風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性、輸出功率曲線與負(fù)荷曲線的關(guān)系的研究

神華國華能源投資有限公司 ■ 高輝

北京科諾偉業(yè)科技有限公司 ■ 梁勃 王偉 李軍

一 引言

我國的風(fēng)能和太陽能資源非常豐富。我國是世界上風(fēng)力資源較豐富的國家之一，全國可開發(fā)利用的風(fēng)能約為2.5億kW[1]。全國太陽能總輻射量為3340～8400MJ/(m2·a)，中值為5852MJ/(m2·a)[2]。

由于太陽能與風(fēng)能自身的特點(diǎn)，兩者均受季節(jié)、地理位置、天氣等多種因素的制約。單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的輸出功率都具有較大的波動(dòng)性和間歇性，如果大規(guī)模接入電網(wǎng)，將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大影響。由于兩者的變化趨勢基本相反，應(yīng)揚(yáng)兩能之長，補(bǔ)兩能之短，相互配合利用，因地制宜，減少對(duì)電網(wǎng)的不利影響，有利于新能源發(fā)電的健康發(fā)展。

國華尚義2.5MW風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目中一臺(tái)1.5MW風(fēng)機(jī)與1MWp光伏發(fā)電單元組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。本文針對(duì)此項(xiàng)目研究尚義當(dāng)?shù)仫L(fēng)光功率比為1.5∶1時(shí)，各自功率曲線及總功率曲線特性，以及總功率輸出曲線與張家口電網(wǎng)負(fù)荷曲線進(jìn)行對(duì)比。

二 風(fēng)電、光伏發(fā)電特性及風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)成

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性

風(fēng)力機(jī)只能從風(fēng)能中獲取小部分能量，吸收能量的程度可用風(fēng)能利用系統(tǒng)CP來衡量。對(duì)于一臺(tái)實(shí)際的風(fēng)力機(jī)，其機(jī)械功率Pm可用式(1)表示[3～5]：

其中：Pw為通過風(fēng)輪掃過面積的風(fēng)的能量；D為風(fēng)輪直徑；CP為風(fēng)能利用系數(shù)，不是常數(shù)，隨著風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換及風(fēng)機(jī)葉片參數(shù)的變化而變化；υ為輪轂高度實(shí)際風(fēng)速；ρ為空氣密度(標(biāo)準(zhǔn)空氣密度為1.225kg/m3)。

一般典型風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出特性P(v)由式(2)表示：

其中：Pr為發(fā)電機(jī)額定輸出功率；vi為風(fēng)輪機(jī)起動(dòng)風(fēng)速；vr為風(fēng)輪機(jī)額定功率風(fēng)速；vc為風(fēng)輪機(jī)停機(jī)風(fēng)速；η(v)為風(fēng)速在起動(dòng)風(fēng)速與停機(jī)風(fēng)速之間時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率效率與風(fēng)速關(guān)系，對(duì)于大型風(fēng)機(jī)有：

因此，風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)速密切相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱為風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線，可由廠家提供。在安裝地點(diǎn)條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱為風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率特性曲線。尚義風(fēng)電場1.5MW風(fēng)機(jī)實(shí)際功率特性曲線x(v)和標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線x0(v)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)功率特性曲線

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

由于太陽電池的瞬時(shí)響應(yīng)特性與太陽能的轉(zhuǎn)換無關(guān)，忽略太陽電池的結(jié)電容Cj。工程應(yīng)用時(shí)，作以下近似：V+RsI/Rsh遠(yuǎn)小于光電流(Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為電池并聯(lián)電阻)；Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，Iph=Isc(Iph為光生電流，Isc為短路電流)。

太陽電池的等效數(shù)學(xué)模型為[6～8]：

將太陽電池的峰值電壓Vm及峰值電流Im代入式(3)可推出C1和C2為：

所以工程應(yīng)用時(shí)，通過產(chǎn)品廠商提供的峰值電壓Vm、開路電壓Voc、峰值電流Im及短路電流Isc可得出I-V方程，保證精確性的同時(shí)滿足實(shí)用性。

電池溫度及輻照強(qiáng)度直接影響太陽電池的I-V特性，產(chǎn)品廠商提供參數(shù)一般是在Tref=25℃，Sref=1000W/m2情況下測量的。通過擬合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在任意輻照強(qiáng)度S(W/m2)及任意環(huán)境溫度Tair下的太陽電池溫度T可由式(6)得出：

通過測定的T(s)直線的斜率可得K值，K值通?？扇?.03(℃·m2)/W。

利用Vm、Voc、Im、Isc推算出在一定輻照強(qiáng)度及溫度下的 V'm、V'oc、I'm、I'sc為[9]：

假定電流電壓特性曲線在整個(gè)推算過程中基本形狀保持不變，參數(shù)a、b、c典型值為a=0.0025℃，b=0.5，c=0.00288℃。

由上面的分析得出M個(gè)組件并聯(lián)和N個(gè)組件串聯(lián)的光伏陣列的I-V特性方程[10]：

由太陽電池的峰值電壓Vm及峰值電流Im代入式(7)，可推出C1和C2為：

圖2為光伏電站所采用的光伏組件不同輻照度情況下的I-V特性曲線。圖3為光伏組件不同溫度情況下的I-V特性曲線。從圖2可知，光伏組件的輸出電流與輻照強(qiáng)度成正比，隨著輻照度的增加，光伏組件的輸出電流隨之增大，最大功率點(diǎn)功率也隨之增加。從圖3可看出，光伏組件的輸出電壓與溫度成反比，隨著溫度的增加，光伏組件的輸出電壓減少，最大功率點(diǎn)功率也隨之減少。輸出電流受輻照度影響較大，而電壓受輻照度影響較小。輸出電流受溫度影響較小，而輸出電壓受溫度影響較大。

圖2 不同輻照度下I-V曲線

圖3 不同溫度下I-V曲線

3 國華尚義風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

國華尚義2.5MW風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目包括一臺(tái)1.5MW風(fēng)機(jī)與1MWp光伏發(fā)電單元，即風(fēng)光互補(bǔ)比例為1.5∶1。光伏陣列輸出為直流電，通過并網(wǎng)逆變器變?yōu)榻涣麟姡缓蠼尤?700kVA雙分裂升壓變壓器低壓400V側(cè)升壓到35kV；1.5MW風(fēng)機(jī)所發(fā)電量通過2700kVA雙分裂升壓變壓器低壓690V側(cè)升壓至35kV，經(jīng)1回35kV線路接入風(fēng)電場已建35kV集電線路，利用風(fēng)電場已建設(shè)110kV升壓站和輸電線路，送入華北電網(wǎng)。

三 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線與負(fù)荷曲線分析

分析風(fēng)光互補(bǔ)電站夏季典型日(7月17日)及冬季典型日(11月4日)運(yùn)行特性與日負(fù)荷曲線進(jìn)行比較。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)當(dāng)日水平面總輻射、輪轂高度實(shí)際風(fēng)速、光伏發(fā)電功率及風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量。

(1)夏季典型日(7月17日)

夏季輪轂高度實(shí)際風(fēng)速曲線及電站水平面輻射量曲線如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)速曲線

圖5 水平面輻射量曲線

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受當(dāng)日氣象條件的影響，其發(fā)電功率值見表1。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率曲線如圖6所示。

(2)冬季典型日(11月4日)

冬季輪轂高度實(shí)際風(fēng)速曲線及電站水平面輻射量曲線如圖7、圖8所示。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受當(dāng)日氣象條件的影響，其發(fā)電功率值見表2。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率曲線如圖9所示。

2 當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷曲線及其與電站功率曲線比較分析

表1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)功率值

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)功率曲線

圖7 風(fēng)速曲線

圖8 水平面輻射量曲線

表2 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)功率值

根據(jù)中國華北電網(wǎng)有限公司編制的華北電網(wǎng)圖集可得出張家口電網(wǎng)最大供電負(fù)荷日(7月17日及11月4日)的負(fù)荷曲線，如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，夏季在1:00～6:00負(fù)荷功率較小，7:00～12:00負(fù)荷略有上升，13:00～16:00負(fù)荷較小，17:00～24:00呈現(xiàn)一個(gè)較大的波峰，最大負(fù)荷功率在18:00～20:00；冬季在1:00～6:00負(fù)荷功率較小，從6:00開始逐漸上升，8:00～17:00在一定范圍內(nèi)變化，17:00～24:00呈現(xiàn)一個(gè)較大的波峰，最大負(fù)荷功率在18:00～20:00。

通過風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線與負(fù)荷曲線進(jìn)行比較可看出，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電功率曲線基本呈互補(bǔ)性，風(fēng)力發(fā)電功率白天小，晚上大，光伏發(fā)電功率白天大，晚上無；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠緩解單獨(dú)的發(fā)電系統(tǒng)的間歇性和波動(dòng)性；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)功率變化趨勢基本與負(fù)荷功率變化趨勢一致。

四 結(jié)論

無論是風(fēng)力發(fā)電還是光伏發(fā)電，都受環(huán)境因素的影響較大。風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)資源影響明顯，光伏發(fā)電受輻照資源影響明顯。單獨(dú)的發(fā)電系統(tǒng)由于其不穩(wěn)定性及間歇性對(duì)電網(wǎng)的影響較大，但是兩者的變化趨勢基本相反，日間陽光強(qiáng)時(shí)，風(fēng)較小，晚上沒有光照，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能有所加強(qiáng)；太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有很好的匹配性。尚義風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)光功率比為1.5∶1，發(fā)電功率曲線與用電負(fù)荷曲線變化趨勢基本一致，可緩解電網(wǎng)負(fù)荷壓力。尚義風(fēng)光互補(bǔ)電站中風(fēng)光功率互補(bǔ)比例適合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)情況。

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