风光互补发电1-CAD.pdf

第2 4 卷第4 期 太阳能学报vd 2 4 N 4 2 0 0 3 年8 月 A c T AE N E R G J A Es 0 I A R l ss I N A A I J g 2 0 0 3 文章编号 0 2 5 4 0 0 9 6 2 0 0 3 0 40 5 4 00 8 风光互补发电系统的优化设计 I C A D 设计方法 艾斌1 一 杨洪兴2 沈辉1 廖显伯3 I 叶 国科学院广州能源研究所 广州5 1 0 0 7 0 2 香港理工大学屋宇设备工程系 香港儿止 3 中国科学院 r 导体研究所 北京1 0 0 0 8 3 摘要 给出了一整套利用c A D 进行M 光互补发电系统优化设计的方法 为了精确确定系统每小时的运行状态 采用 了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型 为 寻找出以最小设备投资成本满足用户蹦电要求 的系统配臂 首先在风力发电机容量固定不变的前提下 计算了与该容萤风力发电机匹配的不同容量的P v 方阵和蓄电 池所组成的风 光 蓄组合的全年功率供给亏欠率L P S P 根据总的设备投资成本最小化的原则筛选出一组与该容量风力 发电机对应的满足用户给定系统供电可靠性即I P s P 值的风 光 蓄组合 然后通过改变风力发电机的容量 优选出多个 与小同容茸风力发电机对应的既能满足用户用电要求同时总的设备购置成本又是最低的风 光 蓄组合 比较它们的成 奉最终唯一确定m 以最小投资成本满足用户用电要求f l 勺优化的系统配置 关键词 风光瓦补发电系统 优化设计 c A D 方法 中图分类号 T K 6 1 4文献标识码 A O引 言 由于昼夜的更替和天气变化的影响 使用单独 的光伏或风力发电都存在发电量小稳定的缺陷 往 往需要采用较大容量的蓄电池来平衡供电 而风 光系统中的蓄电池又工作在非常苛刻的条件下 不 但始终处于时断时续频繁的充放电循环之中 甚至 还会K 期处于亏电状态 这种非理想的工作条件使 得蓄电池的实际使用寿命般都比较短 而目前蓄 电池的价格又相当昂贵 风 光系统使J 口寿命期内的 蓄电池总成本已接近甚至大下购买单独的P v 组件 或风力发电机的成奉 如何最大限度的延长蓄电池 维的使用寿命足光伏系统设计人员极需解决的重大 问题 利用风光互补发电可以有效延长蓄电池的充 电时问 大大缩短菁电池处于亏电期的时间 进而延 长其使用寿命 另一方面 风光互补发电两者同时不 供电的几率很小 并且在很多情况下可以直接向负 载供电 这就大大降低了对蓄电池储能的要求 即可 以使用更小容量的蓄电池 国内外的研究结果都表 明风光虿补发电是一种比单一光伏或风力发电更经 济的选择 收稿日期 2 0 0 2 1 1 2 9 基金项目 国家重点科技攻关计划 9 6A 8 一 1 中国科学 院 9 0 R 年度光电转换及功能材料 百 计划 项目资助 众所周知 合理的匹配设计是充分发挥风光互 补发电优越性的关键 准确台理的匹配设计可以保 证蓄电池T 作在尽可能理想的条件下 最大限度地 延K 蓄电池的使用寿命 降低供电成本 获得以最小 投资成本达到满足用户用电要求的效果 近年来 国外已相继开发出一些模拟风力 光伏及其互补发 电系统性能的大型工具软件包 通过模拟不同系统 配置的性能表现和供电成本可以优化出最佳的系统 配置L 1 由于这些工具软件包的价格不匪 大部分 光伏系统设计人员无法使用到这样的软件工具 另 一方面 作为商业秘密 模拟所使用的裁征风力发电 机 P v 组件和蓄电池特性的数学模型也未被公开 有许多工作致力于探索一种相对简单的设计光 伏及其互补发电系统的方法 然而它们叫J 的绝大部 分忽略了系统性能的精确确定 有螳工作把重点放 在气象数据的统计学特征对系统性能的影响ko 或 组件特性的非线性和系统操作方案对系统设汁的影 响 3 1 还有一些工作以时间为步长进行系统性能的 模拟 并以此为基础试图找出连系有限个气象特征 参数和系统配置关系的公式 然而模拟所使用的表 万方数据 4 期 艾斌等 风光互补发电系统的优化设计 f 征组件特性的数学模型往往过于简单 譬如用线性 模型表征组件特性 另外 负载通常也被假定是恒定 不变的 这些都造成了所推导出的公式的适用范匍 非常有限 4 t5 6 f B o r o w y 等人给出了一种更直接的 确定风光互补发电系统巾蓄电池和P v 方阵最佳容 量组合的方法门 然而他们直接使用了P V 组件和 蓄电f 电的个数来设计系统 并术将P V 组件和蓄电 池的串联数和并联数区分开来 事实上在设计系统 时两者需要分丌考虑 另外 确定系统工作状态所 使用的表征组件特性及评1 士实际获得的风光资源的 数学模型也需要进一步完善 本文将在文献 7 的基础P 给出一整套利用 c A D 进行风光互补发电系统优化设计的方法 为 了精确确定系统每小时的运行状态 该方法采用了 更精确的表征组什特性及评竹实际获得的风光资源 的数学模型 为了寻找出以最小设备投资成本满足 用广川电要求的 组风 光 蓄组合 本文首先在风 力发电机容量一定的前提下确定出与该容最风力发 电机对应的满足用户用电要求同时总的设备购置成 本义是最低的一组风 光 蓄组合 然后通过改变风 力发电机的容量 由程序筛选出多个与不同容量风 力发电机对应的既能满足用户用电要求同时总的设 备购置成本又是最低的风 光 蓄组合 比较它们的 成本最终可以唯一确定出以最小投资成本满足用户 用电要求的优化的系统配置 很显然 在对风光巨 补发电系统优化设计的 A D 方法中 确定与某一容 量风力发电机对应的以最小设备投资成本满足用户 用电要求的 组风力t 蓄组合是整个设汁方法的核 心和基础 同时也是设计的重点和难点 为此 程序 模拟并计算了与某一容量风力发电机匹配的不同容 虽P v 方阵和蓄电池所组成的风 光 蓄组合全年的 功率供给亏欠率L P s P 根据用户给定的系统供电 的可靠胜即I P s P 使和总的设备购置成本最小化的 原则 可由程序筛选出与该容量风力发电机对应的 满足l 述供电可靠性及成本最小化条件的唯一的一 组风 光 菁组合 此外 一旦知道了与某一容量风 力发电机匹配的不同容量P V 方阵和蓄电池所组成 的风 光 蓄组合全年的功率供给亏欠率L P S P 文 章还给出由画图法确定与该容量风力发电机对应的 满足用户用电要求同时设备购置成本又是最小的一 组风 光 蓄组合的方法 即先画出与该容量风力发 电机对应的满足给定系统供电可靠性要求的表示 P v 方阵和蓄电池容量关系的平衡曲线 再通过画 用斜率表示P v 组件和蓄电池成本关系的平衡曲线 的切线 可以唯一确定出与该容量风力发电机对应 的以最小投资成本满足这种供电可靠性要求的优化 的系统配置 1 数学模型 1 1 风光互补发电系统的示意图 本文所研究的风光互补发电系统如图1 所示 该系统为独立发电系统 且不使用柴油发电机等后 备电源 由于绝大多数用电器使用交流电源 在负 载的前级使用了逆变器 泄荷器的作用是 当蓄电 池已被充满且系统的发电量仍大干用电量时 为防 止蓄电池过充和确保逆变器正常工作 控制器会自 动接通泄荷器消耗掉多余的电能 图1风光互补发电系统的示意图 F glS c h e m 且t i cd i a g 伯mo faP v w l n dh y b r ds y s l e n l 1 2P V 方阵每小时发电 的计算 1 2 1H a y 的天空散射各向异性模型 P V 组件每小时的发电量由组件平面上每小时 接受到的平均光强 环境温度和组件特性决定 南 于P V 方阵通常与地面成一定倾角安装 在汁算P v 组件每小时的输出时 需要将水平面上实测的辐射 强度数据折算到组件平面上的相应值 H a y 的天宅 散射各向异性模型常用于此目的 其表达式为 E E b E d E 1 式中 万方数据 5 4 2 太阳能学报 风 塑 磬簧篆 篝等型 乳 星皆 亟总慧警篆等警锦掣 饯 半 鱼主导 E 字幔 1 c s p 在利用上面的公式计算组件平面上每小时的平均辐 射强度时 太阳赤纬d 和大气层外法向辐射强度E o 取每I I 的平均值 其计算公式参见文献 8 9 En 民 Ed I E 和时角m 取小时平均值 时角m 和当 地标准时间7 j 的关系可以表达为 9 J m n 等 垫皆 1 2 1 5 2 式中时角m 和当地标准时间T 取每小时的值 时 差E 了 取每口的值 根据文献 9 给出的每月1 6 1 1 1 6 2 1 和2 6 日的时差数据 垒年每日的时差数 据可以由线性插值的方法得到 L o 9 1 和L o g 分 别表示当地的经度和当地标准时间的经度 需要指出的足 为了避免使用公式造成的误差 只有当时角m 处于日出时角m 5 与日落时角m 一5 之间 才能使用卜述公式计算组件平面r 每小 时获得的平均辐射强度 倾斜面上的日出 日落时 角 和 的计算公式参见文献 9 1 22 表征P V 组件特性的数学模型 1 1 v 组件的特性方程是一个没有解析解的超越 方程 不能直接用来汁算P v 组件每小时的输出 如果使用了最大功率点跟踪器 并且假定P V 组件 总是 作在最佳1 1 作点 则可以利用下而的公式计 算任意条件下P V 组件的最佳工作点电流和电 压7 川 h 一如 H 罟岩川卜 3 式中 1 1 j p f e x p 一V c 2 V 0 c 1V p V c 一1 2 一l n 1 J 洲 J s c 讪 1 o 也 爱 舻 丁 f p 西 j 知 甓 h T 丁 c 一T 刑丁 d l T A O0 2 E 1 2 3P v 方阵每小时发电量的计算 对于实际廊用 需要将一定数量的P v 组件进 行串 并联以满足用户对电压和功率的要求 系统 的工作电压决定了P V 组件的串联数 而P V 组件 串的并联数决定了P V 方阵的容量 对于蓄电池的 情况也是如此 P V 方阵每小时输出的电压和功率 可表示为 V P v A N P v s V P v 4 P T v A N I N m V J F F 5 式中N P v s P V 组件的串联数 N P v P P V 组 件串的并联数 F 和F 分别代表由连接损失 和其它损失引入的因子 1 3 风力发电机每小时发电量的计算 风力发电机每小时的发电量是由风力发电机转 轴高度处每小时的平均风速和风力发电机的输出特 性决定的 因为近地表丽的风速随高度按指数规律 变化 并且风能与风速的三次方成正比 所以风力发 电机转轴的架设高度对风力发电机的输出具有极大 的影响 在计算风力发电机的输出时 必须先把 耍 测的每小时的平均风速折算到风力发电机转轴高度 处的相应值 最常用的是指数率公式 其袋达式为 7 2 手 o 6 U o 0 式中 目标高度处的风速 参考高度 处的风速 地面粗糙度因子 对于开阔的陆 地 a 取1 7 即使具有相同额定功率的不同型号的风力发电 机在同一地点使用 由于输出特性曲线的不同 其输 出的电能也大不相同 在计算风力发电机每小时的 发电量时最好使用该型风力发电机实际的输出特性 方程 在本文中 风力发电机的输出特性方程通过 用最小二乘法对其实际的输出特性眭 I 线拟合得到 为r 保证拟合的精度 使J H r 三个二项式进行拟合 风力发电机输出特性的拟合方程可以表达为 万方数据 4 期 P w 艾斌等 风光互补发电系统的优化设计 I 5 4 3 口 u 口 口1 1 口 w f 7 式巾P 风速为 时风力发电机输出的电 功率 风力发电机转轴高度处的风速 和 w 分别为风力发电机的启动和切断风速 由风 力发电机的输出特性方程和转轴高度处每小时的平 均风速可以很容易计算出风力发电机每小时的发电 量 1 4 表征蓄电池特性的数学模型 时刻蓄电池的状态与前一时刻的蓄电池状态 和 l 时刻到r 时刻系统对能量的供求状况有关 当P v 方阵和风力发电机的总输出大于负载用电量 时 蓄电池处于充电状态 时刻蓄电池的荷电量 可以由下式表示 E R f E n f 一1 1口 E G A E L f 7 口 8 否则 蓄电池处于放电状态 在本文中 蓄电池的放 电效率被假定为l 因此 时刻蓄电池的荷电量可 以表不为 EJ E H 1 1d 一 E L 一E A t 9 式中E l t 和E l t1 分别表示f 和 一1 时 刻蓄电池的荷电量 a 蓄电池每小时的自放电 率 E t z l 时刻到 时刻经过控制器能量 损耗之后南P v 方阵和风力发电机提供的总的可用 电量 E t f l 时刻到 时刻的负载用电最 和7 分别表不逆变器的效率和蓄电池的 充电效率 在任意时刻 莆电池组的荷电量都要满足如下 关系 EJ h F B E 式中蓄电池组的最大 荷电量E 取莆电池绀的额定容量 蓄电池 组的最小荷电量E B 由最大放电深度D D 决定 即F 陆n 1 W D c 根据厂商的说明书 如 果D O D 取值3 0 5 0 蓄电池的使用寿命可延 长至最大 在奉研究巾 D O D 取值5 0 P v 方阵的输出电压随着光强 温度的变化在 不断变化 只有当P v 方阵的输出电压高于蓄电池 组的浮充电压 P v 方阵发出的电能才能被利用 在判断P V 方阵的发电量能卉被利用时 需要知道 蓄电池组的浮充电压 本文使用了以下联系蓄电池 组端电压 荷电量和环境温度的公式 V b 小川 氓 2 01 4 8 兰 1 10 00 0 l T A 一2 5 1 0 2 匹配计算方法 以下两个儿率的定义经常被用来表示系统供电 的町靠性 一个是缺电率L L P t h el o s s fl o a d p r o b a b i l i t y 定义为系统停电时间丁f 与评估期时间 T 的比率 即L L P T f T 另一个是功率供给亏欠 率L P S P t h e1 0 s s fp o w e rs u p p l yp r o h a b i l i t y 定义 为系统亏欠负载的功率除以评估期负载总的功率 要求 rT L P S P 三L P S 三E I 1 1 f l 式中 L P s f E L E G A r E B 一1 一E 口 为了寻找到以最小设备购置成本满足用户给定 的系统供电的可靠性L P s P 值的优化的系统配置 本文分两步来讨论对风光互补发电系统的优化没 计 第一步先对风力发电机容量一定的风光互补发 电系统进行优化设计 第二步再讨论风力发电机容 量变化条件下的风光互补发电系统的优化设计 2 1 风力发电机容量一定条件下的风光互补发电 系统的优化设计 风力发电机容量一定条件F 的风光瓦补发电系 统的优化设计问题等价于寻找与该容量风力发电机 匹配的P v 方阵和蓄电池组的最佳容量组合问题 要寻找出与该容量风力发电机匹配的既能满足用户 用电要求同时设备购置成本又是最小的一组风 光 蓄组合 需要模拟并计算与该容量风力发电机匹配 的不同容量P v 方阵和蓄电池所组成的风 光 蓄组 合全年的功率供给亏欠率L P s P 图2 给出了风力 发电机容量一定条件F 计算不同容量P v 方阵和蓄 电池组成的风 光 蓄组合全年L P s P 值的程序流 程图 为了提高模拟的效率 程序所模拟的P v 组 件和蓄电池串的并联数的下限由下面的式子给出 N I v P h O5 C P v N 1 s P v N P v s 1 2 C f f r P u 口 口 I 6 6 6 u u i 0 d 0 万方数据 太阳能学报 N h j F D 叩m v c h N h j 1 3 式中c 以每月能量供需平衡为基础确定的 为补足单独风力发电机供电不足所需要的P V 方阵 的最小容量 c 的计算请参考文献 1 2 c s P v 一一单个P v 组件的容量 N 吖n 模拟的 p v 组件串的最小并联数 由它确定的P V 方阵的容 量取c 值的一半 N h 模拟的蓄电池串 的最小并联数 它是根据储存在蓄电池组巾的电量 可以满足负载一天的用电需要的原则确定的 E u 年平均日负载用电量 c 尊个蓄电 池的容量 N 一电池的串联数 一定容量的风力发电机与不同容量的P v 方阵 和蓄电池所组成的风 t 蓄组合全年的功率供给亏 欠率L P S P 一旦被确定 就可由画图法得到与该容 量风力发电机对应的既能满足用户用电要求同时设 缶购置成本又是最小的一组风 光 蓄组合 其原理 如下 在风力发电机容量一定的前提F 满足同一种 供电可靠性要求即给定L P s 尸值的多种不同系统 配置可以用一条表示P v 组件和蓄电池串的并联数 之间变化关系的平衡曲线来直观地表示 如图3 所 示 通过考虑不同系统配置的初始设备投资成本 最 终可以唯一确定出与该容最风力发电机对应的以最 小投资成本满足这种供电可靠性要求的优化的系统 配置 风光互补发电系统的初始设备投资成本c 可以表达为 C C 州 N P v s N P 个 C b N b N b u 十 o 1 4 1 式中c 单个P V 组件的成本 c h 单个蓄 电池的成本 c 在设计风力发电机容量一定的 风光互补发电系统时保持固定不变的成本 它包括 风力发电机和其它平衡组件的成本 1 4 式可以进 一步写作 一揣州u C w N p p P v s 1 5 一旦系统的工作电压以及P v 组件和蓄电池的 刑号被选定 c N P v s c 曲和N b 就可以被认为是 常数 因此在 1 5 式中只有N P v P N b 和 是变量 要使初始设备投资成本c 最小 也就是要使与平衡 2 4 卷 瓠制 鐾黼 甚省锗黝喾嚣j 巴 一一 I 裳g 搿嚣 辅鬻i 嚣躺 掣她8 i f 算N 一 川 由 上含7 去甲掣幽 L 土 奎 计算E E 给F 仰 n 喊叫媳 E 习 计算V L l I E n 1 V n m I v 匝巫 J r 算P v 方阵盘j 蛐o t 电昔k m j I 陲f l E 一 1 E u f t 一1 1 口H E t I 相 E n n 0 岁 画萄牛 坚竺 l l w 氟纛淤 L P s P N N P L P s n y E l 保存N 一N 脚 N b N N F N l 图2 计算一定容量的风力发电机与不同容量I v 方阵 和蓄电池组成的风 光 蓄组合的L P s P 值的程序流程圈 F i g2F l o w c h a nd i a g r a mb rI h ec a l c t 1 a t i o n fL P S Po f c o n f i g u r a t i o n sw l t ha c e r t a j nc a p a c l t yu fw l n dg e n e r a t r a n dd 珊瞅n tc a p a c l t yo fP Va r r a y sa n db a t t 盯yb a n b 万方数据 4 期 艾斌等 风光互补发电系统的优化设计 I 罔3 满足给定 P s P 要求的典型的表不P V 组件串 和蓄电池串并联数之间关系的平衡皓线 F 懵3T y p l c a l I r a d eo 仃c u r v eb e t w e e 1 1 ep a r a l l d t 1 1 e c l l m m b c 拈o fb a l t n dP Vm o d u l e 啪 g shag i v d lL P S Pv a I u e 曲线相交的直线N 摭 N b p 十c 在 N P 帆 坐标系中N 轴上的截距最小 斜率为 0 0 的平衡曲线的切线满足这一要求 圳 o 1NP V S 点的坐标即是与该容嚣风力发电机对应的菁电池和 P v 组什串的并联数的最佳组合 确定J 一定容量的风力发电机与不同容量的 P v 方阵和蓄电池所组成的风 光 蓄组合全年的功 率供给亏欠率L P s P 之后 也可根据用户给定的系 统供电的可靠性即L P s P 伉和总的没备购置成本最 小化的原则 由程序筛选出与该容量风力发电机对 应的以最小设备投资成本满足用户用电要求的一组 风 光 蓄组合 2 2 风力发电机容量同样需要优化条件下的风光 互补发电系统的优化设计 一照解决了风力发电机容量一定条件下的风光 互补发电系统的优化设计削题 风力发电机容量变 化条件下的风光互补发电系统的优化设计也便迎刃 而解 只需通过改变风力发电机的容量 重复第一 步求解的过程 即由程序分别筛选出与不同容量风 力发电机对应的既能满足用户用电要求同时总的设 备购置成本又是最低的风 光 蓄组合 再比较它们 的成本就可以唯一确定出以最小投资成本满足川户 用电要求的优化的系统配置 图4 给出了对风力发 5 4 5 电机容鼍变化条件F 的风光互补发电系统进行优化 设计的程序方框图 需要说明的是程序所模拟的风 力发电机台数的下限通常从l 开始取值 当然也可 以取0 值 此对应于纯光 蓄系统 为了提高程序模 拟的效率 程序所模拟的风力发电机台数的上限由 F 面的方法确定 先计算出仅由风力发电机供电且 每月均能满足用户用电量所需要的风力发电机的最 小台数 然后将该值乘以一个取值1 到2 的因子并 把结果赋给程序所模拟的风力发电机台数的上限 方框图中用虚线标出的模块是上一节要解决的摹本 问题 图2 已给出了对应于该模块的详细的程序流 程图 l 十算程序欲模拟的风J J 发电机容鼽台数 越围 风力发电机容量 台数 取最小值 淳舞粟i l 万萌i i L 蕃釜泵衙福蔚面膏 H 台全年的 啪 筛选雌嚯舞簇髫零蛳定一 计赞进缶购苴成4 筛选m 与渡窖量风力发电机对应的成乍 娃低的一组剧灯蓄组合 保留风力发I l 台数 I v H 件干 瞢I U 池串的并联数艘设备购置成本等特祉棼数 竿匙夸 筛选山风力发电机择啭变化条件下的成年最低的一绀m H 蔷自l 台保 罴嚣龇机台数 组件和靴池串的并联数觥 龃成奉等特 图4 对风力发电机容量变化条件卜的风光互 补发电系统进行优化设计的程序方框图 F i g4 1 h eb c kd l a g r a mf o ro p t i l n u t ns l z i T 培o fr V w m d h y b r I ds y s t e m w l t hv a r i eb l ew m dg e n c r H t a p a c t y 以最小设备购置成本满足用户用电要求的优化 的系统配置一经确定 另一个程序就可以输出该优 化的系统配置详细的工作状况及性能表现 它 包括 1 系统每小时的工作状况 包括蓄电池组每小 时的荷电状态s o c 系统每小时的能量供求状 况等 2 系统每日的工作状况 包括每日亏欠负载的 万方数据 5 4 6 太 阳能学报 2 4 卷 电量 每日L P s P 值 每 停电时间 每日L L P 值 系统每日的能量供求状况等 3 系统每月的J 二作状况 输出的数据类型与每 日工作状况的输出数据类型相似 4 系统每年的工作状况 包括年平均日负载用 电量 年L P s P 值 年L L P 值 P v 方阵和风力发电 机各自的印发电量 P v 方阵和风力发电机争年发 出的町用电量和多余电量等 3结论 奉文介绍j 一种利用C A D 进行风光可 补发电 系统优化没计 的方法 并给出了一整套从描述纠件 特性到气象数槲转换的数学模型 根据当地全年每 小时实测或合成的气象数据 负载用电数据 所选定 的组什的特性和价格以及用户提出的系统供电的可 靠性要求等条件 利用这种方法可唯一确定出以最 低成本满足川户川电要求的优化的系统配置 符号表 F 倾斜州上的太阳总辐射强度 w n 2 F 倾斜面上的太阳直接辐射强度 w I n E m 倾斜面上的天空散射辐射强度 w I E 地面反射辐射强度 w m 2 F 水平面上的太阳总辐射强度 w 一 水平面上的太阳直接辐射强度 w r 儿2 h水平面上的天空散射辐射强度 w 一 纬度 口斜面倾角 m地面反射牢 任意条件下f v 组件的最佳T 作点电流 A v 任意条件卜P v 组什的最佳工作点电压 v V P v 组件的开路电压 v P V 组件的最大功率点电流 A kP V 组件的短路电流 A V P V 组件的晶大功率点电压 v E 标准光强 l 0 0 0 w m 2 P v 组件的电流温度系数 A 卢oP V 组件的电压温度系数 v l 训组件内电池的工作温度 1 1 标准温度 2 5 T 环境温度 8 9 1 0 1 2 P v 组件的串联数 P v 组件串的并联数 蓄电池的串联数 蓄电池串的卅联数 单个P v 组件的容量 w p 单个蓄电池的容量 w h 单个P v 组件的成本 单个蓄电池的成本 参考文献 许洪华西藏4 K w 风 光互补发电系统优化设计 J 太阳能学报 1 9 9 8 1 9 3 2 2 5 2 3 0 K le l nSA n e c k m a nWAL o fb a dD r u b 山i 1 1 I e sf o r s 旧n 小a b n e p h o t o v l t a l cw s t e m s J R a I F n e r g y 1 9 8 7 3 9 6 4 9 9 5 1 2 S e e l i n g o c h m t l t h CAc m b m 甜叩 U 1 1 川mc o n c e p tb rt hd 锚l g n a n do p c r a t l c t r 剞P g y fh y b 州P V e n e 喝ys y s t 神1 J S l a rE I l e r g y 1 9 9 7 6 l 2 7 7 8 7 E 9 1 乩M 1 肼e n z oFT h z l n gd 咖1 1 d 如n cI V s y R L c I n s v i c w a n dap m p o s e dn e vm e t h o d l J jS u l 沁E T l e r g y M a t e n a I sa n ds d a r c e l l s 1 9 9 2 2 6 2 5 I 一6 9 B e y e rI G T J a n g e rCAm 吼h o dr o rL hL d c n t 航 a 1 1 no f 唧l f l g u r a n fP V w m d1 1 v ds y s t sf o rl h 删一 a b I es u p p I yo s 瑚a l l o a 出 I s o l 8 rF n e g y 1 9 9 6 5 7 5 3 8 l3 9 1 M a r k v a r trS z l n go fh y b r mp h t o v o l l a l c l I l dc n e r g y s y s t e l n s f J d a rE T I e r g y 1 9 9 6 5 7 4 2 7 7 2 8 l B m w yBS S a l 删hZMM e t h L o l o g yf r p l i 眦L y s z m gt h e 0 m b i n a tL o 儿o fab 叭c yb a n ka n dP Va r l yl n a w l n d P Vh y b r l ds y s t e m J I E E E1r I r n s m E n e r g y h M n 1 9 9 6 1 1 2 3 6 7 3 7 5 K e i nSAC a l c u a L i o no fm o n t h i ya v e r a g s 1 a 叫 1 州t e ds u r f a c e S J S m a rE n e r g y 1 9 7 7 1 9 3 2 5 3 2 9 葛新石 龚馒 陆维德 等太阳能工程原理千 应 用 M 学术期刊出版社 1 9 8 6 L a s n l e rF A n gTG I w mKSS u l rP h t o v o c a I c I a n d b 0 0 k M E n e r g y r e c h n o l 0 E yn v I s l o n A mI 一 s t u t eo fT e c h n o l o g y 1 9 8 8 肖威兵风光互补电站计算机仿真优化的研究 n 上海 上海交通大学应用物理系硕士论文 2 0 00 艾彬小型户用风光互补发电系统匹配的计算机辅 助致计 D 呼和浩特 内蒙占大学理工学院硕上论 文 2 0 0 0 如 l 2 3 4 5 6 7 万方数据 4 期 艾斌等 风光互补发电系统的优化设计 I 5 4 7 一一 一 o P T I M u Ms I z I N Go FP V w I N DH Y B R I Ds Y S T E M I C A DM E T H o D A iB i n l 一 Y a n gH o n g n 9 2 S h e nH u i l L i a oX i a n b 0 3 1G 洲7 增2 uf s 2 c 圹F j n 棚P A c n 如m y 鼢删 G 懈n g 曲o 5 1 0 0 7 0 凸l 撇 2D c o q r m n t j B 删d g 中国科学院半导体研究所 北京 100083 杨洪兴 香港理工大学屋宇设备工程系 香港 九龙 沈辉 中国科学院广州能源研究所 广 州 510070 廖显伯 中国科学院半导体研究所 北京 100083 刊名 太阳能学报 英文刊名 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 年 卷 期 2003 24 4 引用次数 17次 参考文献 12条 参考文献 12条 1 许洪华 C Dennis Barley Peter Tu 西藏4kW风 光互补发电系统优化设计 期刊论文 太阳能学报 1998 3 2 Klein S A Beckman W A Loss of load probabilities for stand alone photovoltaic systems 1987 6 3 Seeling Hochmuth G C A combined optimization concept for the design and operation strategy of hybrid PV energy system 1997 2 4 EGIDO M Lorenzo E The sizing of stand alone PV systems a review and a proposed new method 1992 1 2 5 Beyer H G Langer C A method for the identification of configurations of PV wind hybrid systems for the reliable supply of small loads 1996 5 6 Markvart T Sizing of hybrid photovoltaic wind energy systems 1996 4 7 Borowy B S Salameh Z M Methodology for optimally sizing the combination of a battery bank and PV array in a wind PV hybrid system 1996 2 8 Klein S A Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces 1977 9 葛新石 龚堡 陆维德 太阳能工程 原理和应用 1986 10 LASNIER F Ang T G Lwin K S Solar Photovoltaic Handbook 1988 11 肖威兵 风光互补电站计算机仿真优化的研究 学位论文 2000 12 艾彬 小型户用风光互补发电系统匹配的计算机辅助设计 学位论文 2000 相似文献 10条 相似文献 10条 1 学位论文 肖毅 风光互补发电系统的优化设计 2001 该文首先按光伏方阵 风力发电机 蓄电池 负载 优化指标的顺序建立了风光互补发电系统的数学模型 接着详细描述了优化设计的算法 首先介 绍了气象数据的预处理 光伏方面倾斜角的确定 组件电能输出计算及系统能量流分析算法等准备工作 接着提出了局部 整体的寻优思想 文章随后还 以两个实例分析具体解释了优化算法的使用 定性及定量分析的一致表明了该文提出的优化设计方法的可行性及正确性 在实际应用中能提供有价值的参 考 另外 如能量流分析算法等还可对已有系统的改进提供正确的途径 2 期刊论文 艾斌 杨洪兴 沈辉 廖显伯 风光互补发电系统的优化设计 匹配设计实例 太阳能学报2003 24 5 根据风光互补发电系统优化设计的CAD方法编制了相应的匹配计算程序 并把该程序应用于一假定安装在香港横澜岛上的风光互补发电系统的优化设 计 利用香港天文台提供的1989年全年每小时实测的太阳辐射 风速和温度数据以及全年负载用电分布等数据给出了满足两种供电可靠性要求即全年功率 供给亏欠率LPSP分别等于0 1和0 01的优化了的系统配置 文章还比较并讨论了这两种优化的系统配置每小时 每日 每月和全年的性能表现 3 学位论文 卢振飞 风光互补发电系统的计算机仿真优化设计 1998 该文为整个发电系统建立了包括太阳辐射能 太阳电池方阵发电 风机发电 蓄电池运行状况以及负载在内的一整套的数学模型 并能用于精确到小 时的仿真计算 同时 为系统建立了数据库系统 在此基础上 作者开发了一个相应的计算机仿真优化设计软件 4 学位论文 王斌 一种新型的风光互补发电系统优化设计 2008 太阳能及风能均具有能量密度低 随机性强的特点 所以单独的光伏或风电系统难以提供稳定的电能输出 加入蓄能装置有助于改善这一缺陷 但 又大大加大了系统的投资 如何使得光伏电池及风力发电机发挥最大的潜能 又避免过多的投资浪费是急需要解决的问题 如何合理的匹配设计是充分 发挥风光互补发电优越性的关键 目前 国内设计风光互补系统配置一般采用经验来估算 这往往会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象 风光互补独立供电系统的优化配置可看作一个多目标优化问题 两个冲突的目标是极大化供电可靠性和极小化成本 本文中 供电可靠性采用计算机软 件模拟蓄电池组一年的每日的荷电状态值 SOC 来验算保证 成本的优化采用遗传基因算法动态搜索模式 搜索计算出最小化系统配置花费 本文 在设计风光互补独立供电系统时 系统中需要优化的不仅有光伏电池和蓄电池的容量 还应该有风力发电机种类和容量以及光伏电池的倾角 7 优化目 标为系统安装成本 约束条件为供电可靠性 在成本 目标 函数的最小化计算中 用改进的适应性微观策略的遗传算法优化 随机搜索并采用选择 交 叉 变异三种基本算子在全部组合中搜索最优化的配置 计算和验证表明本文采用的算法收敛 能同时优化风力发电机类型和容量 光伏电池的容量和 倾角以及蓄电池的容量 并且计算效率高 本文首先按光伏方阵 风力发电机 蓄电池 负载 优化指标的顺序建立了风光互补发电系统的数学 模型 其中光伏方阵模型包括了太阳辐射模型及光伏模板的电流电压模型 风力发电机的模型由一分段能量函数表示 以便于仿真 5 储能单元中蓄电 池模型直接采用了前人的工作成果 等效数学模型分析表明 超级电容器能够提升储能系统的峰值功率 优化蓄电池的充放电电流 使其工作在良好环 境中 15 本文提出了一种无源式超级电容器和蓄电池混合储能结构 并应用于独立风光系统中 建立了相应的控制系统 仿真和实验结果表明 由于 超级电容器的滤波作用 在光伏系统的输出功率和负载功率大幅波动时 蓄电池的充放电电流能够保持在较平滑的水平 避免了因充放电电流过大而引 起的容量损失和过早失效 这在本文的设计中是一个创新 本文最后还设计了以PIC16F877单片机为核心的控制系统的硬件电路和相关软件 可以 实现在风光系统运行过程中相关参数的测量 显示 计算和通信等功能 5 学位论文 钟勇 风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究 2006 可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用 太阳能和风能是可再生能源中利用比较广泛的两种 太阳能和风 能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性 在电能作为能量主要能量消耗形式的当今社会 综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起 来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式 该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用 由于风能和光能的随机性 间歇 性 为满足稳定 持续的生活用电和生产的需要 一般加入蓄电池或超级电容等储能环节 风光互补发电系统可研究的内容很多 如风光互补系统的优 化设计和运行控制 风光发电中最大功率 MPPT 控制 光伏发电中对太阳的自动跟踪控制 蓄电池直流供电 蓄电池逆变交流供电等 本文主要有以 下特点 1 进行风光互补发电对蓄电池充放电控制的研究 2 以PIC16F874单片机为控制芯片 通过系统软件调整来满足对蓄电池智能充放电控制 3 与以往采用模拟分离元件构成的控制器件相比体现出有更好的可靠性和灵活适应性 4 有利于形成系列化的产品 达到推动风能 太阳能利 用产业化 市场化的目的 并为最终因地制宜地开发利用风能太阳能提供必要的前提条件 由于风光互补发电系统的结构复杂 影响运行控制的因素很 多 本文也只是在着重考虑蓄电池作为储能环节在整个风光互补系统的经济性 可靠性的基础上进行风光互补蓄电池充放电控制系统的研究 若再从风 光互补发电系统运行高效性方面考虑 控制系统还可以进一步完善 文章在这方面提出了相关建议 为风光互补发电系统运行控制的深入研究和控制系 统的不断完善提供了参考 6 学位论文 杨海霞 风光燃料电池复合发电系统的研究 2008 常规能源的日益紧缺 使得人们不得不积极探索开发各种新能源的利用方式 其中 太阳能 风能以其特有的优越性 得到了最为广泛的关注 不 同于较多采用的太阳能 风能发电形式 例如太阳能光伏发电系统 风能发电系统 风光蓄发电系统等 本文创新性地提出了风光燃料电池复合发电系 统的概念 论文首先设计了风光燃料电池复合发电系统的试验装置 描述了各主要部件的工作原理和特性 建立了光伏板 风力机 燃料电池的 仿真模型 并针对该发电系统的特点 提出了它的理论控制方案 其次 对风光燃料电池复合发电系统进行了初步的的试验研究 试验分为两部 分完成 一是风光互补发电系统试验 试验结果表明 济南地区全年的太阳能和风能的互补性较好 二是燃料电池试验 通过试验得出了质子交换膜燃 料电池的电转换效率 通过把该发电系统与较多采用的风光蓄发电系统在多方面进行比较 表明 在初投资费用和单位供电成本方面 风光燃料电池复 合发电系统高于风光蓄发电系统 但随着科技的进步和燃料电池价格的进一步降低 该发电系统必将得到广泛的应用 在发电效率和环境效益方面风光 燃料电池复合发电系统优于风光蓄发电系统 最后 本文提出了一种全新的风光互补发电系统的优化设计方案 即 风力机优先法 在满足负 载要求的前提下 充分利用当地的风资源 以达到降低整个风光互补发电系统总投资费用的目的 首先根据用户的负载情况和当地风资料 选择出某容 量风力发电机 然后在保证负载缺电率LOLP的条件下 计算出与该容量风力发电机匹配的不同容量的蓄电池和太阳能电池组件 最后根据总的设备投资 成本最小化的原则 筛选出一组与该容量风力发电机对应的 满足用户需求的太阳能电池组件 风机和蓄电池组成的供电系统 此外 论文还根据此优 化设计方法 初步开发了该发电系统的优化设计软件 7 期刊论文 谈蓓月 卫少克 TAN Bei yue WEI Shao ke 风光互补发电系统的优化设计 上海电力学院学报 2009 25 3 阐述了风光互补发电系统的原理 确立了光伏方阵倾斜面上太阳辐照量的计算 光伏方阵发电量计算 以及不同地点 不同高度的风速计算 风力发 电量计算等数学模型 通过选用4种不同的设计方案 讨论了系统的优化设计方法 使系统既能长期满足用户的负载需要 又有最佳的经济性 以节约投资费 用 8 学位论文 王宇 风光互补发电控制系统的研究与开发 2004 可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用 在当前可利用的几种可再生能源中 太阳能和风能是利用比较广 泛的两种 太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性 在电能作为能量主要能量消耗形式的当今社会 综合考虑太阳能和风能在多方 面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式 该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用 关于风光 互补发电的推广应用 系统的优化设计和运行控制是两个研究重点 前者是根据系统应用地点的资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理的选型以 达到最小投资配置 后者则是通过对系统的动态运行分析 提出切实可行的运行控制策略 而后采取相应的技术手段实现系统可靠 高效地运行 减少 系统的运行维护 也是体现