风光互补发电系统运行特性、输出功率曲线与负荷曲线的关系的研究

神华国华能源投资有限公司 ■ 高辉

北京科诺伟业科技有限公司 ■ 梁勃 王伟 李军

一 引言

我国的风能和太阳能资源非常丰富。我国是世界上风力资源较丰富的国家之一，全国可开发利用的风能约为2.5亿kW[1]。全国太阳能总辐射量为3340～8400MJ/(m2·a)，中值为5852MJ/(m2·a)[2]。

由于太阳能与风能自身的特点，两者均受季节、地理位置、天气等多种因素的制约。单独的风力发电和太阳能发电的输出功率都具有较大的波动性和间歇性，如果大规模接入电网，将给电网安全稳定运行带来较大影响。由于两者的变化趋势基本相反，应扬两能之长，补两能之短，相互配合利用，因地制宜，减少对电网的不利影响，有利于新能源发电的健康发展。

国华尚义2.5MW风光互补并网发电项目中一台1.5MW风机与1MWp光伏发电单元组成风光互补发电系统。本文针对此项目研究尚义当地风光功率比为1.5∶1时，各自功率曲线及总功率曲线特性，以及总功率输出曲线与张家口电网负荷曲线进行对比。

二 风电、光伏发电特性及风光互补系统构成

1 风力发电系统的特性

风力机只能从风能中获取小部分能量，吸收能量的程度可用风能利用系统CP来衡量。对于一台实际的风力机，其机械功率Pm可用式(1)表示[3～5]：

其中：Pw为通过风轮扫过面积的风的能量；D为风轮直径；CP为风能利用系数，不是常数，随着风速、风机转换及风机叶片参数的变化而变化；υ为轮毂高度实际风速；ρ为空气密度(标准空气密度为1.225kg/m3)。

一般典型风力机的实际输出特性P(v)由式(2)表示：

其中：Pr为发电机额定输出功率；vi为风轮机起动风速；vr为风轮机额定功率风速；vc为风轮机停机风速；η(v)为风速在起动风速与停机风速之间时，风机输出功率效率与风速关系，对于大型风机有：

因此，风力机的输出功率与风速密切相关。标准空气密度条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的标准功率特性曲线，可由厂家提供。在安装地点条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线称为风电机组的实际输出功率特性曲线。尚义风电场1.5MW风机实际功率特性曲线x(v)和标准功率特性曲线x0(v)如图1所示。

图1 风机功率特性曲线

2 光伏发电系统特性

由于太阳电池的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，忽略太阳电池的结电容Cj。工程应用时，作以下近似：V+RsI/Rsh远小于光电流(Rs为串联电阻，Rsh为电池并联电阻)；Rs远小于二极管正向导通电阻，Iph=Isc(Iph为光生电流，Isc为短路电流)。

太阳电池的等效数学模型为[6～8]：

将太阳电池的峰值电压Vm及峰值电流Im代入式(3)可推出C1和C2为：

所以工程应用时，通过产品厂商提供的峰值电压Vm、开路电压Voc、峰值电流Im及短路电流Isc可得出I-V方程，保证精确性的同时满足实用性。

电池温度及辐照强度直接影响太阳电池的I-V特性，产品厂商提供参数一般是在Tref=25℃，Sref=1000W/m2情况下测量的。通过拟合大量实验数据，在任意辐照强度S(W/m2)及任意环境温度Tair下的太阳电池温度T可由式(6)得出：

通过测定的T(s)直线的斜率可得K值，K值通常可取0.03(℃·m2)/W。

利用Vm、Voc、Im、Isc推算出在一定辐照强度及温度下的 V'm、V'oc、I'm、I'sc为[9]：

假定电流电压特性曲线在整个推算过程中基本形状保持不变，参数a、b、c典型值为a=0.0025℃，b=0.5，c=0.00288℃。

由上面的分析得出M个组件并联和N个组件串联的光伏阵列的I-V特性方程[10]：

由太阳电池的峰值电压Vm及峰值电流Im代入式(7)，可推出C1和C2为：

图2为光伏电站所采用的光伏组件不同辐照度情况下的I-V特性曲线。图3为光伏组件不同温度情况下的I-V特性曲线。从图2可知，光伏组件的输出电流与辐照强度成正比，随着辐照度的增加，光伏组件的输出电流随之增大，最大功率点功率也随之增加。从图3可看出，光伏组件的输出电压与温度成反比，随着温度的增加，光伏组件的输出电压减少，最大功率点功率也随之减少。输出电流受辐照度影响较大，而电压受辐照度影响较小。输出电流受温度影响较小，而输出电压受温度影响较大。

图2 不同辐照度下I-V曲线

图3 不同温度下I-V曲线

3 国华尚义风光互补发电系统构成

国华尚义2.5MW风光互补并网发电项目包括一台1.5MW风机与1MWp光伏发电单元，即风光互补比例为1.5∶1。光伏阵列输出为直流电，通过并网逆变器变为交流电，然后接入2700kVA双分裂升压变压器低压400V侧升压到35kV；1.5MW风机所发电量通过2700kVA双分裂升压变压器低压690V侧升压至35kV，经1回35kV线路接入风电场已建35kV集电线路，利用风电场已建设110kV升压站和输电线路，送入华北电网。

三 风光互补发电系统输出功率曲线与负荷曲线分析

分析风光互补电站夏季典型日(7月17日)及冬季典型日(11月4日)运行特性与日负荷曲线进行比较。

1 风光互补发电系统的输出功率曲线

风光互补发电系统的监测系统对当日水平面总辐射、轮毂高度实际风速、光伏发电功率及风机功率进行了实时测量。

(1)夏季典型日(7月17日)

夏季轮毂高度实际风速曲线及电站水平面辐射量曲线如图4、图5所示。

图4 风速曲线

图5 水平面辐射量曲线

风光互补发电系统受当日气象条件的影响，其发电功率值见表1。

风光互补发电系统的发电功率曲线如图6所示。

(2)冬季典型日(11月4日)

冬季轮毂高度实际风速曲线及电站水平面辐射量曲线如图7、图8所示。

风光互补发电系统受当日气象条件的影响，其发电功率值见表2。

风光互补发电系统的发电功率曲线如图9所示。

2 当地电网负荷曲线及其与电站功率曲线比较分析

表1 风光互补系统功率值

图6 风光互补发电系统功率曲线

图7 风速曲线

图8 水平面辐射量曲线

表2 风光互补系统功率值

根据中国华北电网有限公司编制的华北电网图集可得出张家口电网最大供电负荷日(7月17日及11月4日)的负荷曲线，如图10、图11所示。

从图10、图11可以看出，夏季在1:00～6:00负荷功率较小，7:00～12:00负荷略有上升，13:00～16:00负荷较小，17:00～24:00呈现一个较大的波峰，最大负荷功率在18:00～20:00；冬季在1:00～6:00负荷功率较小，从6:00开始逐渐上升，8:00～17:00在一定范围内变化，17:00～24:00呈现一个较大的波峰，最大负荷功率在18:00～20:00。

通过风光互补发电系统输出功率曲线与负荷曲线进行比较可看出，风力发电与光伏发电功率曲线基本呈互补性，风力发电功率白天小，晚上大，光伏发电功率白天大，晚上无；风光互补发电系统能够缓解单独的发电系统的间歇性和波动性；风光互补发电系统功率变化趋势基本与负荷功率变化趋势一致。

四 结论

无论是风力发电还是光伏发电，都受环境因素的影响较大。风力发电受风资源影响明显，光伏发电受辐照资源影响明显。单独的发电系统由于其不稳定性及间歇性对电网的影响较大，但是两者的变化趋势基本相反，日间阳光强时，风较小，晚上没有光照，但由于地表温差变化大而风能有所加强；太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源上具有很好的匹配性。尚义风光互补发电系统中风光功率比为1.5∶1，发电功率曲线与用电负荷曲线变化趋势基本一致，可缓解电网负荷压力。尚义风光互补电站中风光功率互补比例适合当地电网情况。

[1]叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[2]李安定. 太阳能光伏发电系统工程[M]. 北京: 北京工业大学出版社, 2001.

[3]谢建民, 邱毓昌. 大型风力发电场选址与风力发电机优化匹配[J]. 太阳能学报, 2001, 22(4): 466－471.

[4]程军. 风光互补智能控制系统的设计与实现[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2009.

[5]刘振伟. 风电并网影响及最大装机容量研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

[6]王长贵, 王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[7]纪芳. 并网光伏发电系统最大功率点跟踪技术的研究[D]. 济南: 山东大学, 2010.

[8]许晓艳. 并网光伏电站模型及其运行特性研究[D]. 北京: 中国电力科学研究院, 2009.

[9]Mutog N, Matuo T, Okada K, et al. Prediciton-data-based maximum-power-point-tracking method for photovoltaic power generation systems[A].Power Electronics Specialists Conference, pesc02.2002 IEEE 33rd Annual[C], Tokyo, 2002, 3:1489－1494.

[10]石振刚. 并网光伏发电系统对配电网影响的研究[D]. 华北电力大学, 2010.