可再生能源综合利用的研究现状与展望

可再生能源综合利用的研究现状与展望

吴利乐1,2， 郑源2， 王爱华3， 任岩1

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 2.河海大学，江苏 南京 210098；

3.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

摘要：为提高可再生能源的利用率和独立系统的供电可靠性，综述了可再生能源综合利用技术的研究进展和现状.从容量优化配置、系统建模与优化、能量管理、经济性评价等方面进行了全面总结，指出了可再生能源综合利用中存在的主要问题，主要涉及标准缺失、容量配置的随意性、运行经验缺乏、对传统能源的依赖等几个方面，归纳了现有研究中的局限性，并对可再生能源综合利用技术的发展前景进行了展望.

关键词：可再生能源；综合利用；100%可再生能源系统中图分类号：TK01文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0082-04

收稿日期:2015-03-19

基金项目：河南省科技攻关项目(142102210459)；华北水利水电大学2014年大学生创新项目(HSCX2014119).

作者简介：王为术(1972—),男，重庆开县人，教授，博士，主要从事多相流动与传热和工业节水方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.020

环境污染和能源紧缺是人类生存亟待解决的两大难题.风能、太阳能环境友好、取之不尽、用之不竭，是替代化石能源的理想选择.以风能、太阳能等为代表的清洁能源能够有效地解决环境污染与能源短缺的问题[1-2].风、光这两种能源具有一定的互补性，将风能和太阳能结合在一起综合利用，可以在一定程度上降低其单独开发并网对电网造成的冲击.可再生能源综合利用方案主要涉及小水电、风电、光伏、生物发电等.混合可再生能源系统由多种可再生能源组成，包括微源、能量管理器、储能装置等.笔者围绕可再生能源的综合利用，对其研究现状进行了全面总结，分析了研究和利用中存在的主要问题，并对可再生能源综合利用的发展趋势进行了展望.

1可再生能源综合利用的研究进展与现状

目前针对可再生能源系统的研究很多，建立的主要能源系统有风-光-生物质能复合系统，风-柴-储-海水淡化系统，风-光-柴-波浪能混合系统，光-储-水-柴微网系统，风-光-抽蓄复合发电系统等.研究内容主要包括：出力预测、发电单元的容量优化配置、系统建模、复合系统的优化策略、经济性评价、负荷参与能量优化管理等.笔者将围绕可再生能源系统的容量配置、系统建模与优化、能量优化管理、经济性评价几个方面进行总结.

1.1　容量优化配置研究

微源的优化配置是多能互补系统在设计规划阶段的重要课题，对降低系统投资成本、保证系统供电可靠性、提高资源利用率方面具有重要意义.多能互补系统能量优化配置的关键是确定目标函数、约束条件、优化变量及相关算法.采用的算法主要有粒子群优化算法(Particle Swarm Optimisition,PSO)[3]、细菌觅食算法(Bacterial Foraging Algorithm，BFA)[4]、遗传算法(Genetic Algorithm,GA)[5]、微分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)[6]等.江全元等[3]以系统投资最低(设备费用、运行维护费用、设备重置费用)为目标，以光伏电池数量、风机安装台数、风机塔架高度等为优化变量，以供电可靠性(失电率)、风机塔架高度的上限和下限、能量过剩倍率为约束条件，针对风-光-储独立供电系统的电源进行了优化配置.Yang Hongxing等[7]基于遗传算法，考虑供电可靠性及单位发电成本最低2个因素，对光伏组件的数量、倾斜角，风机的装机容量、安装高度等方面进行了优化配置.Rachid Belfkira等[8]以系统成本最低，针对风-光-柴复合系统的容量配置进行了优化研究.石庆均[9]针对风-光-储微网系统，建立了系统的容量优化配置模型，提出了基于多时间尺度的能量协调控制策略，并将优化问题分为两个阶段：日前计划、实时调度.

1.2　系统建模与优化

建立复合系统的优化模型是研究多能互补系统的关键.采用的仿真软件主要有HOMER,SIMULINK,HYBRID 2等.优化模型的基本要素包括决策变量、目标函数、约束条件3个方面.Manolakos等[10]提出了风-光-抽蓄复合发电系统.该系统包括风力发电、光伏发电、抽水蓄能等，并对该系统进行了优化设计，对能量生产及存储进行了系统性的分析.分析表明，该系统能够满足区域的用能、用水需求.John S Anagnostopoulos等[11]对抽水蓄能在提高可再生能源渗透率方面的作用进行了研究，对基于抽水蓄能的可再生能源系统进行了建模和仿真，对抽水蓄能的装机容量进行了优化，并提出了抽水蓄能的运行策略.研究表明，抽水蓄能能够进一步提高可再生能源的渗透率.任岩[12]针对涉及风-光-抽蓄的复合发电系统进行了建模，提出了系统的优化策略，选取系统初次投资最少为目标函数，以系统可靠性为约束条件，采用混沌粒子群算法对系统进行了优化配置，降低了多能互补系统的发电成本.

上述分析表明，对可再生能源系统进行建模与优化分析有助于降低发电成本，减少系统投资，提高可再生能源的渗透率.

1.3　能量管理优化方法的研究

能量管理系统是可再生能源综合利用系统的“神经中枢”和“大脑”，其实质是利用信息流控制能量流，保持系统的能量供需平衡及电压、频率的稳定性，保证系统的安全、稳定、经济运行.

茆美琴等[13]开展了针对风能、太阳能、生物质能组成的可再生能源系统的研究，提出了复合能量管理系统的信息集成及能量管理控制策略.该系统对储能系统有一定限制性的要求.郭思琪等[14]以短期功率预测和超短期功率预测为基础，综合考虑各微源的出力特性及负荷运行特性，建立了适用于独立电网的能量优化模型.模型以运行成本最低为目标函数，从日前和日内2个时间尺度研究了复合系统的能量优化协调控制策略.郭力等[15]针对包括风力发电-柴油机发电-储能-海水淡化的独立微网系统，开展了基于超短期的功率预测的能量管理方法研究，提出了基于超短期风速预测的能量管理策略.王坤林等[16]介绍了风能、太阳能、波浪能、柴油机组成的混合发电站，采用海水淡化作为可控负载，在可再生能源出力过剩或淡水资源不足时投入使用，但对海水淡化装置对可再生能源系统的适应性问题没有做深入性的探讨.陈昌松[17]综合考虑了电网实时电价、微源出力、储能单元预测剩余容量等因素，提出了基于模糊控制的能量控制管理策略，采用模糊规则进行模式切换和能量流的切换.薛美东等[18]针对光-储-水-柴的微网系统，提出了包括预测层、调度层、控制层的能量管理框架.预测层提供决策数据支持；调度层分配光、水资源，减少柴油机的出力比例；控制层控制本地设备，对可用发电容量进行合理分配，保持系统的平稳运行.静铁岩等[19]利用水电的储水能力平抑用电高峰期风电的波动性，提出了在枯水期利用风电和水电联合调峰的策略.张建华等[20]采用中央控制器和局部控制器相结合的策略：局部控制器负责数据的采集，执行控制指令，保持系统电压、频率的稳定性；中央控制器具有上传下达的作用，向能量管理中心传递收集到的微源信息及负荷信息，向局部控制器传递控制指令.刘小平等[21]对可再生能源的出力波动性、负荷预测偏差、机组故障等不确定因素进行模拟，讨论了不确定因素对微网系统经济调度的影响.Anurag Chauhan等[22]对集成可再生能源系统的系统架构、储能配置、容量配置、能量管理控制策略进行了讨论.

以上研究表明，在独立的可再生能源系统中，可再生能源方案的组合及控制策略的确定取决于当地的自然条件、负荷分布等，选取合适的组合方案及运行策略有利于降低系统的投资和运行成本.

1.4　经济性评价

系统初次投资、单位发电成本、环境效益等是评价独立可再生能源系统的关键指标，如何降低系统的初次投资和单位电价、合理评估可再生能源的环境效益显得尤为重要.Ioannis D Spyrou等[23]建立了风-光-抽蓄-海水淡化复合系统，考虑到可再生能源的波动性及出力预测的困难性，在建立多能互补复合系统中加入抽水蓄能子单元来代替蓄电池.该系统以淡水生产成本最低及水需求最大满意度为优化目标，同时考虑了人口、水价、水需求满意度、光伏发电成本等因素，采用多台泵并列运行的方式，以应对可再生能源系统单元的波动.这会增加系统的投资，可考虑采用可逆式水泵水轮机的形式，以降低成本.Khatibi 等[24]对可再生能源高渗透率下的抽水蓄能作用进行了分析，风光具有随机性和不确定性，高渗透率会对电网造成很大冲击，利用抽水蓄能能够有效地弥补这方面的不足.该文献从经济性和技术性2个角度探讨了抽水蓄能装机容量与可再生能源系统的比例问题.

2可再生能源综合利用中存在的问题

国内外学者针对可再生能源的综合利用已开展了大量的研究，并取得一定的成果，但存在一些不足之处，主要体现在以下几个方面:

1)目前建立的可再生能源综合利用系统不多，尚处于探索阶段，缺乏成熟的运行经验，且针对100%可再生能源系统研究较少，很多独立系统依然不能摆脱对柴油等传统能源的依赖，有悖于建立可再生能源系统的初衷.

2)关于可再生能源综合利用的标准与规范相对缺失，容量配置方面具有较大的随意性和主观性，缺乏系统性和科学性的规划设计.

3)关于可再生能源系统算法的研究相对孤立，缺乏比较性.一般是针对某一种算法开展了相关研究，指出了所采用的算法的特点，大多数情况下缺乏比较，所以不能够突出该算法的优越性.

4)关于可再生能源系统的环境效益评价相对缺失.目前，针对可再生能源系统经济性评价的研究相对较多，研究的对象主要有单位发电成本、系统初次投资等.而针对可再生能源系统的环境效益评价的研究相对较少，尚不能充分体现出可再生能源在保护环境方面的贡献.如何体现可再生能源发电系统的环境效益需要进一步的探讨.

3进一步研究的方向

大规模开发利用可再生能源是解决环境污染与能源短缺问题的有效途径，采用多能互补系统能够在一定程度上弥补单独开发存在的不足.但由于该系统的复杂性、多样性及不完善性，尚需进一步开展以下几个方面的研究：

1)应对多样性的100%可再生能源系统示范工程项目进行研究，对该系统进行科学的容量配置，以便积累运行经验.

2)加大关于相关标准和规范的研究，以便早日推出相关标准和规范.

3)对已有的关于可再生能源研究算法进行横向比较研究，以发现其优点和缺点.

4)对可再生能源系统的环境效益进行研究和定量分析及评价，以体现可再生能源在此方面的优势.

4结语

100%可再生能源系统是一个具有前瞻性的命题.丹麦的Henrik[25]围绕如何向100%可再生能源模式转型这个主题进行了深入探讨，具有一定的启迪性.

我国也提出了以下目标：2030年碳排放达到峰值，非化石能源占能源消费的20%以上，建立100%的独立可再生能源系统示范工程.这对提高可再生能源利用率具有积极的意义.开展可再生能源综合利用的研究将进一步促进提高可再生能源的利用率.

参考文献

[1]杜明侠,郭浩,王俭国．我国农村能源的开发现状及亟待解决的问题[J]．华北水利水电学院学报，2012，33(5)：64-66．

[2]吴志超,孟现岭,赵地，等．光伏发电中基于拉格朗日插值法的最大功率点跟踪[J]．华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(5)：78-80．

[3]江全元,石庆均,李兴鹏，等．风光储独立供电系统电源优化配置[J]．电力自动化设备，2013，33(7)：19-26．

[4]马溪原,吴耀文,方华亮，等．采用改进细菌觅食算法的风/光/储混合微电网电源优化配置[J]．中国电机工程学报，2011，31(25)：17-25．

[5]吴红斌,陈斌,郭彩云．风光互补发电系统中混合储能单元的容量优化[J]．农业工程学报，2011，27(4)：241-245．

[6]张颖达,刘念,张建华，等．含电动汽车充电站的风光互补系统容量优化配置[J]．电力系统保护与控制，2013，41(15)：126-134．

[7]Yang Hongxing,Zhou Wei,Lu Lin,et al.Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm[J].Solar Energy,2008,82(4):354-367.

[8]Belfkira R,Zhang Lu,Barakat G.Optimal sizing study of hybrid wind/PV/diesel power Generation unit[J].Solar Energy,2011,85(1):100-110.

[9]石庆均．微网容量优化配置与能量优化管理研究[D]．杭州：浙江大学，2012．

[10]Manolakos D,Papadakis G,Papantonis D.A simulation-optimisation programme for designing hybrid energy systems for supplying electricity and fresh water through desalination to remote areas case study:the Merssini village,Donoussa island,Aegean Sea,Greece[J].Energy,2001,26:679-704.

[11]John S Anagnostopoulos,Dimitris E Papantonis.Study of pumped storage schemes to support high RES penetration in the electric power system of Greece[J].Energy,2012,45:416-423.

[12]任岩．风光抽蓄复合发电系统的建模与优化[D]．南京：河海大学，2012．

[13]茆美琴,丁明,张榴晨，等．多能源发电微网实验平台及其能量管理信息集成[J]．电力系统自动化，2010，34(1)：106-111．

[14]郭思琪,袁越,张新松，等．多时间尺度协调控制的独立微网能量管理策略[J]．电工技术学报，2014，29(2)：122-129．

[15]郭力,王蔚,刘文建，等．风柴储海水淡化独立微电网系统能量管理方法[J]．电工技术学报，2014，29(2)：113-121．

[16]王坤林,游亚戈,张亚群．海岛可再生独立能源电站能量管理系统[J]．电力系统自动化，2010，34(14)：13-17．

[17]陈昌松．光伏微网的发电预测与能量管理技术研究[D]．武汉：华中科技大学，2011．

[18]薛美东,赵波,张雪松，等．基于分布式控制的独立型光储水柴微网调度策略[J]．电力系统自动化，2014，38(4)：1-7．

[19]静铁岩,吕泉,郭琳，等．水电-风电系统日间联合调峰运行策略[J]．电力系统自动化，2011，35(22)：97-104．

[20]张建华,苏玲,陈勇，等．微网的能量管理及其控制策略[J]．电网技术，2011，35(7)：24-28．

[21]刘小平,丁明,张颖媛，等．微网系统的动态经济调度[J]．中国电机工程学报，2011，31(31)：77-84．

[22]Anurag Chauhan,Saini R P.A review on integrated renewable energy system based power generation for stand-alone applications:Configurations,storage options,sizing methodologies and control[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,38:99-120.

[23]Ioannis D Spyrou.Design study of a stand-alone desalination system powered by renewable energy sources and a pumped storage unit[J].Desalination,2010,257:137-149.

[24]Khatibi M.An analysis for increasing the penetration of renewable energies by optimal sizing of pumped storage power plants[J].IEEE Electrical Power & Energy,2008,978(1):2895-4244.

[25]Henrik L.Renewable Energy Systems—the Choice and Modeling of 100% Renewable Solutions[M].北京:机械工业出版社,2011.

Research Status and Prospect About Comprehensive

Utilization of Renewable Energy

WU Lile1,2, ZHENG Yuan2, WANG Aihua3, REN Yan1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2. Hohai University, Nanjing 210098, China;

3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250013, China)

Abstract:In order to increase the utilization efficiency of renewable energy and the reliability of power supply of independent system, the research status and prospect about comprehensive utilization technologies of renewable energy were reviewed, we overall done the summarization from these aspects, such as optimal configuration of capacity, system modeling and optimization, energy management, economic evaluation, etc. Then we pointed out the main problems in the comprehensive utilization of renewable energy, which mainly related to standard deficiency, randomness of capacity allocation, lack of operating experience, dependence on traditional energy, etc. At last, we summarized the limitations in the investigations, and pointed out the developmental prospect of comprehensive utilization technologies of renewable energy.

Keywords:renewable energy; comprehensive utilization； 100% renewable energy system

(责任编辑: 杜明侠)