李瀟瀟 楊明 韓健 徐忠良 李悅悅

摘 要：為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光柴儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最佳配置，本文提出基于多目標(biāo)優(yōu)化策略的風(fēng)光柴儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了發(fā)電系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、系統(tǒng)供電可靠性最優(yōu)、對(duì)風(fēng)能或太陽能利用率最大的三種優(yōu)化策略，本文的工作可為混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo)優(yōu)化；風(fēng)光柴儲(chǔ)；發(fā)電系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.073

目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了關(guān)于混合發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)理論研究，這些研究主要側(cè)重于控制方法、以及對(duì)系統(tǒng)中各發(fā)電單元容量的優(yōu)化配置等方面[1]。例如有文獻(xiàn)提出考慮各種能源不同的特點(diǎn)，找出成本最低的組合，但其缺點(diǎn)是并未考慮安裝場(chǎng)址實(shí)際發(fā)電效率以及場(chǎng)地限制等因素，并無法貼切地根據(jù)安裝場(chǎng)址實(shí)際環(huán)境做出最佳比例配置。有些文獻(xiàn)研究了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的理論最佳容量配置，但沒有考慮安裝環(huán)境因素，對(duì)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的計(jì)算和考慮也比較模糊，參數(shù)在一個(gè)較大范圍內(nèi)變動(dòng)，降低了系統(tǒng)的可靠性和可用性[2-3]。

1 本課題研究的意義

為改善新能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，可配備儲(chǔ)能設(shè)備，形成風(fēng)能、太陽能、水能、燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能等多種能源混合互補(bǔ)系統(tǒng)。合理的選擇互補(bǔ)能源直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)光柴儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)以其獨(dú)立的供電方式，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到廣大缺電的邊遠(yuǎn)地區(qū)和無電的海島地區(qū)，整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置和運(yùn)行費(fèi)用是項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵。

2 風(fēng)光柴儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光柴儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)由六部分構(gòu)成，包括太陽能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、電力變換裝置、蓄電池、交直流負(fù)載（如圖1所示）。太陽能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能以互補(bǔ)的方式傳輸給電力變換裝置，轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載運(yùn)行要求的電能傳輸給負(fù)載。如果電能在滿足負(fù)載運(yùn)行的同時(shí)有盈余，則經(jīng)充電器給蓄電池組充電。對(duì)于風(fēng)光柴儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，它的工作情況主要由太陽能、風(fēng)能、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池和負(fù)載的狀態(tài)共同決定，發(fā)電輸出的能量應(yīng)與負(fù)載當(dāng)前消耗的能量以及蓄電池所能儲(chǔ)存的能量總和匹配。風(fēng)光柴儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)相對(duì)獨(dú)立，可以單獨(dú)，也可以與太陽能電池陣列或風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)合輸送電能。

3 多目標(biāo)優(yōu)化策略

本文提出針對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)而開發(fā)不同的優(yōu)化策略和算法，達(dá)到對(duì)各發(fā)電方式的功率進(jìn)行最優(yōu)控制和調(diào)度。優(yōu)化策略包括：對(duì)各發(fā)電方式的啟動(dòng)功率進(jìn)行靈活設(shè)定，對(duì)各發(fā)電方式的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行劃分，對(duì)各發(fā)電方式的發(fā)電功率在總功率的百分比進(jìn)行智能控制等。優(yōu)化目標(biāo)包括三方面：系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、系統(tǒng)供電可靠性最優(yōu)、對(duì)風(fēng)能或太陽能利用率最大。闡明如下：

（1）系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。利用風(fēng)能和太陽能在時(shí)間空間上具有較好的互補(bǔ)性，通過調(diào)整二者的比例，使發(fā)電量曲線接近負(fù)載的用電功率曲線，以減少柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)頻率，并可據(jù)此削減儲(chǔ)能單元容量的配比，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。此外利用蓄電池和超級(jí)電容在功率密度和能量密度方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在為負(fù)荷長時(shí)間持續(xù)供電時(shí)，主要考慮蓄電池的儲(chǔ)能能力，發(fā)揮蓄電池大容量存儲(chǔ)的特性；在為沖擊性負(fù)荷供電時(shí)，則考慮超級(jí)電容器的大功率吞吐能力，發(fā)揮超級(jí)電容器能量密度大和循環(huán)壽命長的優(yōu)勢(shì)。二者根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)按一定比例組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可大大提高儲(chǔ)能元件的壽命，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

（2）系統(tǒng)供電可靠性最優(yōu)。由于風(fēng)能、太陽能均具有隨機(jī)性和不確定性，在光照強(qiáng)度和風(fēng)力強(qiáng)度很弱或負(fù)荷沖擊性大的情況下，通過柴油發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)為負(fù)載提供足夠的電能輸出，保證供電電能質(zhì)量和持續(xù)性。在光伏、風(fēng)電甚至柴油發(fā)電機(jī)都無法正常工作的情況較多時(shí)，需要提高系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置的配比，滿足為重要負(fù)載提供穩(wěn)定的電能，保證供電的可靠性。

（3）對(duì)風(fēng)能或太陽能利用率最大。如果當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源更豐富，可增加風(fēng)機(jī)容量的配置；如果當(dāng)?shù)靥柲苜Y源更豐富，則增加光伏陣列容量的配置。以此提高混合系統(tǒng)的整體發(fā)電效率，并調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，保證在光照充足或風(fēng)力較大時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠充分吸收過剩的太陽能或風(fēng)能。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了風(fēng)光柴儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)，提出了針對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)而開發(fā)不同優(yōu)化策略的方法，綜合考慮了風(fēng)光柴儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)中各單元的發(fā)電特性、建設(shè)地點(diǎn)的自然條件、負(fù)荷用電需求、儲(chǔ)能系統(tǒng)特性等，旨在保證混合系統(tǒng)供電的可靠性和合理性，同時(shí)提高系統(tǒng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，以滿足不同條件下的用電需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大頂.風(fēng)光柴蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（04）：177-178.

[2]劉建濤，張建成，王珂等. 獨(dú)立光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（03），85-90.

[3]何勇琪，張建成.獨(dú)立型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量優(yōu)化研究[J].電力科學(xué)與工程，2012，28（04）：9-13.

作者簡介：李瀟瀟（1980-），男，遼寧沈陽人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：光伏系統(tǒng)優(yōu)化和光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。