蓄電池容量對(duì)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)性能的影響

王澤生，甄宏巔，梁啟才，侯宇杰，段 野，馬婉璐

(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

能源與機(jī)械

蓄電池容量對(duì)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)性能的影響

王澤生，甄宏巔，梁啟才，侯宇杰，段 野，馬婉璐

(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

以某地區(qū)兩個(gè)年份的氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，在建立離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制及運(yùn)行模型的基礎(chǔ)上，研究了蓄電池容量對(duì)3,kW互補(bǔ)供電系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明：在保證風(fēng)電/網(wǎng)電最小時(shí)間間隔切換的最小蓄電池容量情況下，隨著蓄電池容量的增加，風(fēng)能利用率和風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比變化很小，但供電成本增加明顯．

離網(wǎng)風(fēng)電；互補(bǔ)供電；蓄電池容量；風(fēng)能利用率；發(fā)電成本

離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)既可以充分利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源，又可以解決風(fēng)電間隙性、隨機(jī)性、突變性的缺點(diǎn)[1]，是拓展離網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用的一個(gè)新設(shè)想．目前，有關(guān)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電的研究較少，朱益飛[2-3]提出了小功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用方案，因不設(shè)蓄電池，故風(fēng)能利用率較低；齊保良[4]提出了一種風(fēng)液-電液互補(bǔ)的液壓抽油機(jī)，但系統(tǒng)中蓄能器的選擇和配置代價(jià)過高；西安寶美電氣工業(yè)有限公司提出一種抽油機(jī)風(fēng)電與網(wǎng)電互補(bǔ)節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)用新型專利；葉會(huì)華等[5-7]針對(duì)抽油機(jī)離網(wǎng)風(fēng)力互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)備優(yōu)化配置、控制策略及模擬實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行了全面的理論及實(shí)驗(yàn)研究，但均未探討蓄電池容量對(duì)互補(bǔ)供電系統(tǒng)性能的影響；葛彬彬等[8]對(duì)三種典型的負(fù)載以及不同容量的鉛酸蓄電池下的獨(dú)立光伏系統(tǒng)工作情況進(jìn)行了模擬分析．本文從風(fēng)能利用率、風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比、發(fā)電成本等方面，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法，探討蓄電池容量對(duì)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)性能的影響．

1 離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)

1.1 設(shè)備組成及工作原理

系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、智能控制器、蓄電池組、逆變器、電源切換控制器以及信號(hào)檢測等設(shè)備組成[7]．風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能，經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電，由智能控制器控制，或?qū)π铍姵爻潆?，或?jīng)卸荷電阻箱卸載．蓄電池輸出直流電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，由電源切換控制器根據(jù)控制策略為交流負(fù)載供電，或由網(wǎng)電為交流負(fù)載供電，而信號(hào)檢測控制器則為智能控制器和電源切換控制器提供控制依據(jù)．為延長蓄電池使用壽命，設(shè)兩組蓄電池，一組負(fù)責(zé)供電的同時(shí)，與之具有相同容量的另一組則處于充電過程．

1.2 控制策略

智能控制器可采用常規(guī)離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略．為延長蓄電池壽命以及避免風(fēng)電/網(wǎng)電的頻繁切換，電源切換控制器采取如下控制策略：①風(fēng)電/網(wǎng)電到網(wǎng)電/風(fēng)電的切換應(yīng)有最小時(shí)間間隔限制，防止風(fēng)電/網(wǎng)電的頻繁切換對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響；②當(dāng)蓄電池放電程度高于其最大放電深度時(shí)，應(yīng)由風(fēng)電切換為網(wǎng)電供電，同時(shí)風(fēng)電為蓄電池充電；③在網(wǎng)電供電時(shí)，應(yīng)使蓄電池充滿后，再由網(wǎng)電切換為風(fēng)電供電，以延長蓄電池的壽命．

2 數(shù)值模擬模型

以某地風(fēng)速氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)以10,min為步長的全年供電情況，并統(tǒng)計(jì)全年的風(fēng)能利用率、風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比和發(fā)電成本，如圖1所示．

圖1中，最小蓄電池容量Cmin(A·h)、每10,min風(fēng)電發(fā)電量Ww(kW·h)、每10,min風(fēng)電有效發(fā)電量Ww,l(kW·h)、全年風(fēng)能利用率ηw(%)、年發(fā)電成本M(元/(kW·h))由式(1)至式(4)確定．

圖1 模擬程序框圖

式中：ηout1、ηout2分別為蓄電池經(jīng)逆變器及傳輸線路的轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)電經(jīng)整流器的轉(zhuǎn)換效率，由實(shí)驗(yàn)確定；M1、M2和M3分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年均發(fā)電成本、網(wǎng)電供電年均成本和環(huán)境治理年均成本，元；S為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的購置成本，元；X為蓄電池組購置成本，元；α1為設(shè)備運(yùn)輸、安裝以及建筑費(fèi)用系數(shù)，按設(shè)備成本的15%計(jì)算；α2為電控系統(tǒng)成本費(fèi)用系數(shù)，按設(shè)備成本的10%計(jì)算；α3為設(shè)備殘值費(fèi)用系數(shù)，按設(shè)備成本的5%計(jì)算；α4為設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)、人工費(fèi)用系數(shù)，按設(shè)備總投資的10%計(jì)算；n為設(shè)備服務(wù)年限，取25,a；Wnet為網(wǎng)電耗電量，kW·h；Snet、Sin分別為當(dāng)?shù)孛裼秒妰r(jià)和單位網(wǎng)電量所需環(huán)境治理成本，取0.49和0.289，元/(kW·h)．

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示[6-7]，其中模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分由變頻器1、電動(dòng)機(jī)2、轉(zhuǎn)矩傳感器3和發(fā)電機(jī)4組成．本實(shí)驗(yàn)研究包括兩個(gè)方面：一是確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線[6]，二是確定轉(zhuǎn)換效率ηout1和ηout2[7]．

4 結(jié)果與分析

4.1 模擬條件

模擬條件及實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)見表1．

圖2 離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 模擬條件與實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果與分析

模擬結(jié)果如圖3-5所示．由圖3-4可以看出：在相同蓄電池容量(高于最小蓄電池容量)時(shí)，隨負(fù)載功率的增加，風(fēng)能利用率增大，而風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比卻明顯減小；但在確定的負(fù)載功率情況下，隨蓄電池容量的增加，風(fēng)能利用率及風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比的增加率較小，且當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)，則基本不變．這是因?yàn)樵诖_定的蓄電池容量下，隨負(fù)載功率的增加，卸載的風(fēng)能必然減小，因而風(fēng)能利用率增大，同時(shí)由于在確定氣象條件下，風(fēng)能發(fā)電量不變，網(wǎng)電消耗必然增加，所以風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比明顯減??；而在確定的負(fù)載功率情況下，隨蓄電池容量的增加，卸載風(fēng)能減少量的增加較為緩慢，尤其是在負(fù)載功率較大時(shí)，卸載的風(fēng)能減少量基本不變，所以風(fēng)能利用率及風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比的增加率較小，甚至基本不變．

圖5表明，隨著蓄電池容量的增加，供電成本明顯增加，且負(fù)載功率越小，成本增加速率越大．蓄電池容量的增加固然可以提高風(fēng)能利用率和風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比，減少網(wǎng)電耗電及其成本，但無法抵消由蓄電池投資的增加而導(dǎo)致的供電成本的明顯增加；而且負(fù)載功率越小，減少的網(wǎng)電耗電及成本越少，供電成本增加速率會(huì)明顯增大．顯然，離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，尤其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率應(yīng)考慮與負(fù)載功率相匹配．

圖3 蓄電池容量對(duì)風(fēng)能利用率的影響曲線

圖4 蓄電池容量對(duì)風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間之比的影響曲線

圖5 蓄電池容量對(duì)供電成本的影響曲線

5 結(jié) 論

(1)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，尤其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率應(yīng)考慮與負(fù)載功率相匹配，避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)功率過大，否則會(huì)造成風(fēng)能利用率過低和供電成本過高．

(2)蓄電池容量對(duì)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的性能具有重要的影響，應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件及負(fù)載情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．

(3)由于在保證風(fēng)電/網(wǎng)電最小時(shí)間間隔切換的最小蓄電池容量情況下，隨著蓄電池容量的增加，風(fēng)能利用率和風(fēng)電/網(wǎng)電供電時(shí)間比變化很小，但供電成本增加明顯，所以系統(tǒng)應(yīng)選擇略高于最小蓄電池容量的電池組，以便在保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，既合理利用了風(fēng)能，同時(shí)又保證了系統(tǒng)成本保持在較低水平．

［1］ 徐學(xué)根．淺析風(fēng)電優(yōu)先風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)在分布式風(fēng)電領(lǐng)域的運(yùn)用[DB/OL].[2014-08-28]． http://3y.uu456. com/dl-681d71b16sce0s087632136f-1.html.

［2］ 朱益飛. 小功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用及效益分析[J]. 電力需求側(cè)管理，2010，12(5)：42-45．

［3］ 朱益飛. 小功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 變頻器世界，2010(10)：61-63．

［4］ 齊保良，楊寶昆，高 鶴．風(fēng)電互補(bǔ)液壓抽油機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng)，2010(12)：72-74．

［5］ 付 兵，葉會(huì)華，陳 楠，等．基于抽油機(jī)的離網(wǎng)風(fēng)力供電系統(tǒng)的仿真研究[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26(1)：41-45．

［6］ 唐志誠，葉會(huì)華. 基于風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)供電試驗(yàn)的風(fēng)力機(jī)模擬研究[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，19(1)：51-54．

［7］ 葉會(huì)華，楊 龍，高 濱，等. 離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的模擬供電試驗(yàn)[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，20(1)：36-40．

［8］ 葛彬彬，徐 林，劉 洪，等．不同類型負(fù)載下蓄電池容量對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的影響分析[J]. 蓄電池，2013，50(3)：126-130．

（編輯校對(duì)：胡玲玲）

Influence of Battery Capacity on the Performance of Off-grid Wind Power-grid Power Hybrid Power Supply System

WANG Ze-sheng，ZHEN Hong-dian，LIANG Qi-cai，HOU Yu-jie，DUAN Ye，MA Wan-lu
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

The model for control and operation of off-grid wind power-grid power hybrid power supply system is established. On the basis of the two years’ meteorological data in a certain area, the influence of battery capacity on 3 kW hybrid power system performance is researched with the methods of numerical simulation and experiment. The results show that as the minimum battery capacity for wind power/grid power minimum interval switch is guaranteed, the changes of the utilization rate of wind energy and the supply time ratio of the wind power to grid power are very small, but the cost of power supply significantly increases with the increase of battery capacity.

off-grid wind power；hybrid power supply；battery capacity；utilization rate of wind energy；cost of power generation

TM614

A

2095-719X(2014)05-0342-04

2014-09-04；

2014-10-16

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(10ZCGYG02000)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310792005)

王澤生（1964—），男，天津人，天津城建大學(xué)教授，碩士．