基于混合儲能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制研究

陸 杭，姜昱昀

（國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 311225）

0 引 言

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，風(fēng)能和光能作為主要的可再生能源得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。然而，風(fēng)能和光能具有波動性和不穩(wěn)定性，單一的風(fēng)能或光能發(fā)電系統(tǒng)無法滿足穩(wěn)定的電能供應(yīng)需求。因此，基于混合儲能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為一種有效的解決方案?；旌蟽δ茱L(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)能和光能的優(yōu)勢，實現(xiàn)了能源的互補(bǔ)和穩(wěn)定供電。然而，該系統(tǒng)的控制策略是確保其高效運行和優(yōu)化性能的關(guān)鍵。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的概念和工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種利用風(fēng)能和光能相互補(bǔ)充的發(fā)電系統(tǒng)，旨在提高能源利用效率和供電可靠性。該系統(tǒng)將風(fēng)能發(fā)電與光能發(fā)電相結(jié)合，通過充分利用風(fēng)力和光照條件，實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的互補(bǔ)運行。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組及混合儲能系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕捉風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，光伏電池組將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。混合儲能系統(tǒng)則用于儲存多余的電能，以便在風(fēng)力和光照條件不足時可以持續(xù)供電。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電之間的互補(bǔ)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。同時，通過合理的控制策略，可以實現(xiàn)對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化管理，以實現(xiàn)最大化的能源利用和良好的供電效果[1]。

2 混合儲能技術(shù)概述

2.1 儲能技術(shù)的分類和選擇

儲能技術(shù)在混合儲能系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用。常見的儲能技術(shù)包括電池儲能技術(shù)、儲氫技術(shù)和壓縮空氣儲能技術(shù)。電池儲能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存起來的技術(shù)，包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。儲氫技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為氫能并儲存起來的技術(shù)，包括壓縮氫氣和液態(tài)氫儲存。壓縮空氣儲能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣能并儲存起來的技術(shù)，通常將空氣壓縮儲存在儲氣罐中，并在需要時釋放壓縮空氣以發(fā)電。在選擇儲能技術(shù)時，需要考慮其能量密度、效率、壽命、成本以及環(huán)境等影響因素，并根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。

2.2 混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢和應(yīng)用

混合儲能系統(tǒng)相對于單一儲能技術(shù)具有多種優(yōu)勢?；旌蟽δ芟到y(tǒng)能夠充分利用不同儲能技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換和存儲?；旌蟽δ芟到y(tǒng)能夠提供更加穩(wěn)定和可靠的能量，通過在不同時間尺度上調(diào)節(jié)各種儲能技術(shù)的運行，滿足能量需求的波動性。此外，混合儲能系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和靈活性，能夠根據(jù)實際情況組合和優(yōu)化各種儲能技術(shù)。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，混合儲能系統(tǒng)可以提供可靠的能量儲存和平滑的能量輸出，以應(yīng)對風(fēng)力和光照的變化。

2.3 混合儲能系統(tǒng)的組成和工作原理

混合儲能系統(tǒng)由不同儲能技術(shù)組成，基于各儲能技術(shù)之間的協(xié)同作用。在系統(tǒng)組成方面，混合儲能系統(tǒng)通常包括電池組、儲氫設(shè)備和壓縮空氣儲能設(shè)備。電池組用于儲存和釋放電能，通過充電和放電過程實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。儲氫設(shè)備用于儲存氫能，可以通過電解水產(chǎn)生氫氣或從外部供應(yīng)儲存氫氣。壓縮空氣儲能設(shè)備用于將空氣壓縮儲存，并在需要時通過膨脹機(jī)釋放壓縮空氣以產(chǎn)生電能?；旌蟽δ芟到y(tǒng)通過智能控制和管理，根據(jù)電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求和能源供應(yīng)情況，協(xié)調(diào)不同儲能技術(shù)的運行，以實現(xiàn)最優(yōu)的能量儲存和利用效率。通過靈活的能量調(diào)度和優(yōu)化策略，混合儲能系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定和可靠的能量供應(yīng)，并增強(qiáng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體性能[2]。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

3.1 系統(tǒng)運行優(yōu)化目標(biāo)

在控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的過程中，明確優(yōu)化目標(biāo)對于系統(tǒng)性能和效益至關(guān)重要。一個目標(biāo)是最大化能源利用率，通過合理調(diào)配風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的產(chǎn)能，最大化可再生能源利用率。最大化能源利用率可以通過實時監(jiān)測和預(yù)測系統(tǒng)的風(fēng)力和光照條件，動態(tài)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池組的工作狀態(tài)和發(fā)電量來實現(xiàn)。另一個優(yōu)化目標(biāo)是實現(xiàn)穩(wěn)定供電，確保系統(tǒng)在不同運行條件下能夠提供穩(wěn)定的電能輸出。穩(wěn)定供電可以通過儲能系統(tǒng)的充放電控制、調(diào)度策略和負(fù)荷平衡來實現(xiàn)，以平衡風(fēng)力和光照的波動性，確保持續(xù)供電。

3.2 風(fēng)光發(fā)電預(yù)測和調(diào)度

風(fēng)光發(fā)電的預(yù)測和調(diào)度是實現(xiàn)系統(tǒng)運行優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。為了準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)力和光照的變化，可以利用天氣預(yù)報和預(yù)測模型。模型基于氣象數(shù)據(jù)和歷史記錄，通過算法分析和建模，預(yù)測未來一段時間內(nèi)的風(fēng)力和光照強(qiáng)度。預(yù)測結(jié)果可以提供給發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)需求和優(yōu)化目標(biāo)，制定合理的發(fā)電調(diào)度策略。例如，在風(fēng)力和光照充足的情況下，可以增加發(fā)電量以充分利用可再生能源；在風(fēng)力和光照不足的情況下，可以減少發(fā)電量并從儲能系統(tǒng)中補(bǔ)充能量，以滿足負(fù)荷需求[3]。

3.3 儲能系統(tǒng)控制策略

3.3.1 充放電控制

控制儲能系統(tǒng)的充放電過程是確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。在充電過程中，可以根據(jù)發(fā)電情況和負(fù)荷需求，控制充電率和充電功率。對于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來說，可以通過光伏發(fā)電的強(qiáng)度和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)充電率。在放電過程中，可以根據(jù)負(fù)荷需求和儲能系統(tǒng)的剩余容量，控制放電率和放電功率。通過合理的充放電控制，可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的有效運行，提高系統(tǒng)的能源利用效率。

3.3.2 儲能器容量管理

儲能器容量管理是確保混合儲能系統(tǒng)正常運行的重要任務(wù)。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，儲能器容量的管理涉及剩余容量的估計、儲能器狀態(tài)監(jiān)測和容量擴(kuò)展等方面。準(zhǔn)確估計剩余容量可以避免過度充放電和容量不足的情況，可以通過實時監(jiān)測充放電電流、電壓和儲能器的電量實現(xiàn)。儲能器狀態(tài)監(jiān)測包括監(jiān)測電池的健康狀況、溫度和充放電效率等參數(shù)，以確保儲能器的性能和安全。當(dāng)需要擴(kuò)展儲能容量時，可以考慮增加儲能器的數(shù)量或改進(jìn)儲能器的設(shè)計，以滿足系統(tǒng)需求。

3.3.3 儲能系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)

混合儲能系統(tǒng)需要定期監(jiān)測和維護(hù)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性，主要涉及關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測，如儲能器的電壓、電流和溫度等。通過實時監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)運行中的異常情況。定期維護(hù)包括優(yōu)化儲能器的充放電過程、清潔和檢查儲能設(shè)備的運行狀態(tài)，從而確?；旌蟽δ芟到y(tǒng)在長期運行中保持良好的性能和可靠性[4]。

3.4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體控制策略

為了實現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能，綜合的整體控制策略至關(guān)重要?；谝?guī)則的控制策略可以根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)和外部條件設(shè)定預(yù)定規(guī)則，并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。一方面，可以設(shè)定風(fēng)力和光照的優(yōu)先級和調(diào)度規(guī)則，以確保系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定運行和優(yōu)化能源利用。另一方面，基于優(yōu)化算法的控制策略可以通過數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法，優(yōu)化分析風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)之間的關(guān)系，并制定最優(yōu)的運行策略。這可以基于實時數(shù)據(jù)和預(yù)測模型，考慮系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和負(fù)荷需求，以實現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能和能源利用效率[5]。

4 混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制研究案例

4.1 實驗設(shè)置和數(shù)據(jù)收集

（1）系統(tǒng)建模。首先，對混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的建模，考慮風(fēng)能發(fā)電裝置、光能發(fā)電裝置和混合儲能系統(tǒng)之間的相互作用。該建模有助于理解系統(tǒng)的動態(tài)特性和能量轉(zhuǎn)換過程。

（2）實驗平臺搭建。搭建實驗平臺，包括風(fēng)能發(fā)電裝置、光能發(fā)電裝置、儲能設(shè)備以及相應(yīng)的電力轉(zhuǎn)換和控制設(shè)備。該平臺能夠模擬實際工作條件，并允許對混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實時控制和監(jiān)測。

（3）數(shù)據(jù)采集。使用多種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備來獲取系統(tǒng)各個組件的運行數(shù)據(jù)，包括風(fēng)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率輸出、光能發(fā)電裝置的輻照度和發(fā)電功率、儲能設(shè)備的電荷和放電狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)對于后續(xù)的控制策略實施和評估非常重要。

4.2 控制策略的實施和評估

風(fēng)光發(fā)電預(yù)測和調(diào)度是基于歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報信息，利用預(yù)測模型對風(fēng)能和光能發(fā)電的情況進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，制定風(fēng)光發(fā)電的調(diào)度策略，以最大化系統(tǒng)的發(fā)電效益。儲能系統(tǒng)控制策略如下。

（1）充放電控制。根據(jù)風(fēng)光發(fā)電的情況和電網(wǎng)需求，實施儲能系統(tǒng)的充放電控制策略。通過合理調(diào)節(jié)儲能設(shè)備的充電和放電速率，以及電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)之間的能量交互，實現(xiàn)系統(tǒng)能量平衡的控制。

（2）儲能器容量管理。采用動態(tài)容量管理策略監(jiān)測和管理儲能設(shè)備的容量狀態(tài)。通過實時監(jiān)測儲能器的容量，并結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行容量調(diào)度，以確保儲能系統(tǒng)在滿足需求的同時保持較高的能量利用率。

（3）儲能系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)。通過監(jiān)測儲能系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，如電池的電壓、溫度等，實施對儲能設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)，有助于提高儲能設(shè)備的壽命和安全性。

（4）性能評估。使用一系列性能指標(biāo)來評估所提出的控制策略的效果，包括系統(tǒng)的發(fā)電效率、能量平衡度、儲能器的利用率等。通過與傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行比較和分析，能夠驗證所提出的控制策略的優(yōu)越性和可行性。

4.3 結(jié)果分析和討論

（1）控制策略的有效性。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，評估所提控制策略在混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的有效性，并觀察到控制策略能夠有效調(diào)節(jié)風(fēng)光發(fā)電的比例，使系統(tǒng)在不同工作條件下保持穩(wěn)定的能量供應(yīng)。

（2）性能改進(jìn)空間。通過與傳統(tǒng)控制方法的比較，進(jìn)一步探討所提控制策略的改進(jìn)空間，如進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率、減少能量損耗等。

5 挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向

5.1 技術(shù)挑戰(zhàn)和限制

風(fēng)能和光能的波動性和不可控性給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來挑戰(zhàn)。如何準(zhǔn)確預(yù)測和調(diào)度風(fēng)力和光照，以適應(yīng)負(fù)荷需求的變化，是一個急需解決的問題。不同儲能技術(shù)的集成和協(xié)同運行也存在技術(shù)挑戰(zhàn)。如何優(yōu)化控制各種儲能器的充放電過程，確保儲能系統(tǒng)的高效性和長壽命，是一個挑戰(zhàn)。解決這些問題和挑戰(zhàn)需要綜合考慮預(yù)測算法、優(yōu)化算法、智能控制以及數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。例如，通過進(jìn)一步改進(jìn)風(fēng)力和光照的預(yù)測模型，提高預(yù)測精度和時間尺度，以優(yōu)化發(fā)電調(diào)度策略。另外，開發(fā)新的控制算法和策略，利用先進(jìn)的優(yōu)化方法和智能控制技術(shù)，實現(xiàn)儲能器的高效充放電和協(xié)同運行，提升系統(tǒng)的能源利用效率和穩(wěn)定性。

5.2 混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

需要對系統(tǒng)的成本、效益和投資回報進(jìn)行評估。系統(tǒng)建設(shè)和運維成本是經(jīng)濟(jì)性的主要組成部分，因此需要考慮如何降低設(shè)備和組件的成本，提高系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)效益包括發(fā)電量的增加、供電可靠性的提高以及電網(wǎng)支持能力的增強(qiáng)等。需要進(jìn)行成本效益分析，評估系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景和市場環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)可行性和收益潛力。

為提高混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，可以采取一些措施。例如，推動儲能技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，提高儲能器的能量密度和循環(huán)壽命，降低儲能系統(tǒng)的成本。此外，制定合理的政策和市場機(jī)制，提供財政支持和激勵措施，鼓勵混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的部署和應(yīng)用。

5.3 可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境影響

在系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，需要充分考慮環(huán)境因素，降低碳排放和環(huán)境影響，同時需要評估系統(tǒng)的可持續(xù)性和環(huán)境效益。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可以采取一系列措施，進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)的能效和環(huán)境友好性，減少資源消耗和環(huán)境污染。推廣清潔能源政策和可再生能源標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵和引導(dǎo)投資者和用戶采用混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，推動可持續(xù)能源的普及和應(yīng)用。開展環(huán)境影響評估，研究系統(tǒng)對生態(tài)系統(tǒng)、土地使用和景觀等方面的影響，并采取相應(yīng)的保護(hù)和修復(fù)措施，確保系統(tǒng)的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。

5.4 未來發(fā)展方向和研究前景

混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制研究具有廣闊的發(fā)展方向和研究前景。隨著可再生能源的快速發(fā)展和應(yīng)用需求的增長，混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將在未來得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

未來研究重點可以在以下幾個方面：一是深入研究風(fēng)能和光能的預(yù)測和調(diào)度技術(shù)，提高預(yù)測精度和系統(tǒng)的可調(diào)度性；二是優(yōu)化混合儲能系統(tǒng)的控制策略，包括充放電控制、容量管理和狀態(tài)監(jiān)測等，以提高系統(tǒng)的能源利用效率和穩(wěn)定性；三是加強(qiáng)混合儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運行研究，探索與電力市場和能源管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能調(diào)度和優(yōu)化運行；四是開展新型儲能技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，如氫能儲存、流電池和超級電容器等，提高儲能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié) 論

混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一種能源互補(bǔ)和供電穩(wěn)定性更高的解決方案，在可再生能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對該系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行深入研究，探討系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)、風(fēng)光發(fā)電預(yù)測和調(diào)度以及儲能系統(tǒng)控制策略和整體控制策略。通過研究案例的分析和討論，對系統(tǒng)的實施和性能評估進(jìn)行深入探索。同時，針對該系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境影響等進(jìn)行綜合討論。未來可進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)能和光能預(yù)測技術(shù)的研發(fā)，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的控制策略，并加強(qiáng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運行研究。通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，混合儲能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有望為清潔能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。