风_光复合发电系统的优化设计

合肥工业大学学报(自然科学版)

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.24No.6Dec.2001

风-光复合发电系统的优化设计

茆美琴,　何慧若

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥　230009)

摘　要:文章介绍风-光复合发电系统优化设计的一般数学模型,即以系统投资最小为目标,系统性能指标为约束,寻找风力发电机、光伏阵列、蓄电池、柴油机、逆变器和负载之间的最佳匹配功率及系统电能的最优管理及控制策略,运用该模型对实例进行计算,结果表明,风-光复合发电系统的设计绝不是独立光伏发电系统和独立风力发电系统的简单拼凑,风-光复合发电系统与独立光伏系统的优化设计规律存在较大的差异,其设计规律值得进一步深入研究。关键词:风-光复合发电系统;风能;太阳能;优化设计

中图分类号:TK519,TK89　　　文献标识码:A　　　文章编号:1003-5060(2001)06-1036-04

Ontheoptimaldesignofwind-solarhybridpowersystem

MAOMei-qing,　HEHui-ruo

(SchoolofElectricandAutomatizationEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:Amathematicalmodelfortheoptimaldesignofwind-solarhybridpowersystemispresentedinthispaper.Theobjectofthemodelistominimizetheinitialinvestmentcostwithperformanceindicesasconstraintssothattheoptimalmatchedpowerandoptimalcontrolstrategycanbefoundbetweenturbines,solarcellarrays,batteries,diesels,invertersandloads.Apracticalexampleiscalculatedbyusingthemodel.Theresultsshowthattheoptimaldesignrulesforthewind-solarhybridpowersystemarequitedifferentfromthoseforthestand-alonephotovoltaicpowersystem.Sotheoptimaldesignrulesforthewind-solarhybridpowersystemisworthbeingstudiedfurther.Keywords:wind-solarhybridpowersystem;windenergy;solarenergy;optimaldesign

在独立光伏发电系统或独立风力发电系统中,为了提高系统的可靠性,通常以全年月平均太阳辐射中最小值,或以全年月平均风能中最小值作为系统的设计参考值,其结果是自然资源未能充分利用,系统投资费用较难降低。然而,在我国很多地区,如内蒙古中西部地区及新疆部分地区,太阳能和风能具有天然互补性,即太阳能夏季大、冬季小,而风能夏季小、冬季大。在这些地区,如果利用风力发电装置和光伏发电装置组合成风-光复合发电系统,则能利用安装地点的太阳能与风能的天然互补性,大大提高系统性能价格比。但与单一风能发电系统或光伏发电系统相比,风-光复合发电系统增加了系统结构的复杂性,而现有的风-光复合发电系统运行经验却非常有限,因此,有必要对系统设计进行深入研究,在　　

收稿日期:2001-03-27;修改日期:2001-08-30基金项目:“九五”安徽省科技攻关项目(9912011)

作者简介:茆美琴(1961-),女,安徽芜湖人,合肥工业大学副研究员,硕士生导师;

何慧若(1935-),女,上海市人,合肥工业大学教授,硕士生导师.[1]

第6期　　　　　　　　　茆美琴,等:风-光复合发电系统的优化设计1037

保证满足系统性能的前提下,使系统投资最少。本文根据风-光复合发电系统的特点,提出了适用于计算机设计的优化设计模型,并结合具体实列初步探讨了风-光复合发电系统的设计特点。

1　风-光复合发电系统的一般结构

典型的风-光复合发电系统的结构如图1所示,其构件包括太阳电池阵列、风力发电机、蓄电池、柴油机、逆变器及控制器等。对该系统的优化设计,是根据负载的大小和安装地点的风能、太阳能资源,合理选择光伏阵列的倾角、风力发电机的额定转速,优化配置光伏阵列的额定功率、风力发电机的额定功率、蓄电池和柴油机的额定容量,并确定系统最优电能控制策略,以达到降低系统投资和提高系统运行可靠性的目的。

图1　典型的风-光复合发电系统结构

2　优化设计模型

优化设计目标是在满足系统性能指标的条件下,使系统的一次投资费用最小。用数学语言描述为

minF(x)

(1)

gi(x)≤󰀁i　　(i=1,2,…,m)式中　F(x)——目标函数

gi(x)——约束函数

x——优化向量,x=(x1,…,xn)

2.1　目标函数F(x)的选取

本文选取风光复合系统中的光伏阵列,风力发电机、蓄电池及柴油机的初次投资费用作为系统的优化目标,即

F(x)=CsPs+CwPw+CbPb+CdPd

式中　Cs、Cw、Cb、Cd——分别为太阳电池、风力发电机、蓄电池及柴油机的单价

Ps、Pw、Pb、Pd——分别为太阳电池、风力发电机、蓄电池、柴油机的额定功率2.2　约束函数的选取

(1)负载率Lf=供给负载的能量/负载实际需要的能量;

(2)可再生能源发电系数Rf=(光伏阵列发电量+风力发电机发电量)/系统总发电量;(3)系统发电量利用系数Rc=实际供给负载的能量/系统总发电量;(2)

T

󰀁i——约束函数的宽容系数,󰀁i≥0

1038　　　　　合肥工业大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第24卷

(4)柴油机每年最大耗油量Dl;(5)柴油机每年最大工作小时数Dh;(6)蓄电池实际寿命Lb。

其中,Lf、Rc反映了风光复合发电系统中,太阳电池、风力发电机、蓄电池、柴油机与负载之间匹配的程度,Rf、Dl、Dh反映了系统对环境的影响,Lb则反映了系统控制策略的选取对蓄电池的影响,此外,为加快寻优过程的收敛,也可将优化变量的上下限作为约束。2.3　优化变量的选取

本文选取的优化变量有光伏阵列、风力发电机、蓄电池、柴油机额定功率、光伏阵列倾角(Ti)及系统电能控制策略(CP)。2.4　系统能量控制策略的优化

风-光复合发电系统在实际运行时,其工作状态易受到风速、太阳辐射以及负载变化的影响,因此,必须为系统设计能量控制器,以确定系统各个部件当前可用能量和使用能量。能量控制器的运行策略是在一定的时间段中,首先使用风力发电机和光伏阵列发出的电能供给负载,多余的能量储存到蓄电池,如果该能量不足以满足负载的要求,则使用如下控制策略来补足差额部分。

(1)首先使用蓄电池的储存能量,如果该能量不够,则启动柴油机,补足其余能量(CP1);

(2)首先使用柴油机发出的电能,如果可能,蓄电池供给余下补足的能量(CP2);(3)CP1和CP2组合使用(CP3),负载轻时,使用CP1,负载重时,使用CP2。

[2]

3　计算实例

根据优化设计数学模型进行计算,系统的安装地点为山东长门岛,纬度为36°。该地月平均太阳辐射量和月平均风速如图2所示。设每天平均负载为88kW・h,全年负载总量为32120kW・h,根据仿真计算,其结果见表1、表2、表3所列。光伏电池价格取56元/W,风力发电机的价格取44元/W,柴油机的价格取7元/W,蓄电池的价格取0.8元/W・h,额定寿命为10a。

[3]

图2　山东长门岛月平均太阳辐射量和月平均风速

从表1可以看出,在负载大小分布一定的条件下,根据总投资费用,3号方案最优,但若就系统各项性能指标而言,4号方案最优,表明系统的目标函数与各性能指标之间是互相矛盾的参量。通常系统性能的改善是以提高投资费用为代价的,但并非投资费用越高系统综合性能就越好,如5号方案比4号方案总投资高655832元,而其性能指标Rc却比4号方案低4%。这正说明了系统优化设计的必要性,此外,表1所列出的设计方案对应的最优能量控制规律为CP1。表2反映了优化变量光伏阵列的倾角的变化对风-光复合发电系统总投资和系统性能的影响,表3则反映了光伏阵列的倾角的变化对独立光伏发电系统总投资和系统性能的影响,在上述两种系统中,最优光伏阵列倾角的大小相差甚远(前者为30°,后者为45°),这表明有关独立光伏系统的设计规律[3～6]并不能简单照搬到风-光复合发电系统。第6期　　　　　　　　　茆美琴,等:风-光复合发电系统的优化设计

表1　风-光复合发电系统优化方案比较(光伏阵列倾角固定)优化变量

方　案

Ps/kW

12345

2.165.047.215.8228.06

Pw/kW252015105

Pd3030303030

Pb220220220440440

Ti/(°)3030303030

Rf/(%)999995100100

Lf/(%)100100100100100

性能指标Rc/(%)5057667167

Lb/a7.98.58.81010

Dl/L44636388900

Dh/h98789600

1039

目标函数F(x)200193181212294

870530150191170

/kW/(kW・h)

表2　风-光复合发电系统优化方案比较(光伏阵列倾角变化)优化变量

方　案

Ps/kW

1234

8.648.649.369.36

Pw/kW15151515

Pd/kW30303030

Pb/kW・h440440440440

Ti/(°)25303640

Rf/(%)100100100100

Lf/(%)100100100100

性能指标Rc/(%)66666565

Lb/a10101010

Dl/L0000

Dh/h0000

目标函数F(x)213213218218

230230270270

表3　独立光伏发电系统优化方案

优化变量

方　案

Ps/kW

1234

3635.2834.5633.84

Pw/kW0000

Pd/kW0000

Pb/kW・h880880880880

Ti/(°)30364045

Rf/(%)100100100100

Lf/(%)100100100100

性能指标Rc/(%)75767881

Lb/a10101010

Dl/L0000

Dh/h0000

目标函数F(x)366361356351

250210170130

4　结束语

(1)利用本文提出的数学模型,对风-光复合发电系统进行优化设计,确能在保证系统性能的前提下,优化系统各参量之间的配置,从而达到节约一次性投资的目的。

(2)独立光伏系统和风-光复合发电系统的优化设计规律存在较大的差异,因此,风-光复合发电系统的设计绝不是独立光伏系统和独立风力发电系统的简单拼凑,其设计规律值得进一步深入研究。

[参　考　文　献]

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[2]　ManwellJF,McGowanJG.Leadacidbatterystoragemodelforhybridenergysystems[J].SolarEnergy,1993,(50):399-405.[3]　倪受元.30千瓦风/光互补联合发电系统[J].新能源,1996,(12):1—10.

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-85.

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[6]　余世杰,何慧若,沈玉梁,等.经济效益和环境效益的结合——光伏水泵系统[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2000,23(2):154

-159.

(责任编辑　吕　杰)