第27卷第6期2010年12月现 代 电 力M odern Electric Pow erV o l 27 N o 6Dec 2010文章编号:1007 2322(2010)06 0051 07文献标识码:A离网型风光储互补发电系统优化设计方法研究李 品,刘永前,郭伟钊(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206)Study on Optimal Design Method for Stand alone Wind/Solar/BatteryHybrid Power SystemLi Pin,Liu Yongqian,Guo Weizhao(Schoo l o f Ener gy ,Po wer and M echanical Eng ineering ,N or th China Electr ic Po wer U niversity,Beijing 102206,China)摘 要:以解决风光储互补发电系统的合理配置问题,实现系统能独立为风光资源丰富的边远地区和海岛提供清洁、可靠及廉价的电力能源为目的,提出了一种基于全年负载缺电率(LPSP)和全寿命周期成本(LCC)为优化目标的风光储互补发电系统优化设计方法。
为精确计算系统的运行状态,建立了基于小时时间尺度的风力机组发电量计算模型、光伏电板发电量计算模型和蓄电池组的表征组件特性的数学模型;为发挥风光互补系统发电量互补的优势,建立了风光储互补发电系统中光伏方阵倾角优化模型;以LPSP 和LCC 作为系统的优化指标,建立了LPSP 和LCC 计算模型;运用迭代算法计算各种可能出现配置下的LPSP 和LCC;通过LP SP 可靠性筛选和LCC 经济性优化,最终得到LCC 最小并能满足LPSP 要求的系统配置。
该优化方法按照小时的尺度进行优化计算,优化结果精度高;LCC 经济性评价指标全面和客观;倾角优化发挥出系统发电量互补的优势。
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2007A A 05Z428)关键词:风光储互补发电;优化设计;迭代算法;全年负载缺电率;全寿命周期成本Abstract:In order to solve the assignment problem of the wind/PV/battery hybrid pow er system,and to achieve the aim of independently providing clean,reliable and economic pow er f or the area w hich is abundant in wind and solar re sources,the paper presents an optimal design method of hy brid system based on the w hole year s Loss of Pow er Supply Probability (LPSP)and the w hole Lif e Cycle Cost (LCC ).For the purpose of precise calculation of the system opera t ion condition,a m athematic model of calculating method has been built for electric energy production of w ind tur bine,PV arrays and storage battery s behavior regime on the time interval of hour.By taking advantage of hybrid sys t em,the optimal model to calculate the angle of PV arrays is also built.In addition,the model to calculate LPSP and LCC,w hich are taken as optimal index,is set up,and LPSP and LCC in all kinds of possible conf igurations are calculated based on iterative algorithm.The system configuration,which has minimum LCC and its reliability m eet the require m ent of LPSP,is obtained through reliability filtering of LPSP and economic optimization of LCC.This optimized design is calculated base on one-hour timescale,and result show s its high precision.LCC is taken as the economic index is feasible,and optimum angle of the PV arrays can play the key role of the system hybrid predomination.Key w ords:wind/solar/battery hybrid power systems;opti mal design;iterative algorithm;LPSP;LCC0 引 言环境污染、化石燃料枯竭,人们已将目光投向了可再生能源;随着技术的进步、成本的降低,风能和太阳能已进入了可再生能源快速发展的历史时期;据有关部门统计[1],2009年中国的太阳能电池产量达到4382M W,估计超过全球的40%;组件成本下降到S |3 5/Wp,预计2020年光伏组件的价格将下降到S |1/Wp 以下;根据WWEA (世界风能协会)统计,2009年世界风电装机容量的装机量为157900MW,比2008年增加了30%。
风力发电和光伏发电由于受天气因素的影响,单独使用光伏发电或风力发电都存在供电不稳定的缺陷,造成供电可靠性较差;为了提高系统的可靠性,通常需要配置大量的蓄电池来调整电量的动态平衡,而目前电能储存费用的昂贵,造成系统成本的昂贵,上述原因限制了单独供电形式的推广使用。
而太阳能和风能在昼夜、季节上互补性的特点,采用风光互补发电形式能获得较稳定的电能和较少储能设备去保证系统的可靠性,因此采用风光储互补发电方案是实现独立供电系统的合理性选择[2],是解决偏远地区和海岛地区用电的一种有效方式。
风光储互补发电系统主要由以下几部分子系统构成:风力发电机组和光伏电板组成的发电系统;蓄电池按照串并排布组成的蓄能系统;电缆、整流器、逆变器、开关等组成电量传输系统;控制器、电压电流检测器等组成的控制系统;卸荷器、备用电源等组成的安全系统;交流电器、直流电器组成的负载系统。
如何对风光储互补发电系统中的风力发电机组、光伏电板、蓄电池组进行合理的配置是本文研究的重点。
风光储互补发电系统的结构示意图见图1。
图1 风光互补发电蓄能系统结构示意图1 风光储互补发电系统的数学模型对风光互补储发电系统优化是利用建立的系统发电量模型,蓄电池组表征特性模型,准确地计算出对应系统配置下每小时系统的运行状态;然后通过建立可靠性指标(LPSP)和经济性指标(LCC)对不同容量配置下的系统进行评价,最终得到合理的系统配置。
对建立在小时时间尺度上的反映供电可靠性指标(LPSP)的求解,需要知道系统每小时电量供需状况,系统第t 小时的电量供需状况是由系统第t 小时发电量、第t -1小时蓄电池组储存电量以及第t 小时负载耗电量共同决定;为了精确得到系统的运行状态,需要建立系统的发电量计算模型、蓄电池组表征特性的数学模型;为了得到系统的优化指标,需要建立反映供电可靠性指标 全年负载缺电率(LPSP)计算模型和反映经济性指标 全寿命周期成本(LCC)计算模型。
2 风光储互补系统发电量计算模型风光储互补系统第t 小时的发电量是由第t 小时风力发电机组的发电量和第t 小时光伏电板的发电量组成,风光储互补发电系统t 时间内发电量计算公式:w (t)=w pv (t)+w f (t)(1)式中:w (t)为风光储互补系统第t 小时的发电量;w pv (t)为光伏电板第t 小时的发电量;w f (t)为风力发电机组的第t 小时的发电量。
2 1 风力发电机组的发电量计算模型风力发电机组的发电量与风力发电机组的安装容量、安装地风资源、安装地海拔以及风机的轮毂高度有关;对于装机容量确定的风力发电机组,其发电量与轮毂高度风速的三次方和空气密度的一次方成正比;风速和空气密度对风力发电机组的发电量有着显著的影响,必须根据轮毂高度对风速给予修正和根据海拔对空气密度给予修正。
2 1 1 风速的修正风速是随着高度变化的,在风机通常的安装高度范围风速随着高度的增大而增大,测风塔测量的风速数据的高度很多时候是和风机的轮毂高度不一致的,首先需要将测量的风速数据修正到轮毂的高度,风速随高度的变化情况与地面的平坦度、地表粗糙度,以及气温的变化情况的不同而有所差异[3 4]。
风速随高度变化的修正公式很多,通常采用指数公式。
v v 0=z z 0a(2)式中:v 为距地面高度为z 处的风速(轮毂高度的风速),m /s;v 0为距地面高度为z 0处的风速(风速测量的高度的风速),m/s;a 为风速切变指数,取值取决于大气稳定度和地面粗糙度,对于草地和开阔地一般取值为0 125~0 5。
2 1 2 空气密度的修正空气密度呈现随海拔高度增加而递减的规律;由于我国的地形复杂、高差较大,安装地的空气密度与海平面标准大气压情况下测量的空气密度有一定的差别,这将对风机的实际发电量有影响,特别是对于海拔较高的地区应给予修正。
从气体状态方程出发,考虑水汽的影响,采用估算空气的密度方法[5]:= 011+0 00366tp -0 378e 1000(3)在没有湿度观测的地方,可以使用理想气体状态方程对密度进行修正。
52现 代 电 力 2010年=pR T(4)式(3)、(4)中:p为大气压(hPa);e为水汽压(hPa);t为气温(!);T为开尔文温度(K)。
2 13 单台风力发电机的发电量计算风力发电机的发电量不仅与轮毂高度风速和安装地的空气密度有关,还与风机本身的风功率输出特性有关。