實(shí)際環(huán)境下光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

康慨 孫振宇 張超 張?jiān)讫?李慧

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430040）

0 引言

隨著全球化的深入，人類社會(huì)發(fā)展提速，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活質(zhì)量的提高與電能的發(fā)展越來(lái)越緊密，但根據(jù)《2018年離網(wǎng)太陽(yáng)能市場(chǎng)趨勢(shì)報(bào)告》，全球仍有超過10億人生活在無(wú)電地區(qū)，其中近50%人居住在撒哈拉以南非洲地區(qū)，近30%人居住在南亞，能源缺乏嚴(yán)重限制了上述地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而化石能源的利用將使全球變暖的趨勢(shì)和對(duì)大氣的污染加劇，發(fā)展可再生清潔能源的電力供應(yīng)受到了全球的高度關(guān)注，其中光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)具有易實(shí)施、經(jīng)濟(jì)性好、可擴(kuò)展化、易維護(hù)等特點(diǎn)，受到了廣泛的研究和運(yùn)用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)離網(wǎng)型互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究。張濤[1]介紹了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)成機(jī)理、基本模式和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。李丹等[2]提出了基于NASA資源數(shù)據(jù)以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算模型，開發(fā)了用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置的計(jì)算程序。李品等[3]提出了一種基于全年負(fù)載缺電率和全壽命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)的風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。高峰等[4]提出了以電源總成本、負(fù)荷缺電率、電能浪費(fèi)率、風(fēng)/光輸出功率波動(dòng)率 4 個(gè)指標(biāo)最小為目標(biāo)函數(shù)，并采用具有自適應(yīng)交叉和變異操作的改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行求解容量?jī)?yōu)化配置。上述文獻(xiàn)中，有的未對(duì)總成本進(jìn)行優(yōu)化；有的雖然以總成本、負(fù)荷缺電率進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，但忽略了系統(tǒng)中光伏的實(shí)際環(huán)境運(yùn)行特性和全壽命周期負(fù)荷匹配性[5]，且未給出工程實(shí)際的計(jì)算方法；有的采用了HOMER和Hybrid2軟件進(jìn)行校驗(yàn)，忽略了軟件控制策略對(duì)實(shí)際光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的適用性①HOMER Software. Available: http://www.homerenergy.com.[6-7]。本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特性，以系統(tǒng)負(fù)載滿足率、壽命周期成本為主要約束因子，從用戶負(fù)荷特性、太陽(yáng)能資源分析、光伏組件實(shí)際環(huán)境發(fā)電特性、儲(chǔ)能特性、電能匹配特性等角度分析，給出了光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例進(jìn)行了分析及運(yùn)用。

1 光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)概述

光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要包括光伏組件、光儲(chǔ)一體機(jī)、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控及計(jì)量系統(tǒng)。光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過匯流箱和光伏控制器將電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元或者經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，是光伏系統(tǒng)的能源生產(chǎn)單元，也是系統(tǒng)投資較大的部分；儲(chǔ)能單元主要用來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)過剩的電能，并在光伏發(fā)電功率不足時(shí)、晚上以及陰雨天時(shí)，將儲(chǔ)存的直流電能經(jīng)逆變器輸出供給負(fù)荷使用，也是系統(tǒng)投資較大的部分；光儲(chǔ)一體機(jī)是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的設(shè)備，通常和控制器集成在一起，兼顧逆變和控制功能，其作用是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足一定要求的交流電能；監(jiān)控系統(tǒng)用于集中記錄并顯示光伏組件運(yùn)行情況、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及電能輸出情況，以及用戶用電量等數(shù)據(jù)，便于運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖1 光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)供電原理圖Fig. 1 Power supply schematic diagram of off-grid solarbattery power system

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 負(fù)荷分析及典型負(fù)荷的提取

電力用戶的負(fù)荷變化是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的隨機(jī)過程，與用電習(xí)慣和負(fù)荷特性有很大關(guān)系。根據(jù)負(fù)荷曲線時(shí)間尺度的不同，可分為年度、季度、月度以及周典型日負(fù)荷曲線等，考慮到偏遠(yuǎn)區(qū)和無(wú)電區(qū)用戶的實(shí)際用電時(shí)間、習(xí)慣、負(fù)荷特性及用戶數(shù)據(jù)資料搜集的難度，本文以月度典型日負(fù)荷進(jìn)行分析。典型負(fù)荷曲線提取方法主要有最大日負(fù)荷、均值法、加權(quán)平均法、聚類算法等[8-10]，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和負(fù)荷滿足率問題，本文以加權(quán)平均法作為提取方法。

1）負(fù)荷的分析

由于偏遠(yuǎn)或無(wú)電區(qū)域大多未安裝電能計(jì)量表，負(fù)荷數(shù)據(jù)搜集較為困難，目前通用的做法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)季節(jié)性調(diào)研。在調(diào)研過程中對(duì)負(fù)荷類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，需著重對(duì)居民、政府機(jī)構(gòu)、軍營(yíng)、職高中、小初中、醫(yī)院、衛(wèi)生所、教堂、清真寺、工業(yè)廠、商戶、路燈等公共用電負(fù)荷和用戶負(fù)荷的用電時(shí)間、負(fù)荷類型、用電習(xí)慣以及同時(shí)率問題進(jìn)行調(diào)查分析，并整理出相應(yīng)的負(fù)荷分析表，如表1所示。

表1 負(fù)荷分析Table 1 Load analysis

2）典型負(fù)荷的提取

將日發(fā)電量作為月度典型負(fù)荷曲線中該日的權(quán)值，對(duì)月度負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均得到月度典型負(fù)荷曲線[10]，根據(jù)該月度每天的發(fā)電量和總發(fā)電量，計(jì)算該月度第j時(shí)點(diǎn)的典型負(fù)荷為：

式中，Δt為負(fù)荷采樣時(shí)間，一般取1 h，與此同時(shí)n取值為24；m根據(jù)月度天數(shù)來(lái)取值；pi,j為該月度第i天第j時(shí)的負(fù)荷。

2.2 光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說，光伏組件發(fā)電的能量來(lái)源于太陽(yáng)，光伏陣列所接收的太陽(yáng)輻射量與傾角有關(guān)，光伏陣面上所獲得的輻射量決定了系統(tǒng)整體的發(fā)電量和正常運(yùn)行，因此系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是做好光資源分析、光伏陣列的傾角設(shè)計(jì)、組串設(shè)計(jì)以及容量設(shè)計(jì)。

目前在大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未詳細(xì)分析各月的輻射量，而直接以全年月均輻射量為設(shè)計(jì)依據(jù)，且以年均輻射量最大的傾角作為設(shè)計(jì)的傾角，忽略了每月典型日輻射量的變化特性、環(huán)境溫度對(duì)光伏出力的影響以及負(fù)荷需求匹配性[11]，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)運(yùn)行過程中負(fù)荷滿足率低、初始投入成本高的缺點(diǎn)。下面以非洲某地區(qū)（14.4°E，14.3°N）實(shí)際的光資源分析為基礎(chǔ)進(jìn)行分析說明。對(duì)國(guó)際主流的太陽(yáng)能資源評(píng)估數(shù)據(jù)源Meteonorm、SolarGIS和NASA進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較，通過PVsyst得到該區(qū)域的不同傾角光伏斜面的輻射量，如表2所示。

表2 不同傾角光伏斜面太陽(yáng)輻射（單位：(kW·h)/(m2·d) ）Table 2 Solar irradiation of photovoltaic inclined planes at different angles (unit: (kW·h)/(m2·d))

由表2可知，該區(qū)域斜面上輻射量最大的傾角為18°～20°，而在18°～20°時(shí)，7月斜面輻射量值很低，如果按照該角度進(jìn)行光儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了滿足負(fù)荷需求，需增加光伏組件的裝機(jī)容量，這樣就會(huì)在10月—次年1月有大量的棄光產(chǎn)生，同時(shí)增加系統(tǒng)的總成本（組件超裝和支架成本）。為了保證既能較好地滿足負(fù)荷需求又不產(chǎn)生過量的棄光，需降低斜面傾角。當(dāng)斜面傾角在8°～12°時(shí)，能較好地滿足負(fù)荷滿足率、棄光率低和總成本低的需求，另外，在設(shè)計(jì)過程中需考慮光伏出力與溫度之間的關(guān)系，光伏組件隨溫度的功率效率如式（2）所示：

式中，αp為功率溫度系數(shù)；GT為斜面輻照度；GNOCT為工作輻照度，一般取800 W/m2；TNOCT為一般組件溫度；Ta,NOCT為NOCT對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度；Ta為環(huán)境溫度。

在考慮斜面傾角時(shí)還需考慮光伏月典型日的出力曲線與負(fù)荷的匹配情況，實(shí)際環(huán)境下光伏出力與負(fù)荷變化趨勢(shì)、負(fù)荷滿足率、棄光率低、總成本低等因素。在做光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光伏組件串聯(lián)數(shù)量的設(shè)計(jì)也尤為重要，組串?dāng)?shù)量主要考慮溫度、MPPT跟蹤電壓范圍以及允許的最大直流電壓，具體設(shè)計(jì)時(shí)可參考文獻(xiàn)[12]，同時(shí)也需滿足儲(chǔ)能直流側(cè)電壓的范圍。

2.3 系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

目前光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域通常具有白天用電量少、晚上用電量多的特點(diǎn)，且主要是居民用電。因此光儲(chǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需滿足白天用電，同時(shí)通過儲(chǔ)能單元將白天剩余的電能存儲(chǔ)起來(lái)，在光伏發(fā)電功率不足時(shí)、晚上以及陰雨天時(shí)，將儲(chǔ)存的直流電能經(jīng)逆變器輸出供給負(fù)荷使用。在進(jìn)行光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到光伏直接逆變和經(jīng)儲(chǔ)能然后再逆變后供應(yīng)負(fù)荷時(shí)的效率不一樣，在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需綜合光伏直接逆變供應(yīng)的負(fù)荷、儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)換并逆變供應(yīng)的負(fù)荷，也可粗略歸類為有日照時(shí)的白天負(fù)荷、夜晚負(fù)荷以及陰雨天自給天數(shù)總負(fù)荷，則光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量可按式（3）考慮：

式中，Qd為光伏直接逆變供應(yīng)的電能；Qi為經(jīng)儲(chǔ)能逆變后供應(yīng)的電能；i為負(fù)荷增長(zhǎng)率；hpeak為日輻照峰值等效小時(shí)數(shù)；φn為第n年的光伏衰減率；λ為保證系統(tǒng)可靠系數(shù)，一般大于等于1；η1為光伏直接逆變時(shí)的效率，一般可取82%；η2為光伏經(jīng)儲(chǔ)能逆變后的效率，一般可取75%。

在進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮環(huán)境溫度、放電深度、充放電效率、逆變效率、當(dāng)?shù)刎?fù)荷特性以及陰雨天自給天數(shù)，儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)如式（4）：

式中，m為陰雨天自給天數(shù)；Qall為全天負(fù)荷需求電量；當(dāng)m＝0時(shí)，Q0包含白天部分光伏瞬時(shí)功率不足以支撐的剩余負(fù)荷、夜間負(fù)荷、光資源大于典型日代表值時(shí)剩余的光伏發(fā)電量（如考慮經(jīng)濟(jì)性，此值也可不考慮）；當(dāng)m≥1時(shí)，Q0包含白天部分光伏瞬時(shí)功率不足以支撐的剩余負(fù)荷、夜間負(fù)荷；i為負(fù)荷增長(zhǎng)率；n為第n年；DOD為最大放電深度；ηT為溫度修正系數(shù)；ηDC為儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)換效率；ηinv為逆變器效率。

3 實(shí)例分析與計(jì)算

非洲區(qū)域整體電力發(fā)展緩慢，大部分村莊至今尚未通電，但太陽(yáng)能資源十分豐富，采取光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)可發(fā)揮太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)，讓能源與環(huán)境結(jié)合發(fā)展，改變此類區(qū)域邊遠(yuǎn)地區(qū)民眾無(wú)電可用的狀態(tài)，緩解供電壓力，下面以非洲某地區(qū)（14.4°E，14.3°N）為案例進(jìn)行分析與計(jì)算。

非洲某區(qū)域村莊有250戶家庭，每個(gè)家庭負(fù)荷有照明、收音機(jī)，多個(gè)家庭才有1臺(tái)電視機(jī)、電風(fēng)扇；公共負(fù)荷有1個(gè)學(xué)校，1個(gè)活動(dòng)中心，1個(gè)衛(wèi)生所，2個(gè)寺廟，1個(gè)基站和40個(gè)路燈，該區(qū)域的光伏資源情況如表2所示。針對(duì)負(fù)荷情況和光資源情況，根據(jù)第2節(jié)中負(fù)荷的提取和分析方法、光伏系統(tǒng)優(yōu)化方法，考慮到0.7的負(fù)荷同時(shí)率，得到非洲該區(qū)域典型的負(fù)荷曲線與8°、10°、12°傾角下光伏出力，如表3、圖2—圖4所示。

表3 考慮溫度后不同傾角太陽(yáng)輻照和實(shí)時(shí)負(fù)荷Table 3 Solar irradiation of photovoltaic inclined planes at different angles considering temperature and hourly loads

綜合考慮滿足斜面上實(shí)際環(huán)境下光伏出力與負(fù)荷變化趨勢(shì)、負(fù)荷滿足率、棄光率低、總成本低等因素，當(dāng)斜面傾角為10°時(shí)為最優(yōu)角度。

在進(jìn)行光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)時(shí)，光伏組件10年后功率衰減為91%，20年后功率衰減為15%；根據(jù)需求項(xiàng)目?jī)H考慮系統(tǒng)5年內(nèi)年2%的負(fù)荷增長(zhǎng)率，后期再進(jìn)行擴(kuò)建電源以滿足增長(zhǎng)符合的需求；為保證系統(tǒng)20年期間負(fù)荷需求電力，取值為1.2。根據(jù)負(fù)荷日典型曲線圖可以看出，18時(shí)以前負(fù)荷均小于光伏出力，18時(shí)以后負(fù)荷出力大于光伏出力，因此白天光伏直接的供電量為34.43 kW·h，其他多余電能儲(chǔ)存起來(lái)，晚上儲(chǔ)能的供電量為74.02 kW·h，根據(jù)式（3）可得光伏的總裝機(jī)容量為31.2 kW，考慮到光伏的組串組成，若采用315 W光伏板，裝機(jī)容量為31.5 kW。

圖2 考慮溫度后8°斜面輻射量與負(fù)荷關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between 8°angle radiation and load by considering temperature

圖3 考慮溫度后10°斜面輻射量與負(fù)荷關(guān)系圖Fig. 3 Relationship between 10°angle radiation and load by considering temperature

圖4 考慮溫度后12°斜面輻射量與負(fù)荷關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between 12°angle radiation and load by considering temperature

在進(jìn)行儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)時(shí)，為保持系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，僅考慮日照時(shí)當(dāng)天備用，不考慮連續(xù)陰雨天供電，即m取值為0；DOD最大取值為0.7，溫度修正系數(shù)暫取值為1，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換和逆變器逆變綜合效率取值為0.92，根據(jù)該區(qū)域負(fù)荷特性，白天不存在負(fù)荷大于光伏出力，僅考慮晚上供電量的滿足情況，因此可得儲(chǔ)能的裝機(jī)容量為126 kW·h，可采用158節(jié)2 V 400 Ah鉛碳電池組，標(biāo)稱容量為126.4 kW·h。

采用如上系統(tǒng)配置后，考慮到光伏、儲(chǔ)能以及負(fù)荷用電，第1年、第5年和第20年的典型日系統(tǒng)剩余電量累計(jì)圖如圖5所示，可以看出，第20年系統(tǒng)剛剛夠滿足負(fù)荷總體需求，第21年由于光伏組件持續(xù)的年衰減，系統(tǒng)發(fā)電量不足以支撐負(fù)荷用電，也同時(shí)說明了本優(yōu)化方案的合理性。

圖5 第1、第5、第20年典型日電量剩余累計(jì)圖Fig. 5 Typical daily electricity residual accumulation in the 1st, 5th, and 20th years

4 結(jié)論

光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，較經(jīng)濟(jì)地滿足了偏遠(yuǎn)區(qū)和無(wú)電區(qū)人民的用電問題，克服了傳統(tǒng)采用柴油機(jī)發(fā)電帶來(lái)的污染和高耗能問題。本文從負(fù)荷分析、典型負(fù)荷提取、基于實(shí)際環(huán)境下光資源與負(fù)荷綜合分析、容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對(duì)光儲(chǔ)離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際的案例進(jìn)行了分析說明，較好地滿足了當(dāng)?shù)氐墓╇娦枨?，也為后續(xù)為偏遠(yuǎn)區(qū)和無(wú)電區(qū)區(qū)域供電提供了參考。