樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

林世宇翁桂萍

（1.福州振源科技開發(fā)有限公司，福州 350008；2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

林世宇1翁桂萍2

（1.福州振源科技開發(fā)有限公司，福州 350008；2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

本文針對(duì)福州地區(qū)某個(gè)前期已安裝20kW光伏的屋頂發(fā)電項(xiàng)目，利用美國(guó)NASA氣象網(wǎng)站的氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用HOMER軟件和Matlab仿真生成該地區(qū)的全年風(fēng)速和太陽光照強(qiáng)度曲線，考慮離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種情況，配置了垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池容量，為該樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃提供參考。

樓宇風(fēng)光儲(chǔ)；容量?jī)?yōu)化配置；離網(wǎng)；并網(wǎng)

當(dāng)前，以能源多元化、清潔化為方向，以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型為目標(biāo)，以清潔能源和智能電網(wǎng)為特征的新一輪能源變革正在全球推進(jìn)［1］。太陽能和風(fēng)能是取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，因此風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是21世紀(jì)重要的后續(xù)能源，將為改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出巨大貢獻(xiàn)［2］。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的 2012年全國(guó)城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口，按照當(dāng)年城鎮(zhèn)及農(nóng)村人口人均住房建筑面積，可以估算出我國(guó)住宅屋頂分布式光伏裝機(jī)技術(shù)潛力為4.3億kW，潛在發(fā)電量為4276億kW·h。其中福建城市居民建筑光伏裝機(jī)潛力為220萬kW，發(fā)電量潛力為 22.0～25.6億 kW·h［3］。近幾年來，在國(guó)家政策的支持下，以屋頂為載體的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)成為光伏裝機(jī)容量增長(zhǎng)的一個(gè)主要方向［4］。

光伏只有在白天有光照的時(shí)候發(fā)電，晚上由于沒有光照則不發(fā)電。配置儲(chǔ)能雖然可以解決用戶晚上用電的問題，但是這將投資很大的儲(chǔ)能容量，使得項(xiàng)目造價(jià)過高。項(xiàng)目所在地白天風(fēng)速低，晚上風(fēng)速高，與太陽輻射形成互補(bǔ)。結(jié)合項(xiàng)目所在地的氣象條件，將風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電結(jié)合在一起組成一套樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，不僅具有建筑節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，還可以提高聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)定性和供電穩(wěn)定性。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

該項(xiàng)目前期已安裝屋頂光伏容量 20kW，現(xiàn)擬根據(jù)已安裝的光伏容量配置垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池容量，組成一套樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)供該樓負(fù)載使用。

1.1 地理?xiàng)l件

該項(xiàng)目位于福建省福州市城區(qū)（北緯26.08°，東經(jīng)119.3°），平均海拔84m。

1.2 氣象條件

根據(jù)福州市區(qū)（北緯26.08°，東經(jīng)119.3°）的地理位置，在NASA氣象網(wǎng)站查詢得到該地區(qū)的風(fēng)速和光照強(qiáng)度見表1和表2。

表1 地面50m高度月平均風(fēng)速/（m/s）（1983—1993）

表2 水平面平均日光照強(qiáng)度/（kW·h/m2/day）（1983—2005）

利用HOMER軟件對(duì)月平均風(fēng)速和光照強(qiáng)度進(jìn)行離散可得全年（8760h）逐時(shí)數(shù)據(jù)，如圖1和圖2所示。

圖1 全年風(fēng)速曲線

圖2 全年太陽光照強(qiáng)度曲線

通過Matlab仿真計(jì)算，可估算得該地區(qū)水平面年太陽總輻射為4651.56MJ/m2，屬太陽能“資源豐富”區(qū)；地面 50m高度處年平均風(fēng)速為 4.36m/s，空氣密度為1.176kg/m3，年平均風(fēng)能密度為94.217W/m，屬風(fēng)功率密度等級(jí)1區(qū)。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過本方案的設(shè)計(jì)，努力為推動(dòng)風(fēng)、光等清潔能源的發(fā)展提供指導(dǎo)，并為該地區(qū)樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的推廣提供技術(shù)支撐。

根據(jù)分布式發(fā)電入網(wǎng)的電能質(zhì)量要求，從并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差和電壓波動(dòng)兩方面對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)，以防止投產(chǎn)后的項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案突出以下特點(diǎn):

1）因地制宜，合理選擇適合當(dāng)?shù)貧庀髼l件和樓宇建筑結(jié)構(gòu)的垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池。

2）盡可能多的使用風(fēng)、光資源，減少儲(chǔ)能的投入，以降低系統(tǒng)成本。

3）采用普遍適用于中小容量分布式發(fā)電系統(tǒng)的直流母線組網(wǎng)方式，以便后期擴(kuò)容和控制。

3 設(shè)計(jì)方案

該樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)以光伏電池、垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池為主要電源進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)配以光伏控制器、風(fēng)機(jī)控制器、并網(wǎng)逆變器等電力電子裝置，組成風(fēng)光儲(chǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)為樓宇負(fù)荷供電。

3.1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用普遍適用于中小容量分布式發(fā)電系統(tǒng)的直流母線組網(wǎng)方式［5］，構(gòu)建適合該項(xiàng)目的樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示［6-7］。

圖3 樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏控制器、風(fēng)機(jī)控制器、DC/DC變換器分別將光伏電池組件、垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池組發(fā)出的電能匯流到直流母線上，經(jīng)并網(wǎng)逆變器將直流電逆變成交流電供樓宇內(nèi)的負(fù)荷使用，若有剩余電能，則饋入電網(wǎng)。

3.2 聯(lián)合系統(tǒng)能量調(diào)度

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的能量調(diào)度是在不對(duì)電網(wǎng)造成影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于風(fēng)光發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成不利影響，因此，為了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須先對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交換功率做出約束。

1）交換功率約束

分布式發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)的影響，通常從并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差和電壓波動(dòng)兩方面進(jìn)行分析。由于風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率遠(yuǎn)大于其輸出的無功功率，因此可以忽略無功功率的影響，只考慮有功功率。本文基于該假設(shè)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差和電壓波動(dòng)進(jìn)行分析。

（1）電壓偏差［8］（Voltage deviation）

并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差δU是指并網(wǎng)點(diǎn)的電壓測(cè)量值Ure與并網(wǎng)點(diǎn)標(biāo)稱電壓UN之差對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

由電力系統(tǒng)知識(shí)可知并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差與交換功率的關(guān)系為

式中，Pgrid為聯(lián)合系統(tǒng)與電網(wǎng)間的交換功率，kW；R為系統(tǒng)電阻，Ω；S為短路容量，kVA。

（2）電壓波動(dòng)［8］（Voltage Flactuation）

電壓波動(dòng)是指電壓方均根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。通常以額定電壓的相對(duì)百分?jǐn)?shù)來表示電壓變動(dòng)值，相對(duì)電壓變動(dòng)值為

由電力系統(tǒng)知識(shí)可知電壓波動(dòng)d與功率波動(dòng)ΔP的關(guān)系為

式中，UN為分布式電源所接入配電網(wǎng)的電壓等級(jí)。

通過查詢電源接入配電網(wǎng)的電壓等級(jí)即可獲得該電壓等級(jí)所允許的最大電壓偏差和電壓波動(dòng)，再根據(jù)式（2）和式（4）就可以算出該電壓等級(jí)所允許的最大傳輸功率和最大功率波動(dòng)值。

2）能量調(diào)度策略

該樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的能量調(diào)度策略如圖4所示。

聯(lián)合系統(tǒng)首先判斷當(dāng)前風(fēng)光出力之和（Ppv+Pw）是否滿足負(fù)荷Pload的需求，若不滿足，則儲(chǔ)能放電。當(dāng)儲(chǔ)能放電至安全容量下限時(shí)仍不能滿足負(fù)荷需求，此時(shí)的不足功率由電網(wǎng)提供。若由于負(fù)荷缺額功率過大而導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差和電壓波動(dòng)越限，則對(duì)系統(tǒng)切負(fù)荷，以使系統(tǒng)功率平衡；若當(dāng)前風(fēng)光出力滿足負(fù)荷需求，則對(duì)儲(chǔ)能充電。當(dāng)儲(chǔ)能充電至安全容量上限時(shí)仍有多余電能，則多余電能饋入電網(wǎng)。若由于饋入電網(wǎng)的電能過大而引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差和電壓波動(dòng)越限，則通過卸荷器將多余能量釋放，以使系統(tǒng)功率平衡。

圖4 樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量調(diào)度策略

3.3 設(shè)備選型

考慮屋頂承重及該地區(qū)的風(fēng)速特性，選擇啟動(dòng)風(fēng)速低、單機(jī)重量小的垂直軸風(fēng)機(jī)；蓄電池采用技術(shù)成熟、性價(jià)比高的閥控密封鉛酸蓄電池。垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池的型號(hào)及其主要參數(shù)見表3和表4。

表3 垂直軸風(fēng)機(jī)型號(hào)及其主要參數(shù)

表4 蓄電池型號(hào)及其主要參數(shù)

3.4 基本負(fù)荷

當(dāng)樓宇風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)脫離電網(wǎng)，即發(fā)生孤島情況時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)內(nèi)基本負(fù)荷的正常供電。本文假設(shè)系統(tǒng)的離網(wǎng)基本負(fù)荷為50.15kW·h，并假設(shè)該基本負(fù)荷全天24h運(yùn)行，可得負(fù)荷的平均功率為2.1kW。

3.5 配置方法

為精確配置垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池容量，本文采用遍歷搜索法進(jìn)行求解，主要步驟如圖5所示。其中，虛線框內(nèi)的過程為并網(wǎng)配置中并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差和電壓波動(dòng)的約束。

圖5 垂直軸風(fēng)機(jī)/蓄電池容量配置流程圖

本文在配置離/并網(wǎng)兩種情況下的儲(chǔ)能容量時(shí)采用如下原則:

1）離網(wǎng)情況下，為了保證負(fù)荷的可靠供電和儲(chǔ)能裝置的安全可靠使用，此時(shí)儲(chǔ)能容量的配置必須考慮風(fēng)光發(fā)電功率不滿足負(fù)荷需求的情況以及風(fēng)光發(fā)電功率超過負(fù)荷需求的情況。離網(wǎng)情況下的儲(chǔ)能容量配置原則為:分別計(jì)算風(fēng)光發(fā)電功率連續(xù)不滿足負(fù)荷需求的最大缺額容量和風(fēng)光發(fā)電功率連續(xù)超過負(fù)荷需求的最大剩余容量，選擇二者中的最大容量作為儲(chǔ)能最大容量。

2）并網(wǎng)情況下，當(dāng)聯(lián)合系統(tǒng)接入使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差或電壓波動(dòng)越限時(shí)，需要通過儲(chǔ)能充放電來補(bǔ)償或吸收額外的功率，從而使入網(wǎng)功率滿足并網(wǎng)要求。

4 優(yōu)化配置結(jié)果與分析

根據(jù)所選垂直軸風(fēng)機(jī)、蓄電池以及項(xiàng)目前期已安裝的20kW光伏，結(jié)合系統(tǒng)基本負(fù)荷對(duì)該樓宇風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)做離網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置和并網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置。仿真計(jì)算過程中，風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)效率取0.85，儲(chǔ)能充放電效率取1。

4.1 離網(wǎng)優(yōu)化配置

圖6所示為聯(lián)合系統(tǒng)離網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果。從圖6可以看出，隨著垂直軸風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，儲(chǔ)能容量先減少后增加，存在一個(gè)儲(chǔ)能容量最低點(diǎn)。這是因?yàn)榍捌陲L(fēng)機(jī)數(shù)量少的時(shí)候，風(fēng)光發(fā)電功率不能滿足負(fù)荷需求，此時(shí)需要儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量進(jìn)行補(bǔ)償。風(fēng)機(jī)數(shù)量越少，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放的能量也就越大，即儲(chǔ)能容量越大。由于光伏發(fā)電功率固定，隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，風(fēng)光出力之和逐漸增大并不斷滿足負(fù)荷需求，此時(shí)儲(chǔ)能容量也隨之減少；當(dāng)風(fēng)機(jī)數(shù)量超過一定值后，儲(chǔ)能容量又隨之逐漸增大，這是因?yàn)殡S著風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，風(fēng)光發(fā)電功率不斷超過負(fù)荷的需求，系統(tǒng)剩余能量越來越多，此時(shí)所需的儲(chǔ)能容量也就逐漸增大。

圖6 CXF300A風(fēng)機(jī)與儲(chǔ)能配置

由于儲(chǔ)能設(shè)備受運(yùn)行環(huán)境影響較大［9］，其實(shí)際使用壽命較短，為了降低系統(tǒng)投資成本，需減少儲(chǔ)能投資成本。從圖6可以看出，在風(fēng)機(jī)數(shù)量為9時(shí)儲(chǔ)能容量最小，約為102.6kW·h，則聯(lián)合系統(tǒng)的離網(wǎng)容量配置結(jié)果見表5。

表5 離網(wǎng)容量配置結(jié)果

4.2 并網(wǎng)優(yōu)化配置

不同系統(tǒng)短路容量（并網(wǎng)點(diǎn)）下聯(lián)合系統(tǒng)的容量配置不同。本文取50kVA至10MVA的系統(tǒng)短路容量進(jìn)行配置，配置結(jié)果見表 6。其中，當(dāng)接入風(fēng)機(jī)數(shù)量少于表中所列數(shù)量時(shí)無需配置儲(chǔ)能。

表6 不同短路容量下垂直軸風(fēng)機(jī)/蓄電池配置結(jié)果

以 500kVA的系統(tǒng)短路容量為例，可知當(dāng)風(fēng)機(jī)數(shù)量小于57臺(tái)時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)無需配置儲(chǔ)能。這是由于風(fēng)機(jī)接入數(shù)量小于57臺(tái)時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交換功率和功率波動(dòng)在允許范圍之內(nèi)，此時(shí)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差和電壓波動(dòng)沒有影響。

此外，從表6可以看出，系統(tǒng)短路容量越大，電網(wǎng)允許接入的風(fēng)機(jī)數(shù)量也越多。這是由于隨著系統(tǒng)短路容量的增大，聯(lián)合系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交換功率和功率波動(dòng)限值也就越大，在光伏發(fā)電功率固定情況下，允許接入的風(fēng)機(jī)數(shù)量也就越多?？紤]屋頂面積和承重限制，針對(duì)不同系統(tǒng)短路容量可以選擇對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)接入數(shù)量。

5 結(jié)論

本文針對(duì)福州地區(qū)某個(gè)前期已安裝20kW光伏的屋頂發(fā)電項(xiàng)目，利用NASA提供的日照輻射和風(fēng)速資料，應(yīng)用HOMER軟件和Matlab仿真生成該地區(qū)全年風(fēng)速和太陽光照強(qiáng)度曲線，考慮離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種情況，配置了垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池容量。仿真結(jié)果表明:①離網(wǎng)情況下，垂直軸風(fēng)機(jī)和蓄電池容量存在一個(gè)最低點(diǎn)，該點(diǎn)下的蓄電池容量最小，可作為離網(wǎng)參考配置；②并網(wǎng)情況下，并網(wǎng)點(diǎn)短路容量越大，電網(wǎng)允許接入的垂直軸風(fēng)機(jī)數(shù)量也越大，同時(shí)所需的蓄電池?cái)?shù)量也越小。根據(jù)本文的配置結(jié)果，可以為該樓宇風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃提供參考。

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Capacity Optimization and Configuration for Building Wind/PV/Storage Hybrid Power Generation System

Lin Shiyu1Weng Guiping2
（1.Fuzhou Powersource Technology Development Co.，Ltd，F(xiàn)uzhou 350008；2.College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116）

This paper based on an installed 20kW photovoltaic power generation project，using the meteorological data of NASA's meteorological sites and software of HOMER and Matlab to obtain annual curve of global solar and wind speed.Then considering the situation of off-grid and on-grid to configure the capacity of vertical axis wind turbine and battery，provides a reference for the planning of building wind/PV/storage hybrid power generation system.

building wind/PV/storage hybrid power generation system；capacity optimization and configuration；off-grid；grid-connected

林世宇（1979-），男，福州振源科技開發(fā)有限公司工程師，從事配電自動(dòng)化系統(tǒng)、新能源監(jiān)測(cè)等工作。