风光互补发电系统的应用及优化设计

赵艳梅

【摘 要】随着社会的发展，风能、太阳能等可再生能源的应用越来越广泛，其能够缓解当前面临的能源紧缺和环境污染问题。作为新型能源，风能和太阳能可以解决供电问题，并完善供电系统，对各行各业和区域经济发展有着积极的作用。基于此，文章就风光互补发电系统展开研究，希望能够为风光互补发电的实际應用提供参考。

【关键词】风光互补发电系统;应用;优化设计

【中图分类号】TM61 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）10-0060-03

能源在人们的日常生活生活中占据了重要地位，其为社会和经济的发展起到了保障作用。人类社会在发展过程中，作为重要的能源体系，石油、煤炭及天然气是主要能源构成，其在应用过程中不仅会加剧能源紧缺状况，也会产生严重的环境污染问题，对生态系统产生破坏。近年来，世界各国开始重视能源应用问题，加大力度开发清洁、可再生能源，在满足经济发展需求的同时解决环境问题。因此，提出了风光互补发电系统，通过推广和应用该系统，充分利用风能和太阳能，构成新型能源发电系统，为人们的生产生活提供充足的电力。

1 风光互补发电系统概述

风光互补发电系统通过应用风能和太阳能，并与多种能源发电技术相结合，在智能控制技术的基础上实现发电，为可再生能源发电系统。该系统主要由风力和太阳能发电组件构成，其中蓄电池能存储电能，通过逆变器将直流电转化为交流电，为用户提供电力[1]。该系统能够使风电和光电之间形成互补，可以根据用户用电和资源实际情况分配系统容量，保证持续供电，减少能源浪费。该系统分为两个发电单元，其费用与区域风能和太阳能实际资源有关，同时这两种资源的互补情况也会影响其利用情况，该系统会根据季节、昼夜变化等太阳能和风能的实际变化情况来分配能源，并利用自动控制系统实现充放电和发电。

2 风光互补发电系统应用

2.1 航标

我国很多地区都有应用太阳能航标，根据天气状况运行的，若天气不好，就无法满足太阳能发电要求，这就需要风力发电作为补充。一般情况下，春夏两季气温高，太阳辐射强，太阳能资源比较丰富，能够满足太阳能发电配置需求，这时就不需要启动风光互补系统，但是在冬季或雨雪天气时，温度低，太阳辐射量少，太阳能资源相对较少，太阳能发电无法满足供电要求，这时就需要启动该系统，采用风能发电[2]。

2.2 建筑行业

随着社会的发展，建筑行业不仅要满足建筑要求，同时要满足节能环保要求。对此，需要全面应用风光互补发电系统，安装太阳能集热管和风力发电机，同时在应用该系统时，建筑也需要满足光伏一体化要求，同时具备屋顶风力发电机、风光互补锅炉等建筑设施。

2.3 发电

一方面，该系统可以在无电农村应用。我国区域经济发展水平有所差异，经济发展不平衡，有些农村地区缺少基本的生产生活电能，例如青藏高原等地区，这类地区的风能和太阳能资源比较丰富，可以通过风光互补发电技术为其提供充足的电能。为满足农村用电需求，需要加大力度构建可再生能源供电系统，通过风光互补满足农村生产生活用电，推动农村发展。另一方面，该系统也能够实现并网发电，应用光伏产品实现发电，例如在高原、沙漠地带安装光伏产品，开发风光互补发电系统来建设电网。

2.4 日用品

该系统广泛应用在日用品中，例如路灯、充电电源、供暖等产品。城市路灯应用该系统十分节能，尽管前期投资较大，但是减少了施工工程量且不会消耗电能，经济性整体比较好。城市道路和景观照明都可以应用该系统，其发展趋势比较可观。

2.5 沙漠治理

我国经济稳步发展，为有效治理沙漠，我国投入了大量的人力、物力，在开通沙漠公路后，区域居民生活水平有所提升，自然环境也有所改善。在治理过程中，需要大量的水资源和电能资源，对此，需要应用风光互补发电系统及相关的设施，为沙漠治理提供所需的资源。

3 风光互补发电系统优化设计

3.1 系统设计

风光发电呈现时间互补特征，夜晚风速大于白天风速，其输出风能比较高，而白天太阳能资源丰富，光伏发电效果好，彼此在能源上有互补性，可以共同使用一部分控制器件和蓄能设备，因此将两者结合起来能够形成优势性的风光互补发电系统，可以将风能和太阳能综合利用起来，应用前景比较好[3]。风光发电互补系统如图1所示，光伏列阵、风机发电，将电能存储到蓄电池组中，用户用电时只需要利用逆变器就能够将直流电转化为交流电，实现电能传输。

3.2 优化设计模型

风光互补发电系统在优化设计时，其需要对风机、光伏组件、蓄电池的数量及光伏列阵安装倾角这4个变量进行优化。

该系统的目的在于用最小成本达到最优发电，系统成本包括初始安装和后期维护两个部分[4]。系统的运维成本关系着负载系统的负载大小及其总容量，负载大小固定时，容量大，运维成本就会上升。储能器件更换与风机保养是主要成本，该部分发电成本不会对优化设计产生较大影响，只需要考虑初次安装成本即可。安装优化设计目标，得到目标函数如下：

Cw、Cpv、Cb分别为风机、光伏组件和蓄电池组单价（元）。

该系统优化设计要符合负荷需求，系统在满足负载的基础上，在一定时间内实现可靠运行，进而达到最低成本目标。假定评估期为1年，间隔时间以天为单位，风光组建发电量：

Vw为风速，Pw是风机功率特性参数;水平辐射量为H，维度角为λ，光伏列阵倾角为s，天数为n，日照时数为S，温度为T，Npv为组件配置数量，Ppv为光伏组件功率特性参数。

蓄电池组日初始容量计算公式：

Eb是储能元件剩余电量，Ebm是最大可用电量，El是负载耗电量，Eov是盈余电量。

若是不考虑外界因素对蓄电池组的影响，同时假定其充放电效率是1，最大放电深度是最大蓄电量一半，这是为延长电池寿命。假定蓄电池组初始电量：

Ebat是储能元件额定電量。

在计算时，若是负载去电，盈余电量就为负值，缺电次数则加1。在评估期内，负载缺电次数之和与365相除，则得到缺电率，则该设计的约束条件就可以用下式表示：

LPSP-LPSPset≤0，LPSP为负载缺电率，LPSPset为负载缺点率阈值。

0°≤s≤λ+30°，s为光伏列阵固定倾角。

3.3 结果分析

通过对区域气象站所记录的日平均风量和太阳能量的统计，在优化设计时，以每户每日负载耗电量为5 kW·h，分别计算2户和10户的用电量。风力发电机选择额定功率为1 kW，单价在3 000元，光伏电池组件为单晶硅组件，峰值在50 W，单价在320元，储能元件则是胶体免维护的蓄电池组件，容量在13 V，单价为1 100元。通过遗传算法建立风光互补系统模型，在进行迭代计算时，该算法利用惩罚函数对模型中的非线性和整数约束进行处理，得到历史群体最优和平均的函数值变化。每代个体数量是20，限定的最大遗传代数为100，在通过60代的优化计算选择后可以成本收敛，进而得到最优结果。

在假设两种负载基础上，这2户和10户两种用户的日用电量统一，得到的结果见表1。

3.4 系统运行分析

在能量输出模型中带入小负载结果，通过仿真可以得到风力和光伏两种发电量。在能量输出模型中带入大负载结果，通过仿真得到风力和光伏两种发电方式的发电量。

通过对市场调研得到，风光互补发电系统中零部件选取的都具有经济性及实用性，在通过计算后可以获得安装成本（见表2），同时根据市场对后续的维护成本进行了估算，最终得到总成本是初始成本和维护成本相加之和，供电成本是总成本和设备使用期间内的用电总量相除所得结果。计算结果可以表示该系统供电成本相较于网电而言要高，且存在明显的季节差异，为保证供电稳定性，供电成本也会随之升高[5]。在对比不同负载容量，与大负载配置要求相符的供电成本呈现下降趋势，但是这与器件选择也有关系，总之，供电成本是存在偏差现象的。

4 结语

本文通过阐述风光互补发电系统，首先了解该系统的主要内容及特征，其次对其在航标、建筑行业、发电、日用品、沙漠治理等方面的应用进行了分析，最后对其优化设计展开深入研究，建立了优化设计数学模型，将负载缺电率作为约束条件，并进行计算，建立电量输出模型，求解模型，得到大小负载条件下，系统优化设计结果，之后进行仿真分析计算，得到最终的供电成本，对其进行比较。通过仿真分析发现，风力和光伏发电量本身的稳定性不高，其发电量远超过了负载，且存在输出盈余，也出现负载缺电现象。在对风光互补发电系统优化后发现，这种发电形式仍然需要与其他供电模式结合，在进行经济性计算后得到，该发电系统成本相较于电网要高。

参 考 文 献

[1]杨辉，王丽萍，薛森贤，等.PLC在风光互补发电系统中的应用——光伏发电系统[J].能源研究与管理，2019（3）.

[2]齐志.基于贝塞尔函数和斐波那契数列的分布式风光互补发电系统[J].中国新通信，2018，20（3）.

[3]袁延华，马琳，孙洪芹.风光互补发电技术在农村生活污水处理中的应用[J].中国资源综合利用，2019（2）.

[4]胡滢，臧大进，张勇，等.基于知识融合PSO的风光互补发电系统优化[J].控制工程，2019（5）.

[5]钱为，徐政，陈锐坚.风光互补提水系统的研究与开发[J].太阳能学报，2019（9）.