离网型风光互补发电系统匹配程序设计

■ 李冬梅 刘志强

(1.内蒙古自治区水利水电勘测设计院；2.华润电力风能内蒙古巴音锡勒有限公司)

0 引言

单纯的风力发电和光伏发电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致系统发电量与用户负荷的不平衡。风光互补发电综合了光伏发电和风力发电两种技术的优点[1]，太阳能与风能在时间上有很强的互补性，风光互补发电系统可弥补单纯的风力发电系统和光伏发电系统在资源上的缺陷[2]。这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，使系统的发电量更加均衡、稳定。同时，风力发电系统和光电系统的蓄能装置和逆变器环节又可通用，所以可以降低风光互补发电系统的造价，系统成本趋于合理。对于离网型风光互补发电系统，由于在蓄能时使用的是蓄电池，准确合理的匹配设计更为重要，这样可以保证蓄电池工作在尽可能理想的条件下，最大限度地延长蓄电池的使用寿命。

1 风光互补发电系统优化设计原理

本文进行离网型风光互补发电系统优化设计时采用的设计思想是：以风力供电为主，光伏发电作为补充；发电系统全年最差月的发电量要满足用户用电亏欠率的要求，且成本能达到最低。

根据该设计思想，从以下几个步骤进行风光互补发电系统的优化设计：

1)首先根据安装地区的风能资源情况，初选风力机型号；

2)根据风力机的输出特性曲线建立风力机输出功率的拟合曲线方程；

3)计算出光伏板板面各月能获得的最大月平均日辐射强度，以及相应的最佳安装倾角；

4)由负载用电量和风力机发电量计算出风光互补发电系统各月的亏电量及各月所需光伏阵列的容量，从中选出最大光伏阵列容量作为该系统需匹配的光伏阵列容量，其对应的最佳安装倾角即为光伏阵列最适合的安装角[3](光伏阵列以固定角安装)；

5)通过改变风力机的容量，由程序筛选出一系列与不同容量的风力机相匹配的风/光/蓄组合；

6)根据系统供电亏欠率要求和不同的风/光/蓄组合的度电成本，选出度电成本最低的一组系统配置，该配置即为系统供电亏欠率下的最优化的风光互补发电系统配置。

2 风光互补发电系统优化程序的设计

本文使用Matlab软件进行了优化程序的设计，并为方便用户使用，设计了中文化的参数控制界面，界面设置如图1所示。

图1 风光互补发电系统参数设置界面

空白编辑框的部分需要手动输入参数，“import data”的部分可进行参数导入，导入参数的格式可为excel格式、txt文档格式或dat格式。当风力机特性参数和水平面总辐射参数被导入后，即在界面的右下方自动生成风力机特性曲线图和月平均太阳辐射强度的曲线图。

当空白的编辑框中有参数漏输入或参数类型输入错误时，错误处将会被高亮显示，且有“输入有误，已以高亮显示请查阅！”的提示；当导入数据错误时，“import data”将会变为“false”的提示，且该按钮也将会用高亮显示；当导入数据正确时，“import data”将会变为“sucess”，且按钮的颜色从蓝色变为黄色，如图2所示。

当错误的参数被更正后，点击保存退出，将出现“参数输入结束，是否退出面板程序”的提示，点击“确定”，可将设定的参数存在任意路径下，程序将从该路径下读取数据并自动进行计算。如果点击“取消”则继续停留在参数设定界面，如图3所示。也可点击“清空”，重新设置参数；若点击“撤销退出”，程序将按照之前设定值自动进行。

当程序运行完后，会出现“计算完毕”的提示，计算结果以excel格式保存到指定路径下。

图2 参数设置错误时的界面

图3 参数设置正确时的提示

3 风光互补发电系统优化匹配的实例分析

为了更好地说明本文在进行风光互补发电系统设计时所使用的优化设计方法及本文优化程序的设计思想，现用一实例进行说明。

假定为达旗一所乡镇医院安装1套风光互补发电系统作为医院的补充电源，该医院每天用电情况如表1所示。

用电设备最高峰的功率为2 kW，日平均用电量为23 kWh/天；使用交流电源，且一年中的累计停电天数不得超过7天(即全年系统供电亏欠率LPSP≤0.02)。根据达旗的气象数据资料，该地在8月的月平均风速最低，太阳能资源匮乏，且8月份时该地最大连续阴雨天时间为5天。为保证系统的供电稳定性，需考虑用蓄电池蓄电供系统阴雨天时用电。在进行蓄电池的容量设计时，应以8月份的最大连续阴雨天数5天作为蓄电池的自给天数。

表1 医院用电量表

根据医院允许的发电系统供给亏欠率及发电成本，选择风力机、光伏板、蓄电池及控制器和逆变器的特性参数，由优化程序计算出不同的风/光/蓄容量组合(风力机的台数、光伏板串并联数、蓄电池串并联数)、全年发电量、系统供给亏欠率LPSP、度电成本。为说明风力机的不同选型和光伏板的不同安装倾角对系统容量匹配的影响，本文使用优化程序计算出两种不同型号相同额定功率的风力机全年发电量情况，以及在不同安装倾角下的光伏板全年发电量；并重点分析风力机、光伏板和蓄电池3者之间的容量匹配关系，以及两者容量的匹配关系。最后根据用户给定的系统供电亏欠率要求筛选出满足供电可靠性要求的一组风光互补发电系统配置。

系统匹配设计结果：HY-1500型风力机台数k=2；SQ200型光伏板数NPV=40；蓄电池数Nbat.=72；度电成本为2.06元/kWh；满足全年系统供电亏欠率LPSP≤0.02的要求。

此系统配置中，光伏阵列的安装倾角为18°，在此安装倾角下能保证光伏阵列与风力机全年各月月平均发电量有更好的互补性，从而减少对蓄电池的需求量。

由表2可看出，为保证全年系统供电亏欠率LPSP≤0.02的要求，当风力机数量不变，光伏板减少就需要增加蓄电池的数量；当蓄电池数量不变，光伏板减少就需要增加风力机的数量。当蓄电池的数量增加时，系统盈余电量减少；而当风力机数量增加时，系统盈余电量增加。由于本案例是离网发电系统，系统中所采用的蓄电池是4年使用寿命的铅酸蓄电池，过多使用蓄电池虽能使系统的盈余电量降低，但同时也会使发电系统的度电成本上升。

表2 系统配置大小及系统每月的性能

此外，风力机的输出功率随风速的变化呈3次方变化。由于风能分布的不均匀性和随意性较大时，会使每个月风力机的发电量出现大幅度波动，为满足风能和太阳能资源最差月的用电需求，在其他月份不可避免地会产生盈余电量。如图4所示，系统为满足8月份的用电需求，在3～6月和10～12月产生了大量盈余电量，这是由于风能资源的不平衡导致的。本程序通过选择合理的风力机、光伏阵列及蓄电池的容量组合，使整个系统的盈余电量较少，成本最低。

图4 系统供电量与用电量之间的关系

4 结论

本程序的设计充分利用了风光资源在时间分布上所呈现出的一定互补性，以及各设备变化对发电量和度电成本的影响，使所设计的系统能最大程度地利用当地风能和太阳能资源，满足系统用电量要求，并降低系统成本。此外，本优化程序的汉字化图形界面，使其更便于操作和使用。

[1] 李爽. 风/光互补混合发电系统优化设计[D]. 北京: 中国科学院电工研究所, 2001.

[2] 罗运俊, 何梓平, 王长贵, 等. 太阳能利用技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2005: 7－20.

[3] 杨金焕, 毛家俊. 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算[J]. 上海交通大学学报, 2002, 36(7): 1032－1036.

[4] 肖毅. 风光互补发电系统的优化设计[D]. 西安: 西安交通大学, 2001.