光伏联合发电系统的规划及地理选址

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光伏联合发电系统的规划及地理选址 *严干贵 1，谭鑫 1 ，李军徽 1 ，王泽辉 1，高洋 2（ 1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012；2．国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林辽源 136200）摘要当前资源短缺的形势日益严峻，寻找新能源替代传统能源迫在眉睫，太阳能因清洁、资源丰富等特点成为了目前各国研究的热点能源。针对光伏发电系统与风电的互补性和电源规划的问题，文章介绍了由光伏发电与其他发电相结合形成的光伏联合发电系统，讨论了光伏联合发电系统的结构和特点，在混合动力系统仿真软件 HOMEＲ的基础上建立光伏联合发电系统模型；计算系统总净成本（ TNPC）然后对其进行经济性规划分析，从而找出最优配置来对系统进行规划；在地理选择方面，文中则是根据资源条件和气象数据找出更适用于光伏联合发电系统的地理位置。关键词光伏；联合发电； HOMEＲ；规划；配置；地理选择中图分类号 TM93 文献标识码 B 文章编号 1001 － 1390（ 2015） 20 － 0015 － 05Programme and geography location of photovoltaic hybrid power generation systemYan Gangui1， Tan Xin1 ， Li Junhui1， Wang Zehui， Gao Yang2（ 1. Institute of Electrical Engineering， NortheastDianli University， Jilin 132012， Jilin ， China ． 2． Power SupplyCompanyof Liaoyuan， State Grid of Jilin Electric Power Supply Company， Liaoyuan 136200， Jilin ， China）Abstract As the current situation of the shortageof resourcesis becomingincreasingly rigorous， it is extremely urgentto look for a new energy resourceto replace the traditional resources ．And the solar power resourceis becoming a hots-pot for its advantagesof clean and abundant resources ．In view of the complementarity between photovoltaic powergeneration systemand wind power generation system and the problem of power source planning， the paper discussesthe characteristics and structure of photovoltaic hybrid power generation systemand sets up a photovoltaic hybrid powergeneration systemmodel on the basisof the hybrid systemsimulation software HOMEＲ； then it calculates the total netcost of the system and analyzesthe economic planning to find the optimal configuration for system progrmme． In termsof geographylocation， this paper finds a moresuitable geographylocation to build photovoltaic hybrid power generationsystemaccording to the resource condition and meteorological data ．Keywords photovoltaic， power hybrid generation， HOMEＲ， planning， configuration， geographylocation* 基金项目国家 863 计划资助项目（ 2011AA05A112 ）；吉林市科技发展计划项目（ 201464038 ）；国网吉林省电力公司科技开发项目 “ 吉林省太阳能发电出力特性研究 ” （ 2013220202000336 ）0 引言当今社会资源紧缺，环境污染问题严峻，使得传统能源发电越来越受到阻碍，寻求一种新型能源结构来解决以上两大问题成为目前的首要目标。新能源包括太阳能、风能、生物能、核能、潮汐能等，其中，太阳能作为新型的清洁可再生能源逐渐受到了人们的关注，同时以其资源丰富、可利用性强等优点得以被各国研究或应用［ 1］。通过光伏电池板的光生伏打效应将太阳能转换为电能形成了光伏发电，将光伏发电系统同传统发电系统或其他新型发电系统相结合也可称为光伏联合发电系统［ 2］，这种发电系统既节省了传统化石燃料等一次能源，又没有污染环境，是新兴的一种发电形式。相信光伏联合发电系统会随着科技的进步得到进一步的发展。然而，由于目前光伏电池材料昂贵，电池制造成本较高，所发出的电量仅占传统能源发电的少数，电价过高没有得到51第 52 卷第 20 期电测与仪表 Vol ． 52 No． 202015 年 10 月 25 日 Electrical Measurement ＆ Instrumentation Oct ． 25， 2015大众的认可从而没有大规模推广［ 3］，这样就促使我们寻求更经济的材料或新型的发电方式来缓解以上问题。目前用于规划的软件有 HOMEＲ， hybrid2、PVsyst等，为了使得光伏联合发电系统可以得到广泛应用，更适应当前经济型社会，本文选用 HOMEＲ软件对离网光伏联合发电系统进行了经济性仿真和分析，从而找到最优的结构配置使得其更适用于电网发展和社会趋势，而且并网光伏发电系统也可以从中借鉴。1 光伏联合发电系统规划研究光伏联合发电系统是由光伏发电结合其他发电系统构成的一种新型的发电系统。在工程实施之前，光伏联合发电系统的规划研究是必不可少的。目前国内外常用的可再生能源规划模型基本都上是延用能源规划模型或者国家规划模型［ 4］。普遍应用的规划模型都比较复杂，运算起来难度非常大，基于以上种种原因，各个国家的实验室都在研究一种可以将规划过程简单化，操作方便的软件来实现规划研究。南昌大学的实验室在 C 的基础上研究开发了一种适应于分布式光伏发电的一种仿真平台［ 5］，美国 NＲ EL实验室也相继研究出了 HOMEＲ、Hybrid2 、 PVsyst 等软件都是为了解决规划复杂的问题。在众多的规划软件中，本文选用了 HOMEＲ软件作为仿真平台，在 HOMEＲ的基础上对光伏联合发电系统进行规划设计，并对适合光伏联合发电系统的地理位置进行选择。本算例研究选择的系统并没有并网，这种单独式非并网的小型分布式发电更能适应社会发展，这对日后研究分布式发电提供了更多的理论支持。2 光伏发电系统规划仿真过程及方法由于光伏联合发电系统的应用还未得到推广，所以在这之前就要对其经济性进行研究，以达到更好的经济效果来适应社会的发展。在电力系统研究方面有众多的仿真软件，如 PSCAD、 Matlab、 HOMEＲ，Hybrid2 ， PVsyst 等等。其中， HOMEＲ作为一种专门进行电力系统经济性分析的软件在实际工程中的作用尤为突出；而另一种专业电力系统规划软件 Hybrid的应用则较为麻烦，需要在操作中设置的参数也较多，具体的过程这里并不赘述，其他的电力系统仿真软件都是对既有系统本身的运行及性能的实现，本文则主要是对电力系统的规划及经济性的研究，从而使用的是 HOMEＲ软件来实现规划。2． 1 光伏联合发电系统结构HOMEＲ（ hybrid optimizationmodel of energyrenew-able）是由美国 NＲ EL实验室开发的一种以经济性研究为主的电力系统仿真软件，可用于新能源开发的经济性分析和系统最优配置的选择。 HOMEＲ以其方便、简单的特点在各个方面都有所应用，尤其是在工程实施之前对系统的经济性规划。本文就通过 HOMEＲ仿真来研究光伏发电联合系统的经济性问题并实现最优配置的选择。本文所要研究的光伏联合发电系统的构架模型如图 1 所示，应用 visio 画出的相应光伏联合发电系统的电气接线图，如图 2 所示。图 1 光伏联合发电系统模型Fig ． 1 Photovoltaic hybrid powergeneration systemmodel图 2 光伏联合发电系统电气接线图Fig ． 2 Electrical wiring diagram of photovoltaic（ pv） hybrid power generation system光伏联合发电系统的规划就是要在满足负荷增长和系统安全运行的条件下，使得发电系统总成本最小为目标函数。min f（ x， y）P ≥ αQ（ x， y） ≤{ 0（ 1）式中 f（ x， y）是系统的经济成本，约束条件 P 不能小于各项最低指标 α ， Q（ x， y） ≤ 0，为线路约束，具体的61第 52 卷第 20 期电测与仪表 Vol ． 52 No． 202015 年 10 月 25 日 Electrical Measurement ＆ Instrumentation Oct ． 25， 2015值在规划中按要求设定。本文所研究的就是在发电系统总成本最小的前提下，系统的最优配置问题。2． 2 参数设置介绍并搭建出光伏联合发电系统的模型之后，接下来要对系统的各个元件参数进行设置，光伏电池板的容量为 1kW ，之所以选择小容量的光伏电池，首先是因为成本低，再者是它可以利用在分布式发电中的应用；成本费为 7000 美元，更换成本费为6000 美元，运行维修费为 0 美元 /年，；风机选择的型号为 BWC XL． 1，在 details 中有对每个风机型号的性能的介绍，其特性曲线如图 3 所示。图 3 BWC XL． 1 型风机的特性曲线图Fig ． 3 Characteristic curve of BWC XL． Type 1 fan由图可知，当风速达到 13m /s 时，风机的输出功率达到顶峰，即此风机的切入风速为 4m /s，切出风速为 13m /s，选择数量为 1 个，成本费为 3900 美元，更换成本费为 3900 美元，运行维修费为 100 美元 /年；蓄电池的型号为 Trojan L16P，在需要考虑的数量中分别设置 0、 6、 12、 18、 24、 32、 40 个；负荷设置为交流负载，在 baseline data 栏中设置所要研究地区的每天24 个时段的负荷数据， HOMEＲ会自动生成负荷柱状图，如图 4 所示。图 4 24 个时段的负荷数Fig ． 4 Loads for 24 hoursConverter 逆变器的设置如下容量为 1kW，成本费为 750 美元，更换成本费为 750 美元，运行维修费为 0 美元 /年，所需考虑数量的输入为 0、 1、 2、 3、 4；发电机参数的设置为容量是 2． 6kW，成本费为 900 美元，更换成本费为 900 美元，运行维修费为 0． 04 美元 / 年。以上就是对系统结构中的每个元件参数的设置，如表 1 所示。表 1 系统参数设置Tab． 1 Systemparameters光伏电池 /kW风机 /台电池 /个逆变器/kW发电机/kW容量 /数量 1 1 1 1 2． 4成本费 / 7000 3900 220 750 900更换成本费 / 6000 3900 220 750 900运行维修费 /（ /y） 0． 000 100 4 0． 000 0． 04下面将由所要研究地区的气象数据进行资源的设置。由于系统中包括太阳能和风能，所以我们所需的数据为光辐射强度和风速。太阳能资源的设置首先要输入所研究地区的经纬度，本文采用的经纬度为北纬43° 20 、东经 125° 59 ，时区选择格林威治 8 时北京时间，输入一年中 12 个月的光辐射强度 HOMEＲ软件会自动生成晴空指数及太阳能资源曲线图，如图 5所示；风能资源的设置亦是如此，首先输入月平均风速，得到风能资源分布图，如图 6 所示。图 5 太阳能资源曲线图Fig ． 5 Solar energy resource graph图 6 风能资源分布图Fig ． 6 Wind energy resourcesdistribution2． 3 仿真结果及分析对系统模块参数的设置基本结束，但是我们可以注意到在输入参数的过程中，并不是每一项都进行设置，这是因为在一般情况下其他的数值如经济设置、排放物设置等都可以由系统默认。如要对这71第 52 卷第 20 期电测与仪表 Vol ． 52 No． 202015 年 10 月 25 日 Electrical Measurement ＆ Instrumentation Oct ． 25， 2015些问题进行研究，则可以根据需要适当的输入数值，本文中并未涉及到有关这些问题的研究，所以选择默认值。这样，点击可以开始运行系统，经过几分钟可得下面图 7 的结果图。从图 7 中我们可以看出系统计算得出了四种最优方案，包括 Wind /Gen /Batt ， Gen1/Battery， Wind /PV /Gen1 /Batt， PV /Gen1 /Batt 。在这四种方案中，符合本文要求的配置方案为 Wind /PV /Gen1 /Batt 和PV /Gen1 /Batt 这两种系统配置。具体的配置应用视实际情况而定。所以从以上结果中我们可以看出引入 HOMEＲ软件通过仿真来实现系统的最优配置是非常有效且使用的；并且光伏联合发电系统虽然是由光伏发电配合一些新能源和传统能源构成的联合发电系统，但其并不仅仅局限于光伏发电或传统发电，在发电的过程中，两者配合发电既节省了资源又在极大程度上减缓了环境的污染程度。图 7 仿真结果图Fig. 7 Ｒ esultsof simulation2． 4 灵敏度分析从图 7 中我们可以发现横坐标代表的是太阳能辐射强度，纵坐标代表的是风速，之所以将两者设置为横、纵坐标，这就要引出 HOMEＲ的灵敏度分析功能。由于在不同的敏感变量下，系统的最优配置亦有所不同，所以 HOMEＲ不仅可以在基础程度上进行系统经济最优配置，还可以通过设置敏感系数来分析在敏感变量变化的情况下系统的最优配置如何。本文中，将光辐射强度和风速设置为敏感变量，目的是研究在不同的光辐射强度和风速下系统的最优配置是怎样的。光辐射强度的敏感变量设置如图 8 所示，风速变量设置如图 9 所示。本文分别设置了 7 个敏感变量，旨在找出在这些不同参数的情况下系统的最优配置。敏感变量的问题解决了，接下来就是选择哪种系统配置来满足当地的实际条件。图 8 光辐射强度敏感变量Fig.8 Intensity sensitivevariablesof optical radiation图 9 风速敏感变量Fig. 9 Wind velocity sensitive variable3 地理选择从图 7 中，我们可以发现在不同的光辐射强度和风速下对应着不同的系统配置，那么到底应该选择哪种配置来进行实际工程就要取决于所在地区的资源条件和气象数据。由于各地区的经纬度不同，导致资源环境、自然条件都有所差异。所以对于适用于光伏联合发电系统的地理位置选择就尤为重要。由图可知， Wind /PV /Gen1 /Batt 和 PV/Gen1 /Batt 这两种系统配置是在光辐射强度变化范围为 4． 5 ～6. 5kWh /m 2 /d 之间，风速的变化范围则是 4 ～ 5m /s，这就说明了光伏联合发电系统在这样的资源条件下才会得以长期的可持续发展。这样在实际工程中就可根据当地的气象、资源数据选择适当的系统配置。最后本文列出了仿真出的系统的各种组合方案以及有关两个敏感变量的组合如图 10 所示，通过选择所需数据可得在此敏感数据下的组合方式以及Total NPC（总净成本）等数据［ 6 － 16］。81第 52 卷第 20 期电测与仪表 Vol ． 52 No． 202015 年 10 月 25 日 Electrical Measurement ＆ Instrumentation Oct ． 25， 2015图 10 配置组合成本及敏感变量分析表Fig ． 10Analytical statementof configurationcombinationcostand sensitivevariable4 结束语文中充分利用了 HOMEＲ软件的特性，从经济的角度分析了光伏联合发电系统的规划方案和最优配置得到最终的仿真结果。通过敏感变量的设置找到在不同资源条件的情况下系统配置是怎样变化的，并且，在工程建设初期的地理位置选择中也可以采用这种方式，根据当地的资源条件和气象数据来选择适合的最优配置方案。同时，光伏联合发电系统也可以建立在并网的前提下的，接入的电网可以假设为配电网，由于本文采用的光伏发电元件容量较小，这非常适用于分布式光伏发电接入配电网的问题研究。相信在不久的将来光伏联合发电系统的应用会更加广泛，随着光伏发电的逐渐热门极其研究方向也在不断的扩展，仅仅从经济性的角度来分析系统规划是远远不够的，要想使得系统能够适应社会需求，还要从技术的角度出发从根本上挖掘系统规划方案，这一方面还有待研究以寻求全面的解决方法。参考文献［ 1］亓伟，耿世彬，等．基于 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），男，硕士，主要研究方向为配网自动化、电力系统分析与运行控制。Email 363095802 qq． com余涛（ 1974 ），男，汉族，教授，博士生导师，主要研究方向为复杂电力系统的非线性控制理论和仿真、智能控制算法等。 Email taoyu1scut ．edu． cn收稿日期 2014-08- 16 ；修回日期 2014-11-13（刘爽编发）（上接第 19 页）［ 14］ Kansara B． U， Parekh B．Ｒ． Modelling and simulation of distributedgeneration system using HOMEＲ software ．International Conference onＲ ecentAdvancements in Electrical［Ｒ］． Electronics and Control En-gineering， 2011 328 － 332．［ 15］ Yadav D． K， Girimaji S． P， Bhatti T． S． Optimal hybrid power sys-tem design using HOMEＲ［ J］． IEEE ， 2012 43 － 47．［ 16］Ｒ azakN． A． A， Othman M． M， Musirin I ． Optimal sizing and oper-ational strategy of hybrid renewable energy system using HOMEＲ［Ｒ］． The 4th Power Engineering and Optimization Conference， MA-LAYSIA ， 2010 495 － 501．作者简介严干贵（ 1971 ），男，江西鹰潭人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子技术、新能源发电等。Email yanggmail ． nedu． edu． cn谭鑫（ 1990 ），女，吉林辽源人，在读硕士研究生，研究方向为光伏发电。Email tanxin1990510 163． com李军徽（ 1976 ），男，陕西宝鸡人，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术及储能技术。 Email 11812029 qq． com王泽辉（ 1988 ），男，吉林省吉林市人，在读硕士研究生，研究方向为光伏发电运行研究。 Email 258069961 qq． com高洋（ 1988 ），男，吉林四平人，本科。 Email 619993835 qq． com收稿日期 2014 － 08 － 11 ；修回日期 2014 － 10 － 09（杜景飞编发）62第 52 卷第 20 期电测与仪表 Vol ． 52 No． 202015 年 10 月 25 日 Electrical Measurement ＆ Instrumentation Oct ． 25， 2015