風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置研究

徐 爽

銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750021

0 引言

隨著地球環(huán)境的逐步惡劣和全球國家工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，能源利用問題、工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展問題和環(huán)境保護問題已成為當(dāng)前世界上所面臨的重要問題，引起了社會各界人士的廣泛關(guān)注和熱烈討論。風(fēng)能和太陽能是地球上蘊含能量值豐富且取之不盡、用之不竭的天然清潔能源，更重要的是對周圍環(huán)境無污染。將風(fēng)能和太陽能資源進(jìn)行高效率結(jié)合，既能彌補風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電在各自發(fā)電過程和發(fā)電工藝上存在的問題，保障供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，又能大幅降低我國風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的綜合成本，因此風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生。

1 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)研究最早可追溯至19世紀(jì)80年代初期，丹麥學(xué)者Buchand等[1]初步提出了綜合利用太陽能和風(fēng)能的建設(shè)構(gòu)想，但受制于當(dāng)時的理論環(huán)境和現(xiàn)實條件，并未形成較為完整的系統(tǒng)設(shè)計方案，也并未根據(jù)該設(shè)想形成較為完整的理論文字綜述。直到1983年，瑞典學(xué)者Akerlund[2]提出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)以解決偏僻地段電能供應(yīng)問題的實施計劃，風(fēng)能資源利用和太陽能資源利用以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電能供應(yīng)才得到了足夠重視，成為初具規(guī)模的清潔型發(fā)電方案。該學(xué)者引入了數(shù)字化的控制器，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸電水平、電壓、電流、功率參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)節(jié)，使風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)真正能夠落到實處。該系統(tǒng)的成功研制，直接標(biāo)志著全球范圍內(nèi)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)重要研究成果的取得。

20世紀(jì)90年代后期，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)科學(xué)合理的最終控制策略以及發(fā)電容量與儲能容量的匹配研究，成為該時期的主流研究方向。1997年，英國學(xué)者Protogeropulos等[3]以蓄電池儲能裝備為研究基礎(chǔ)，探討了該裝置上的離網(wǎng)型風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)的電能和蓄能容量配置研究以及優(yōu)化研究。2006年，日本學(xué)者Ahmed等[4]通過最大功率點追蹤（MPPT）技術(shù)，使風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制策略得以簡化，有效提升了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。2008年，F(xiàn)ontes等[5]以某城鎮(zhèn)服務(wù)對象，根據(jù)該城鎮(zhèn)的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)、太陽輻射數(shù)據(jù)等設(shè)計了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出微型發(fā)電的基礎(chǔ)概念，研究了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和技術(shù)效益的獲取。2010年，加拿大學(xué)者Hui等[6]利用整流級的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了相關(guān)優(yōu)化策略，擴大了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的適用范圍，也進(jìn)一步優(yōu)化了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的實際功效。2012年，Hamad等[7]以傳統(tǒng)的MTTP風(fēng)光互補控制器為支撐，以貝葉斯信息融合技術(shù)和群體智能技術(shù)理論為基礎(chǔ)指導(dǎo)，研究了基于貝葉斯信息融合技術(shù)和群體智能技術(shù)的全新最終控制方法，并利用軟件得到了高效提升風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)效率的相關(guān)結(jié)論。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2003年，茆美琴等[8]基于智能控制系統(tǒng)初步制定了風(fēng)能、太陽能、柴油機、蓄電池等復(fù)合發(fā)電裝置的相關(guān)設(shè)備，分析了該發(fā)電裝置設(shè)備的應(yīng)用特點、試驗結(jié)果以及實驗過程中可能存在的諸多問題，針對問題提出了未來關(guān)于風(fēng)能、太陽能以及蓄電池發(fā)電融合發(fā)展的相關(guān)措施。楊紅星等學(xué)者通過對計算程序的編制匹配得到風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。

2004年，龍平[9]在研究風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理和工作流程的基礎(chǔ)上，建立了較為完整的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測體系，并利用該監(jiān)測體系進(jìn)行了實地驗證研究，分析了完整監(jiān)測體系存在的精度誤差，并對其進(jìn)行了修正和評價。

2005年，齊發(fā)[10]進(jìn)行了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，以Microchip公司生產(chǎn)的微處理器和單片機為核心設(shè)備進(jìn)行風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化改造，有效提升了傳統(tǒng)模式下風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效能。

2006年，徐大明等[11]基于精英非支配排序遺傳算法的相關(guān)理論知識，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的獨立供電系統(tǒng)進(jìn)行了功能優(yōu)化配置，此后又在獨立供電系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，加入了自適應(yīng)罰函數(shù)方法，對獨立供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2017年，陳天等[12]利用微分進(jìn)化算法的指導(dǎo)，對風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)的發(fā)電容量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)一步以實例驗證了微分進(jìn)化算法對風(fēng)光互補技術(shù)優(yōu)化配置應(yīng)用的合理性和科學(xué)性。

2019年，于東霞等[13]以蓄電池、超級電容具備強烈互補性特征為出發(fā)點，將蓄電池和超級電容引入了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，并結(jié)合實例驗證分析了仿真算法的合理性、科學(xué)性與可行性，得出了兩者在新能源電能利用效率提升方面存在的差異。總而言之，近30年來國內(nèi)關(guān)于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電技術(shù)的相關(guān)研究思路和研究重點與國外大致相同，我國在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究和容量配置與優(yōu)化研究上取得了一定的成績。

2 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究趨勢

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究趨勢主要可歸納為以下4種：（1）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)類型與容量研究逐步趨于多樣化；（2）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)發(fā)電流程以及電能輸送控制策略依舊處于主導(dǎo)研究地位；（3）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置設(shè)計以及選型匹配研究進(jìn)一步凸顯出重要性；（4）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的逆變器研究仍舊處于快速發(fā)展階段。

就風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)儲能裝置選擇與配備而言，該發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)光互補技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)電量和用電量不匹配的問題一直影響該技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，蓄電池儲能設(shè)備快速充放電有助于系統(tǒng)整體穩(wěn)定性提升，故應(yīng)加強系統(tǒng)儲能元件充放電性能試驗研究與設(shè)備性能優(yōu)化研究，采取合理措施提升蓄電池充放電水平，減少蓄電池運轉(zhuǎn)過程中由于極化現(xiàn)象出現(xiàn)導(dǎo)致的生命周期縮短的可能。

3 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置的研究進(jìn)展

國內(nèi)關(guān)于風(fēng)光互補系統(tǒng)的優(yōu)化研究較多，可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化研究通常在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)建模方法、模擬仿真技術(shù)、經(jīng)濟可行性分析等領(lǐng)域進(jìn)行，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)光互補系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計主要體現(xiàn)在配置優(yōu)化和控制策略優(yōu)化兩大方面。

一般情況下，采用匹配計算方法得到風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)配置，該方法使用較為純熟，理論體系發(fā)展較為完備，大多通過數(shù)據(jù)庫建立后獲取關(guān)于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)所在地的風(fēng)能信息、光能信息和負(fù)載曲線信息等，根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立風(fēng)光蓄電池數(shù)學(xué)模型，得到風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件，在約束條件下取得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。常用的目標(biāo)函數(shù)與約束條件主要包括全年負(fù)載缺電率、全生命周期成本最低。系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，主要是通過選擇控制方法和控制手段使整個風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的最終收益最大化，通?？墒褂米畲箫L(fēng)力資源跟蹤方法以及光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制策略兩大類別進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)束語

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境保護意識不斷增強和可再生能源利用關(guān)注程度不斷提高的條件下，以其特有優(yōu)勢在新能源領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，但利用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行電能供應(yīng)，要想獲得更加穩(wěn)定的電能供應(yīng)和更大的經(jīng)濟效益，必須進(jìn)一步加強對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中技術(shù)瓶頸的研發(fā)力度，通過技術(shù)優(yōu)化與方法創(chuàng)新拓寬其應(yīng)用范圍。