《电气自动化））２０１３年第３５卷第５期 能源发电控制技术 Ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ ＣｏｎｔｒｏＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ 风光互补可再生能源发电的综合效益优化研究 李劲彬 ，陈隽 （１．国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉４３００７７，２．国家电网公司电气设备现场试验技术重点实验室，湖北武汉４３００７７） 摘要：在可再生能源发电系统中，为平缓系统输出功率的波动，使其可控性和稳定性更强，普遍利用储能系统作为能量缓冲装置。由 于储能装置的资金投入与其容量基本上成正比，合理评估计算储能容量对于整个系统的综合经济效益较为重要。提出利用太 阳能和风能的互补性，组成风光互补系统，基于频谱分析，对风、光的能量配比进行仿真计算。结合实测数据，确定了风、光最 佳能量配比，减小了对储能系统的容量要求。可以优化风光互补系统的综合经济效益，为今后风光互补系统的设计提供参考。 关键词：风光互补；太阳能发电；风能发电；储能系统；经济效益 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ・ｉｓｓｎ．１０００—３８８６．２０１３．０５．００９ ［中罔分类号］ＴＭ６１４［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１３）０５—００２４—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｐｔｉ ｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｂｅｎｅｆｉｔｓ Ｏｆ Ｗｉｎｄ．ｓｏｌａｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｊｉｎ—ｂｉｎＩ ．ＣＨＥＮ ＪｕｎＩｌ ．（１． ｂｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＳＧＣＣ，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７７，Ｃｈｉｎａ： ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｉｅｌｄ—ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ＳＧＣＣ，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００７７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ａｓ ａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｂｕｆｆｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｍｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ．Ｓｉｎｃｅ ｉｔｓ ｃａｐｉｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｉｔｓ ｃａｐａｃｉｔｙ，ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｗｉｎｄ—ｓｏｌａｒ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａ］ｗｉｎｄ ａｎｄ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ—ｓｏｌａｒ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｏｆｆｅｒｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｉｔｓ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ—ｓｏｌａｒ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ０ 引 言 Ｓｕｎｌ￣ｈｔ ， 太＿５ｆＪ能与风能以取之不尽、分布广泛、无污染等特点，开发 利用日益受到重视 。然而，太阳能和风能固有的相对随机性和 间歇性特征决定了其属于能量密度低、稳定差的电能，若直接并 入电网，会对电网运行造成不利影响，一般需与大容量储能系统 ＼ ！ ＋ ｖ ＜ ｄ ｒ－－＇） ｃ ｆｄ一 ＜ 相结合 。，成本较高，制约＿ｒ风能和太阳能的大规模开发利用。 太阳能与风能在时间七和季节上具有一定的互补性：白天阳 光允足、风较小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大 风 小，冬季太『；Ｈ光照强度弱而风大 。。。利用太阳能与风能的互补 ，图１光伏发电等效电路 ，＝Ｉｓｃ—ｌ，ｔ＝Ｉｓｃ一，（）（ｅ 一１） （１） 式中 为流过二极管的电流；，ｆ】为二极管的反向饱和电流： 为电路输出电压；， 为理想电流源输出电流。 绀成混合能源发电系统，并根据自然资源条件，对风光甄补系 １．２风能发电 一统的容量进行合理配置，町以改善系统出力的稳定性，达到降低 储能系统 世需求，提升系统综合效益的目的 。 个理想化的风机输出功率曲线如图２所示。 １光伏发电与风能发电 １．１光伏发电 光伏发电的理想等效电路可以表示为一个二极管并联・个 理想电流源，如 Ｉ所示。理想电流源输出电流的大小与阳光辐 输｝¨功 ，｜ ｛ ｜ 裁ＪＫＬ速／ ／额定 速 溢…Ｊ扎ｉ 射强度成 比 Ｉ中，光伏发电等效电路的电流电雎关系见式（１） ： 收稿日期：２０１３—０７—０８ ２４ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 速 图２风机输出功率曲线 图２中，风机输出功率Ｐ 和风速 的关系见式（２） 能源发电控制技术 Ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｅｎｔｒｅｌ ＴｅｃｈｎｏｌｏＱ 皇 皇 竺竺 兰！ Ｐｆ ｏ１ ｏ≤ ≤ ｃ 。 ≥ Ｆ ｗ＝｛ 。・ｃＰ ｃ≤ ≤ Ｒ ≤ ≤ ， （２） Ｌｌ山 Ｐ １Ｉ｜ 式中Ｐ为空气密度；Ａ为风流过面的横截面积； 为风机的 空载风速； 为额定风速； ，为溢出风速；Ｐ 为风机额定功率； Ｃ 为风机转子效率。 Ｉ ＇ｌｌ ６．１ ２ 可再生能源发电系统输出功率频谱分析 在本文中，太阳辐射强度和风速数据均源于美国国家可再生 能源实验室（ＮＲＥＬ） 。数据采集坐标：４２．８９。Ｎ，１０６．４８。Ｗ。 Ｏ ｌｌＪＪ Ｊ Ｉ ５ １Ｏ １５ … 黼 ● ２０ ２５ ３Ｏ 时间（天） ２．１光伏发电功率频谱分析 结合式（１），可计算出光伏发电输出功率Ｐ 在研究时间段 内的变化，如图３所示。 图５风能系统在研究时间段内的输出功率 功率幅值（Ｗ／ｍ ） 图６风能发电功率频谱分布 ２．３风光互补发电功率频谱分析 图３光伏系统在研究时间段内的输出功率 从频谱分析可以得到系统对电网的平均输出功率，输出值等 于频谱分布中的恒定分量。对于任一周期频谱分量，如果储能系 统具有足够大的容量，能够满足该分量的最大充、放电能量，则在 每经历一个完整周期后，储能系统中吸收的能量等于输出的能 量。因此，在要求提供稳定出力的条件下，储能系统的容量将由 由于地面受到的太阳辐射强度是由太阳在空中的位置和天 气条件所决定，Ｐ 将在很大程度上以２４小时为周期变化。图４ 展示了Ｐ 的频谱分析，其频谱分量主要为恒定分量和２４小时、 ｌ２小时及８小时周期分量，其他分量值较小。 各周期频谱分量的幅值所决定。若各分量的幅值均下降，则储能 系统的容量将可以得到减少。 ２４小时周期分量 为减少储能系统的容量，本文提出利用太阳能和风能的互补 性，形成风光互补系统。下文对基于单位面积风电和光电的风光 互补系统进行了频谱分析，见图７。 恒 ：分量 １２小时周期分量 ． Ｉ‘一８小时周期分量 ●√Ｌ ０ ｏ ｏ５ １ ＪＬ～ １ ５ ２ ２５ ３ ３ ５ 频率（ｒａｄ／ｈｏｕｒ） 图４光伏发电功率频谱分布 ２．２风能发电功率频谱分析 本文基于Ｖｅｓｔａｓ公司的Ｖ９０—３．０型风机建立了一个理想化 的典型风机模型，其中 ｃ＝３．５ ｍ／ｓ， Ｒ＝１５ ｍ／ｓ， Ｆ＝２５ ｍ／ｓ，Ｐ ＝３ ０００ ｋＷ。结合式（２），可计算出风机输出功率Ｐ 在研究时 图７ 基于单位面积的风光互补系统发电功率频谱分布 与Ｐ 相比，Ｐ 随时间变化的随机性更高。这是因为风能本 间段内的变化，如图５所示。 表１中记录了图４、图６和图７中的主要频谱分量幅值，第三 行“求和”指在未考虑相位角因素的情况下，对光伏和风电功率 频谱分量幅值的标量相加。 质上是云层不均匀吸收太阳辐射能量而造成，属于太阳能的二次 能源 。Ｐ 的频谱仍以恒定分量，２４和１２小时周期分量为主， 但分布规律性不如Ｐ 显著，如图６所示。 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ２５ 《电气自动化｝２０１３年第３５卷第５期 能源发电控制技术 Ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ ＣｏｎｔｒｏＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ 表１光伏系统、风电系统和风光互补 系统输出功率的主要频谱分量 ／ 町）＝Ｌ， ＋ｌ， ＋＿， （９） 假设Ｐ＝１０ ＭＷ，Ｔ＝１０；由图４ 计算出Ｐ ＝９．０３ ｋＷｈ／ｍ ／ ｄａｙ；由图６町得Ｐ ＝ｌ１１．３ ｗｆ／ｍ ；成本参数根据调研，按如Ｆ估 算：Ⅱ＝７．６０￥／Ｗ，ｂ＝２．２８￥／ｗ／年，Ｃ＝１．７１￥／Ｗ，ｄ＝０．０８ ￥／Ｗ／年，Ｐ＝０．１０￥／Ｗｈ，ｑ＝５×１０ ￥／Ｗｈ／年，则ｌ厂（叼）可以 计算得出，曲线如图８所示。 由表１可知，风光互补系统输出的恒定功率等于光伏系统和 风电系统输出功率的恒定分量之和；风光互补系统输出功率的 ２４小时、１２小时等周期性频谱分量小于光伏系统与风电系统频 率分量的幅值之和。因此，风光互补方案不会造成系统整体输出 能量的损失，同时，由于相位角的差异，可以减小输出功率周期频 谱分量的幅值，提高系统输出功率的稳定性与连续性，实现对储 能系统容量要求的下降。 图８风光互补系统的总成本 ３风光互补系统能量配比的优化计算 下文将结合实测数据，对独赢风光互补系统的能量配比进行 仿真计算，确定风光最佳能量配比。储能装置类型选择为铅酸深 循环电池 。 。 从图中可知，当７７ ７－６４％时 ）最小。因此，在上述假设条 件卜，本方案最优的风光能量配比为：光伏发电提供６４％，风能 发电提供３６％。在该情况下，发电系统包括了５台Ｖｅｓｔａｓ Ｖ９０— ３．０型风机和１．８４ ｘ１０ １１１ 晶体硅光伏模块。系统在ｌ０年内的 建设与运维总成本约为３．７９×１０ 万元。 ３．１光电部分 光伏系统的额定功率Ｐ 可以表示为 ＪＰ ： ｓ ４ 结束语 （３） 风光瓦补方案，利用了太阳能和风能的互补性，有效减少了 系统输出功率周期频谱分量的幅值，提高了系统出力的稳定性， 减少了对储能系统的容量需求，提高了利用可再生能源进行发电 的总体经济效益。文中结合实例，对独立风光互补系统的能量配 比进行ｒ优化计算，确定了风、光最佳能量配比，进一步优化ｒ系 统综合效益，为以后风光互补系统的设计提供了借答。 （４） 式中Ｐ 为负载需求；叼为在风光 补系统中的光电能鼍比例； 为平均太阳辐射功率。 光伏系统的建设成本系数为ｎ，年运维成本系数为ｂ，设备有 效使用年限为 。光伏系统的总成本为： ＝Ⅱ’ＰｓＲ＋Ｔ・ｂ・Ｐｓｌｉ 参考文献： ［１］王成山，于波，肖峻．平滑可再生能源发电系统输Ⅱ｝波动的储能系统 容量优化方法［Ｊ］．巾同电机工程学报，２０１２，３２（１６）：１—８ ３．２风电部分 对于风电系统，需要安装的风机数量为： ［２］贾传圣，李龙康．风光互补发电的研究［Ｊ］．通信电源技术，２０１２，２９ （５）：２０—２２． ［ ＰｗＲ＝Ｎ ・Ｐ ］ （６） 式中Ｐ 为风机平均输出功率；ｃｅｉｌ函数为取整函数。 风电系统的额定功率Ｐ ． 叮以表示为： 风电系统的建设成本系数为Ｃ，年运维成本系数为ｄ。风电 系统的总成本为： ／ ＝ｃ’ＰｗＲ＋Ｔ・ｄ・ＰｗＲ （７） １ ３］赵勇强，时璩 ，商虎．中国可再生能源发展状况、展单及政策措施 建议［Ｊ］．巾闷能源，２０１ １，３３（０４）：５—９． ［４］刘住，夏红德，陈海生，等．新型液化空气储能技术及其在Ｊｘ【电领域 的应用［Ｊ１工程热物理学报，２０１０，３ｌ（１２）；１９９３—１９９６． ［５］于 ，周玮，孙辉，等．用于风电功率乎抑的混合储能系统及 控制 系统设计［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３１（１７）；１２７—１３３． ［６］肖珉，尚小林，白卫．风光瓦补储能发电系统并网技术研究［Ｊ］．东方 电气评论，２０１２，２６（１）；５６—５９ ［７ Ｊ Ｇ．Ｍ．Ｍａｓｔｅｒｓ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］． Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ．．２００４ ３．３储能系统部分 储能系统的能量容量Ｃ 可以依据笔者在另一篇文章中提出 的方法进行计算… 。电池储能系统的建设成本系数为Ｐ，年运维 成本系数为ｑ。电池储能系统的总成本为： ＝Ｐ‘Ｃ＾・Ｎ＾＋ｑ・Ｃ６‘Ｔ （８） ［８］Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ［ＤＢ／ＯＬ］．（２０１１—０３一Ｏ１） ［２０１ｌ—Ｏ５一Ｏ７］． ［９］叶大均．风能及其利用［Ｊ］．自然杂志，１９８１，４（１）；２０～２４． ［１０］刘胜永，张兴．新能源分布式发电系统储能电池综述ｆ Ｊ］．电源技术， ２０１２，３６（４）；６０１—６０５． 式中，ｖ＾指的是在时问Ｔ内所需要的电池数目，深循环铅酸电池 的寿命约有１０年。 ［１１］李劲彬，李元林．口Ｊ 持续能源发电系统巾储能系统的容量评估计算 ［Ｊ］．陕西电力，２０１２，４０（１１）；２６—２９． 【作者简介】李劲彬（１９８８一），男，湖北鄂州人，５－程师，硕士，主要从事高 压开关设备状态检修技术、新能源技术研究 在分别计算了光伏、风电和储能系统部分的成本以后，风光 可补系统的总成本为： ２６ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
