与电网交换的功率值, 在满足安全性的前提下获得满意的收益, 充分地利用了绿色可再生能源的价值。

风光互补电站仿真建模研究 第4篇

风能和太阳能可再生能源已经被世界许多国家采用并具有一定的规模。一直被电力工业使用的常规能源,如煤炭、石油等非可再生资源面临枯竭的局面。合理地利用新能源发电可以较好的解决可能出现的能源危机,在风能和太阳能发电方面,海内外学者都进行了深入的研究,在并网发电系统和离网发电系统等设计方面都取得了不错的成果[1,2,3,4,5]。

目前,国内并网建设的风电场和光伏电站主要是靠单一能源发电,若在一个地区风光资源都比较充足时,不免会造成土地和资源的浪费,因此有必要考虑建设风光互补电站发电系统。风能或太阳能独立发电时在外界条件影响下生产电能比较随机且稳定性较差,风光互补发电通过合理搭配优化系统输出,能在不同气候条件下使输出电能更加稳定[6]。

1 发电系统的构成

风光互补发电系统主要由风力发电系统、太阳能组件、变流环节、控制器等组成,如图1所示。两个能源发电系统变流环节独立设计,可以减小系统之间的干扰。系统控制器的设计主要是为了保证电站的电能输出稳定,并能向电网可靠供电。

2 风光系统模型

2.1 风机模型

风力机吸收的风功率可按下式计算:

式中,P表示风力机吸收的风功率;ν表示风速;S表示风机扫风面积;Cp表示风能利用系数;ρ表示空气密度。

一般可认为当地空气密度一定,风机扫风面积由桨叶长度决定,所以当Cp越大时,P越大。许多大型风机通过控制转速让风机获得最佳叶尖速比,进而获得更高的Cp[7]。

2.2 电池方阵模型

(1)太阳能电池伏安特性

当光照强度一定时,太阳能电池电流I的计算公式如下:

式中,Iph为光生电流;I0为等效二极管反向饱和电流;ε为等效二极管品质因子;V为等效二极管端电压;q为电子的电量;KB为玻尔兹曼常数;T为太阳能组件表面热力学温度;Ta为当前环境温度;Ha为当前光照强度;tc为太阳能电池温度系数;Rs为太阳能电池等效串联电阻;Rsh为太阳能电池等效并联电阻。

为了使太阳能电池获得更大的输出功率,必须尽量减小Rs,Rsh增大,理想情况下Rsh不存在,忽略不计,若忽略Rs,则公式(2)简化为公式(4)。

(2)太阳能电池短路电流

太阳能电池短路电流值Isc是通过将太阳能电池输出端短路求得,即使V=0,代入公式(4)得:

(3)太阳能电池开路电压

太阳能电池的开路电压Voc是通过将太阳能电池输出端开路求得,即使I=0,带入公式(4)、(5)得:

(4)太阳能辐射与温度影响

以标准光照强度1000W/m2作为参照光强,25℃的环境温度为作为参照温度,由公式(4)得:

式中,Isco表示参照值下的短路电流;Tref为太阳能电池表面热力学温度参照值。

从光照强度来看,Isc近似与其成正比的关系,且随其变化显著,而Voc随其变化缓慢。通过公式(6)可以看出Voc近似与Isc的对数成正比,即Voc近似与光照强度的对数成正比。

公式(8)、(9)、(10)、(11)、(12)为光强和温度变化后的太阳能电池电压电流关系:

式中,Href代表参考光照强度;ω为电流对应的温度系数;α为参考日照电流变化温度系数实测值;β为参考日照电压变化温度系数实测值。

3 风光互补组合策略

3.1 风光互补系统运行方式

风光互补发电系统的运行方式划分为4种,见表1。

注:Y表示风力发电机或太阳能电池组件发电;N表示风力发电机或太阳能电池组件不发电。

根据公式(1),风力机输出的功率是与风速的三次方成正比;即使日照充足,太阳能发电系统的发电量也要受日照方向和太阳高度角的影响。因此,工作方式1被设定为外界条件导致风机和太阳能组件不能正常发电,此时风光互补系统退出运行,与电网断开。

若风机达到启动风速而日照量还不足以使光伏组件发电,电站在方式2下工作,只有风力发电系统运行。

若风机未达到启动条件而日照量足以使光伏组件发电,电站在方式3下工作,只有光伏组件运行。

若风机达到启动风速且日照量足以使光伏组件发电,电站在方式4下工作,风力发电系统和光伏组件同时向电网供电。

3.2 控制系统的设计

控制系统的流程图如图2所示。对于风力发电系统,图中v为检测风速,vi为切入风速,v0为切出风速。测风系统将采集的风速值送给控制器,控制器通过比较测量的风速与切入风速的大小控制风机启动;当控制器判断出测量风速超出切出风速时,需控制风机停机。对于光伏发电系统,由于生成电能的多少取决于光照强度的大小,因此考虑阴雨天时光伏组件无法发电,光伏组件退出运行。

4 系统仿真建模

4.1 风力发电系统仿真模型

单台永磁同步风力发电机模型见图3,图中Subsystem表示风力机的封装模型。

为使风力发电机能够输出最大功率,并网风机在技术设计上都设置变桨系统,以达到最大功率跟踪。

4.2 光伏发电仿真模型

光伏发电系统模型见图4,图中Subsystem_Solar表示光伏组件的封装模型。

设计需考虑光伏发电系统的最大功率跟踪,常见的最大功率跟踪方法有扰动观察法、恒压法、占空比法等[8,9,10,11]。

4.3 风光互补发电系统联合模型

风光互补电站组合模型为:

(1)风力发电系统为多台风力发电机并联,输出电能经集中后与升压主变压器连接[12];

(2)光伏发电系统为通过串并联光伏组件组成太阳能电池方阵,输出需要经逆变器转变为交流电后与升压主变压器连接[13]。

风光互补发电系统联合模型见图5。

5 总结

风光互补发电系统及其发展 第5篇

我国的风力发电和太阳能发电技术起步较晚, 由于我国是人口大国, 人均能源匮乏, 远低于世界平均水平, 我国能源发展战略研究会议文献表明:“我国电力工业的结构应当多元化, 利用多种能源资源积极发展新能源和可再生能源用于发电。这是一条以煤炭为基础能源的多元化的可持续发展的中国能源发展之路, 是一条适合我国国情的能源发展之路”。太阳能与风能在时间上和地域上天然具有很强的互补性, 风力发电 (风电) 和太阳能发电 (光电) 系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点, 但风电和光电分别在无风和阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应, 对于无电网的边远地区, 单独使用风电或光电需配备相当大的储能设备。采用风力发电和太阳能发电互补 (风光互补) 技术后, 可以有效解决单一发电不连续问题, 保证基本稳定的供电。我国属季风气候区, 一般冬季风大, 太阳辐射强度小;夏季风小, 太阳辐射强度大, 风光互补发电技术正在得到广泛应用。以风力和阳光资源为能源, 通过风力发电机和太阳能电池将风能和太阳能转化为电能, 供给用电设备使用。

1 风/光互补发电系统最合理的独立电源系统

20年来风力发电和太阳能发电在我国的沿海、新疆和内蒙等地得到了一定的推广应用。由于对环境和能源的重视, 国内在新能源领域的研究困于资金的限制, 针对部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民等需要低成本、高可靠性的独立电源系统的潜在用户。集中于风力发电及太阳能发电的控制算法研究和小型新能源系统的研究, 而小型风光互补发电系统的也逐渐得以呈现在人们的视野里。

目前国内对小型风光互补发电系统的研究也仅限于系统的组成与控制、设备的选用以及系统仿真等。

小型风光互补发电系统一般包括风力发电机、太阳能电池组件、控制器、逆变器、耗能负载、蓄电池组以及支架等。发电系统具体工作原理如图1所示。白天在太阳光的照射下, 太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后, 通过控制器一部分经逆变器转化成交流电供负载使用, 另一部分对蓄电池进行充电;当阳光或风能不足时, 蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供交流负载使用 (图2) 。

风光互补发电系统有很多优点:

(1) 利用太阳能、风能的互补特性, 可以获得比较稳定的总输出, 有效解决无风或无阳光电力供应中断问题, 提高供电的稳定性和可靠性;

(2) 在保证同样供电的情况下, 可大大减少储能蓄电池的容量;

(3) 对风电和光电进行合理的设计和匹配后, 可以基本上保障用户电力供应, 无需配备其他电源。

2 风光互补发电系统的适用性

2.1 资源的评价

偏远地区一般用电负荷都不大, 所以用电网送电就不经济, 在当地直接发电, 最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区成本太高, 所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期稳定可靠的供电问题, 只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍的自然资源, 也是取之不尽的可再生能源。

太阳能是地球上一切能源之源, 太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式, 由于地球表面的不同形态 (如沙土地面、植被地面和水面) 对太阳光照的吸热系数不同, 在地球表面形成温差, 地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

我国西部地区是世界上最大, 也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一, 尤其是西藏地区, 空气稀薄, 透明度高, 年日照时间长达3 400 h, 每天日照6 h以上年平均天数在275~330天之间, 辐射强度大, 年均辐射总量7000 MJ/m2, 地域呈东向西递增分布, 年变化呈峰型, 资源优势得天独厚, 应用前景十分广阔。

我国风能资源丰富, 储量3 200 GW, 可开发的装机容量约253 GW, 居世界首位, 与可开发的水电装机容量380 GW为同一量级。2005年我国风电装机容量超过1 GW, 2020年风电规模预计达30 GW。未来风电很可能成为和太阳能比肩的新能源行业。我国风能开发利用的潜力很大, 属于风能资源可利用区。

特别是太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时, 风很小, 晚上太阳落山后, 光照很弱, 但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季, 太阳光强度大而风小;冬季, 太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性, 风光互补发电系统是一个最好的独立电源系统。

2.2 技术评价

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能, 通过控制器对蓄电池充电, 再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是供电可靠性高, 运行维护成本低, 但是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机, 将风能转换成电能, 通过控制器对蓄电池充电, 再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是发电量较大, 系统造价较低, 运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。

风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题, 风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电, 但每天的发电量受天气的影响很大, 会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态, 这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

由于太阳能与风能的互补性强, 风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时, 风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的, 所以风光互补发电系统的造价可以降低, 系统成本趋于合理。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统, 可充分发挥各自的特性和优势, 最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高, 而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区, 风光互补供电无疑是一种最佳选择。

由于太阳能与风能的互补性强, 风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时, 风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的, 所以风光互补发电系统的造价可以降低, 系统成本趋于合理。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统, 可充分发挥各自的特性和优势, 最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高, 而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区, 风光互补供电无疑是一种最佳选择。

2.3 风光互补发电系统的合理配置

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成, 发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。一般来说, 系统配置应考虑以下几方面因素。

2.3.1 用电负荷的特征

发电系统是为满足用户的用电要求而设计的, 要为用户提供可靠的电力, 就必须认真分析用户的用电负荷特征。主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用电量。

最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据, 而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。

2.3.2 太阳能和风能的资源状况

项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据, 一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数, 在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数, 最后光电板和风机的容量。

3 结语

风光互补发电系统是科学利用自然资源的新成果。它有诸多优势:

(1) 弥补了独立风电和光电系统的不足, 向电网提供更加稳定的电源。

(2) 充分利用土地资源。风力发电设备利用高空风能, 光伏发电设备则利用风机之间的地面太阳能, 实现地面和高空的有效结合。

(3) 大大提高经济效益。由于共用一套送变电设备, 降低了工程造价;共用一批经营管理人员, 提高了劳动效率, 降低了运行成本。

(4) 2005年, 我国第一个风光互补发电系统在华能南澳风力发电场成功并入当地10 k V电网, 该系统中采用100 k VA的发电设备是国内首个并入电网运行的太阳能光伏发电系统。

(5) 风光互补发电技术在我国的发展才刚刚起步, 在交通、通信等诸多领域仍有无限前景。

风光互补发电系统作为合理的独立电源系统, 开创了一条综合开发风能和太阳能资源的新途径, 标志着开发利用太阳能光伏发电进入了新的阶段。它不仅适用于缺电的边远地区, 因为它是可再生能源, 无污染, 且成本低、效率高, 所以在条件具备的地方都有很好的开发应用前景。

摘要：新能源领域中的风力发电技术和太阳能发电技术发展非常迅速, 风光互补发电方案是独立供电系统的最佳选择。

关键词：新能源,风力发电,太阳能发电,风光互补发电

参考文献

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[4]宋维军.长江源自然保护站的太阳能风能互补发电系统.能源工程, 2001 (4) :10～12

风光互补系统的最大功率研究 第6篇

1 系统基本理论

风光互补发电系统主要由风力发电机组、 太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图如图1所示。

1.1 风力机原理

风力发电部分是利用风力机将风能转化为机械能, 然后通过风力发电机转换为电能, 再通过控制器对蓄电池充电, 经过逆变器对负载供电或者直接供直流负载[2]。风轮机产生的功率与风速和发电机转速密切相关, 且在一定风速下存在最佳转速点, 使得风力机的功率最大。因此, 对风能系统而言, 如何根据风速的变化对发电机转速进行控制, 以使风轮机捕获到最大功能, 对风能系统整体效率有很大影响。

风轮捕捉的风能功率为:

式中:ρ为空气密度;S为风轮的面积;υ为风速;ω为风轮旋转机械角速度;λ为叶尖速比;β为桨叶节距角;CP (λ.β) 为风能利用系数也即功率系数;其中CP (λ.β) 反映了风轮机利用风能的效率, 是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数[3]。变速恒频机组正常运行时桨叶节距角β是固定的, 因此, CP (λ.β) 的大小主要决定于λ。由此可见, 在风速确定的情况下, 风轮获得的功率取决于风能利用系数CP (λ.β) 。

1.2 光伏发电原理

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能, 然后对蓄电池充电, 通过逆变器将直流电转化为交流电对负载进行供电。

在一定温度、日照条件下, 光伏电池的输出功率具有最大值。发电过程中, 电池的内阻不仅受日照强度的影响, 还受环境温度及负载的影响。要想在光伏发电时得到最大功率, 必须不断改变阻抗的大小, 从而达到光伏阵列与负载的最佳匹配, 实现大电流、高电压的输出, 提高系统的效率[4]。

理想条件下的Ι-V方程为:

式中:ΙS, VS为光伏电池的输出电流和输出电压;ΙSC为短路电流;K为常数;T为温度;q为电子电荷量。

1.3 直流控制中心

直流控制中心就是一个中间连接站, 根据日照的大小和风力的强弱, 调节电能装置。主要是将风轮机和光伏阵列所得到的电能一方面经逆变器送到负载;另一方面将负载多余的电能存储到蓄电池。当发电量不足以供给负载时, 直流控制中心又将蓄电池的电能送到负载, 以平衡整体能量。

1.4 蓄电池

蓄电池主要起到供电平衡的作用。当总体发电量大于负载所需时, 蓄电池储电, 反之则放电。由于风轮机和光伏阵列都可以提供直流, 蓄电池的输入和输出都是直流形式。

1.5 逆变器

逆变器可以有一台或者几台同时组成, 主要是将直流控制中心中的直流电能转换成标准的220 V交流电源, 以供给交流负载, 保证负载的稳定工作。

2 控制原理和方法

2.1 极值法基本原理

风力机的输出功率和光伏阵列的输出功率都有一个最大值, 如图2所示。风力机的最大功率主要取决于CP (λ.β) , 对一个特定风速υ, 风力机只有运行在一个特定转速ω下才会有最高的风能转换效率。而在一定的温度和辐射强度下, 光伏电池也有惟一的最大功率输出点, 因此需要在负载和光伏电池之间加入MMPT装置, 以保证光伏电池始终输出最大功率。

2.2 控制方法

极值搜索法的方框图如图3所示。

式中:ε=±1, 并且K是一个大于零的常数。

极值搜索法是根据泰勒级数将函数fx在xop点展开而得到:

所以只要判断某一时刻功率对时间的导数为正时, 功率应朝着时间的正向移动, 反之则相反, 只有导数对应为零时, 说明功率已达到最大值, 如图4所示。

若undefined, 则改变ε的符号;若undefined, 则保持ε的符号 (y在这里代表的是最大功率Pmax) 。

以风轮机为例, 4种情形如下:

由此可见算法测量的是undefined和undefined, 然而影响系统的是undefined, 由于undefined, 因此以上4种情形可以用下述下公式表达:

该算法动态变化有恒定的斜率, 它可以是正数或负数, 这取决于ΡΤω曲线的斜率。

2.3 控制策略的改进

极值搜索法在系统达到稳定后, 实际中存在着各种干扰或者风速和日照小范围内的波动, 从而引起系统功率最大值的平偏移, 但此时偏移量往往很小, 在原系统功率最大点附近移动, 若此时重新进行初始化搜索, 则系统将会产生不必要的波动, 影响发电系统性能, 由于此时的功率值只有很小的偏差, 可以满足系统要求, 所以此时最好采用“不行动”的方式, 让系统稳定运行。

改进法:在式 (2) 的情况下, 可以设置一个迟滞区ζ, 当原有功率值ΡΤ与功率检测机检测出的新的功率值ΡΤ′产生偏差时, 若|ΡΤ′-ΡΤ|<ζ时, 对其采取“不理”的态度;若|ΡΤ′-ΡΤ|>ζ时, 则重新初始化后, 用极值法进行搜索。ζ可以根据要求进行调节, 以致能够更好地进行控制, 预防不必要的干扰。

3 仿真结果

根据极值搜索法原理, 在Matlab上进行仿真研究, 如图5所示。

试验中的发电机的额定功率ΡΝ=4.2 kW, 额定电压UΝ=220 V, 额定转速nΝ=1 500 r/m, 启动的初始状态为开路 (Uoc=220 V, ioc=0 A) 。仿真条件所需测得的参数有iSA, vSA和PSA:图6中, PSA是功率曲线;ISA是电流曲线;VSA是电压曲线。测得:PSA=3 500 W左右, VSA从220 V降到165 V左右, ISA从0上升到21 A左右。由图6可知, 启动的初始状态为开路, 在瞬态时, 电压VSA随着功率PSA的增加而减小。由于功率随时间的变化是正的, 所以触发器的输出基本不变。系统状态的第一次改变, 如电压斜率的改变是在功率第一次达到最大值时。当输入量发生变化时, 功率的最大值也会发生改变, 经过极值搜索法的控制后可以达到最大值, 满足所需要求。

4 结 语

通过对风光互补系统中最大功率捕获原理的分析, 提出了用极值搜索法来获取最大功率的方法。针对该方法分析了其基本理论、结构设计和仿真验证的可操作性。通过极值搜索控制方法, 能很好地捕获能量并保持在稳定状态, 验证了该方法的可行性。

参考文献

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垂直式风光互补发电系统 第7篇

1整体设计

该风光互补发电系统首先将垂直轴风力发电机代替了水平轴风力发电机, 从而实现了高效率的风能利用。因为垂直轴风力发电机的叶片不受风向限制, 有风吹来时, 叶片都将转动, 而且启动风速低, 从而增加了风能的利用率, 提高了发电效率。另外该系统还具有太阳能板自动跟踪太阳光移动的功能, 在太阳能板下安装有电机, 通过光敏电阻采光, 将电压差数据传入单片机中, 再由单片机自动控制太阳能板下的电机运动, 这样可使太阳能板始终追随太阳光的运动而运动, 最大程度地实现采光, 增加太阳能的利用率。图1和图2分别给出了该系统的框图和实物图。

2风光互补系统主要部件的设计和实现

风光互补发电系统主要部件是:垂直式风力发电机, 太阳能自动跟踪系统, 逆变器等。下面主要针对垂直式风力发电机, 太阳能自动跟踪系统, 逆变器等这些重要部件的设计进行介绍。

2.1垂直轴风力发电机

垂直轴式风力发电将风力转化为机械能, 再由风力发电机将机械能转化为电能。垂直轴式风力发电机的优点是无论哪个方向的风都可以吹动叶片, 所以垂直式风力发电机的发电效率比水平轴风力发电机高。由于风力发电机输出的是交流电, 需要将发出的电能整流滤波后再将电能输入到蓄电池中。该系统采用的风力发电机输出电压为12 V, 而蓄电池输入电压也12 V, 所以不需要降压, 直接整流就可以了。风力发电机输出的电能可直接作为输入给整流滤波电路, 这样可将交流电转变为直流电, 图3为整流滤波电路。

2.2追踪式太阳能发电

2.2.1降压斩波电路

该系统中的太阳能板采用的是单晶硅125*125的类型, 输出电压为18 V, 转换效率在18%以上。要把太阳能板输出的18 V直流电输入到12 V的蓄电池中, 需要降压斩波电路。输出电压平均值为由此可知占空比α减少, 输出电压U0也减少。 (ton为V处于通路的时间, toff为V处于断态的时间, T为开关周期, α为导通占空比。E为太阳能板发出的电能, Em是经过降压斩波后输送到蓄电池的电能。

2.2.2太阳能自动跟踪系统

太阳能自动跟踪系统是指由在太阳能板上4个角每个角各安装一个光敏电阻, 根据太阳位置由东到西的移动, 由于太阳位置不同而使光敏电阻电平不同的原理, 再使用单片机控制步进电机使太阳能板上下东西移动。当太阳升起时, 太阳能板是朝向东边的。当正午太阳在正上方时, 太阳能板是水平的。当太阳下山时, 太阳能板是朝向西边的。这样就能使太阳能板的发电效率升高。4个光敏电阻分布在太阳能板的4个角, 当4个光敏电阻受到太阳光照时, 4个光敏电阻产生的电压是不一样的, 光敏电阻将信号传送到单片机, 单片机就会作出指令, 让步进电机转动, 从而实现太阳能板可以随着太阳位置的变化而变化。

2.3逆变电路

太阳能板和风力发电机都将产生的电能存入蓄电池中, 蓄电池中的电能是12 V直流电。一般不可能将12 V的直流电直接供市民使用, 需要有对这个直流电升压后再逆变的过程。下面是逆变电路图, 先将蓄电池输出的直流电经过升压斩波电路升压, 再输入到逆变电路中。

3系统测试

3.1太阳能自动跟踪系统测试实验

为了验证太阳能跟踪系统的发电效率, 首先选择在某一天的不同时段对该系统进行试验测试, 并跟一个不带太阳光自动跟踪能力的太阳能发电系统 (以下简称“固定的太阳能板”) 进行对比。选择对比的时间是一天中午12点, 下午2点, 下午4点, 下午6点。具体实验数据如表1所示。

从结果可以看出自动跟踪式太阳能板比固定式太阳能板的输出电流高, 即它的发电效率更高。

3.2垂直轴风力发电机测试实验

垂直轴风力发电机相比于水平轴式发电机的优点是能适用于各种风向环境下, 由于各种风向的风都能吹动垂直轴风力发电机的叶片, 所以它的发电效率要比水平轴发电机发电效率要高。而且根据资料, 如果垂直轴发电机的翼型和安装角选择合适, 风速只要能达到2 m/s就能使垂直式发电机的叶片转动, 而水平轴式风力发电机要达到5 m/s才能转动, 这就说明垂直轴式发电机比水平轴式发电机容易转动, 这是优于水平轴发电机的。所以为了进一步证明垂直轴风力发电机的发电有效性, 我们做了如下实验, 同样还是选择在同一时间, 同一环境下, 将垂直轴风力发电机和水平轴发电机进行对比, 观察它们的输出电流, 具体实验结果如表2所示。

由表2可知, 垂直式风力发电机比水平轴发电机的发电效率高28%左右。

4结语

该文介绍了一项大学生创新创业训练项目—垂直式自动跟踪风光互补发电系统, 阐述了整个设计流程, 在此基础上进行了实物制作调试和对比实验。该系统利用两项新型清洁能源—风能和太阳能发电, 通过相应的改进和有效结合, 例如: (1) 使太阳能板可以自动追踪太阳光的运动, 增大阳光照射面的面积, 使太阳能板发电效率升高; (2) 风力发电机采用了垂直轴风力发电机, 减小了启动风速, 而且它可以被任意方向的风吹动, 增大了发电效率, 从而实现高效并网发电。该系统还可用于多种环境的发电使用, 如:山区的孩子可以用风光互补发电系统发出的电上晚自习, 可以做个路灯等。同时既可以并网使用, 也可以独立发电使用。相比于传统能源, 风光互补发电无污染, 成本低, 随着技术的成熟, 风光互补成本不断降低, 利用率也会越来越大, 甚至在未来, 这种新型发电方式将可能会取代传统发电方式, 有广阔的应用前景。

摘要：该文介绍了一种风力发电和太阳能发电的互补发电系统的设计和实现。新型能源具有无污染, 资源足等特点, 我国国土面积大, 一年太阳的照射量所产生的太阳能, 可相当于燃烧数以亿计的煤;若在新疆等高海拔地区建立大型风力发电厂, 其产生的电量将减轻传统能源发电厂的压力。该系统主要由太阳能发电组件、风力发电组件、风光互补控制器、蓄电池及逆变器等主要部件组成, 通过使用垂直轴风力发电机代替传统的水平轴发电机, 以及太阳能板由单片机控制自动跟踪太阳光移动, 提高了发电效率, 结果显示该系统具有一定的推广应用价值。

关键词：垂直轴风力发电机,太阳能板,自动跟踪,风光互补发电系统

参考文献

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孤岛风光柴蓄系统配置仿真及分析 第8篇

1 HOMER软件[1,2]

近几年随着新能源混合系统的不断扩大,国外已相继开发出一些模拟风力、太阳能及其混合发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的成本可以得出比较佳的系统配置。HOMER就是其中一种出色的软件。

HOMER针对新能源混合系统根据输入的系统配置、负载特性以及风速、太阳能辐射数据获得1年8 760 h发电量,通过比较总净现成本(CNPC),对成千上万种方案集逐一地仿真和计算,最后将得到总净现成本最低的配置及对系统起关键作用的敏感因子,从而设计出适合负荷需求的优化系统模型。其中:

式中:CRF为资本恢复系数;i为利率,%;n为年数。

2 典型系统描述

混合发电系统有新能源发电系统(太阳能和风能发电),一备用系统(柴油机发电)和一储能系统(蓄电池)组成。众所周知,太阳能和风能在时间和空间上都有很强的互补性。白天太阳光强时,风小;晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有较佳的匹配性,风-光-柴-蓄互补发电系统是利用资源条件较好的独立电源系统。

2.1 太阳能发电单元

太阳能电池板的功率输出:

式中:fP V为PV转换效率;YP V为电池板容量;IT为电池板上的太阳辐射量;IS为1 k W/m2。

根据所在地的经度和纬度即可得出NASA的太阳辐射量,建立起8 760 h的辐射量数据库(图1),用其月平均值来仿真计算。

2.2 风力发电单元[3]

风力发电机将风能转化成机械能再转化成电能。风机功率输出为:

式中:Pm为风机输出功率;Cp为风机运行系数;A为叶片扫过的面积;v为风速。风机典型功率输出曲线如图2。

2.3 蓄电池充放电单元

蓄电池作为储能单元,在混合互补发电系统中起着平衡功率的作用。太阳能和风能均受天气变化的影响,为充分利用新能源的同时保证负荷的供电可靠性,则对蓄电池的充放电性能要求较高。在太阳能和风能资源丰富时,可对蓄电池进行充电储能,但要保证蓄电池不能过充电;在太阳能和风能资源短缺,蓄电池放电给负载供电,但要注意不能过放电。

2.4 柴油机发电单元

在可再生能源未被利用前,偏远地区或孤岛等地方的用电主要通过柴油发电机发电给负载供电。柴油发电机单元的好处是在自然条件恶劣或主电网出现故障时,其马上可对负荷供电,但在孤岛地区柴油发电机燃油的运输和其维护费用较高成为使用的瓶颈。风-光-柴-蓄系统只有在风能,太阳能和蓄电池能量都不能满足负荷需求时才采用柴油机发电。柴油机的额定容量一般选大于最大负荷10%即可。

3 系统仿真

针对某岛屿(地理位置为22 o37'N,120 o16'E)来搭建系统模型,并做仿真分析。该岛距市区17海里,年平均风速6.5 m/s,月平均太阳辐射量为4.5k W/m2,日平均负荷12 MWh/d,小时最大负荷为960 k W,负荷曲线如图4。为满足负荷需求选用2台额定功率为500 k W的柴油机,建立如图3所示的系统图[4]。

模型中将每年8 760 h中每小时的资源数据与负荷需求作对比,并计算流经每个部件的能量流。通常情况下,为尽量充分利用新能源发电,先采用风机和太阳能电池发电,若两者发出的功率满足负荷要求,将过剩功率充入蓄电池直至满充;若两者发出的功率和蓄电池所放电量都不能满足负荷要求,则启动柴油机以满足用户需求[5]。

3.1 系统优化配置

优化的目的就是决定系统部件的最优容量。通过比较总净现成本(CNPC)从成千上万种方案集中找出最优的供需匹配,从而设计出适合负荷需求的优化系统模型[6,7,8,9,10]。配置运行结束后将满足负荷要求的系统配置按总净现成本大小排列(表1),用户可在列表中比较和选择系统的设计。其中最为经济即总净现成本最低的系统为风-光-柴-蓄系统,其组成为144 k W PV,1台额定功率为600 k W的风机,2台额定功率分别为500 k W的柴油机,300 k W的逆变器及240个蓄电池组。总净现成本为10 077 943元,单位电价(COE)为0.18元/(k Wh),新能源发电量占总发电量的39%,柴油消耗为1 044 638 L,第一台柴油机运行时间为6 804 h,第二台柴油机运行时间为1 063 h,与原先独立柴油机系统相比,充分利用了太阳能和风能,柴油机运行时间(原8 760 h)分别减少了22%和88%。

图5中,该经济系统中太阳能电池板实际发电225 063 k Wh,占总发电量的5%,风机实际发电1 646 910 k Wh,占总发电量的34%,其余由柴油机来供电。其中过剩能量7%,这部分能量可采用耗能负载消耗,如用于海水淡化工程。系统不满足负荷需求情况为0%。

另外,随着风速的增加,过剩能量逐渐增大(图6(a)),柴油机运行时间减少(图6(b)),柴油消耗减少,二氧化碳排放量也因此降低,这样就降低了成本,减少了环境污染,充分利用了可再生能源。

3.2 敏感性分析

敏感性分析就是计算某个变量对优化配置结果的影响,像柴油价格,风速变化,太阳辐射量变化,资金利率等等这些都是关键因素,需对其进行敏感性分析。对所给定的每个值都将重复仿真和优化,这样就可以看出输入变量变化时引起的结果改变,以此来确定该变量的重要性和敏感性。综合敏感性分析见图7。

斜率表示敏感程度。图8中,可以发现风速曲线斜率最大,其对总净现成本敏感度最高。风速变化引起系统发电方式改变的可能性最大。该岛利用风速的有利度也就最高。

另一方面,通过敏感性分析还可以在某些变量固定时得出其余变量间的相互影响关系及适合系统的部件配置(图8)。

柴油价格固定为0.4元/L,当风速大于5.6 m/s时,随着太阳辐射量的不同,曲线左边区域表示采用风光柴蓄系统经济,右边区域表示采用风柴蓄系统划算。

4 结束语

本文对孤立岛屿用风-光-柴-蓄混合系统配置仿真,并对其经济方面做评估,从方案集中选出了能全天满足负荷要求的最合理的配置和最优的部件容量大小。该系统总净现成本最低,且充分利用了太阳能和风能,减少了燃料的消耗,减少了柴油机工作时间,减少了运行和维护费用,减少了污染,减少了人力。在敏感性分析中得出风速对总净现成本的敏感度最高。这对该岛因此制宜利用风能这一自然资源加以肯定。这些对孤立岛屿的发电系统研究具有重要的现实意义。

摘要：边远孤立岛屿大电网难以覆盖,由柴油机、风力发电机、太阳能电池板和蓄电池组成的混合发电系统通过各种能源形式的优化配置能有效提高孤岛供电的质量。通过利用新能源混合系统优化软件对某孤岛混合系统电源优化配置,提出了混合系统的最优方案。

关键词：孤立岛屿,风光柴蓄,新能源,配置仿真

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