蓄电池容量对离网风电-网电互补供电系统性能的影响

王泽生，甄宏巅，梁启才，侯宇杰，段 野，马婉璐

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

能源与机械

蓄电池容量对离网风电-网电互补供电系统性能的影响

王泽生，甄宏巅，梁启才，侯宇杰，段 野，马婉璐

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

以某地区两个年份的气象数据为依据，采用模拟和实验的方法，在建立离网风电-网电互补供电系统控制及运行模型的基础上，研究了蓄电池容量对3,kW互补供电系统性能的影响，结果表明：在保证风电/网电最小时间间隔切换的最小蓄电池容量情况下，随着蓄电池容量的增加，风能利用率和风电/网电供电时间比变化很小，但供电成本增加明显．

离网风电；互补供电；蓄电池容量；风能利用率；发电成本

离网风电-网电互补供电系统既可以充分利用当地的风能资源，又可以解决风电间隙性、随机性、突变性的缺点[1]，是拓展离网风电应用的一个新设想．目前，有关离网风电-网电互补供电的研究较少，朱益飞[2-3]提出了小功率风力发电技术在油田生产中的应用方案，因不设蓄电池，故风能利用率较低；齐保良[4]提出了一种风液-电液互补的液压抽油机，但系统中蓄能器的选择和配置代价过高；西安宝美电气工业有限公司提出一种抽油机风电与网电互补节能系统的实用新型专利；叶会华等[5-7]针对抽油机离网风力互补供电系统的设备优化配置、控制策略及模拟实验等进行了全面的理论及实验研究，但均未探讨蓄电池容量对互补供电系统性能的影响；葛彬彬等[8]对三种典型的负载以及不同容量的铅酸蓄电池下的独立光伏系统工作情况进行了模拟分析．本文从风能利用率、风电/网电供电时间比、发电成本等方面，采用数值模拟和实验研究的方法，探讨蓄电池容量对离网风电-网电互补供电系统性能的影响．

1 离网风电-网电互补供电系统

1.1 设备组成及工作原理

系统主要由风力发电机、智能控制器、蓄电池组、逆变器、电源切换控制器以及信号检测等设备组成[7]．风力发电机输出电能，经整流器转换为直流电，由智能控制器控制，或对蓄电池充电，或经卸荷电阻箱卸载．蓄电池输出直流电，经逆变器转换为交流电，由电源切换控制器根据控制策略为交流负载供电，或由网电为交流负载供电，而信号检测控制器则为智能控制器和电源切换控制器提供控制依据．为延长蓄电池使用寿命，设两组蓄电池，一组负责供电的同时，与之具有相同容量的另一组则处于充电过程．

1.2 控制策略

智能控制器可采用常规离网风力发电系统的控制策略．为延长蓄电池寿命以及避免风电/网电的频繁切换，电源切换控制器采取如下控制策略：①风电/网电到网电/风电的切换应有最小时间间隔限制，防止风电/网电的频繁切换对电网稳定性的影响；②当蓄电池放电程度高于其最大放电深度时，应由风电切换为网电供电，同时风电为蓄电池充电；③在网电供电时，应使蓄电池充满后，再由网电切换为风电供电，以延长蓄电池的寿命．

2 数值模拟模型

以某地风速气象数据为基础，模拟离网风电-网电互补供电系统以10,min为步长的全年供电情况，并统计全年的风能利用率、风电/网电供电时间比和发电成本，如图1所示．

图1中，最小蓄电池容量Cmin(A·h)、每10,min风电发电量Ww(kW·h)、每10,min风电有效发电量Ww,l(kW·h)、全年风能利用率ηw(%)、年发电成本M(元/(kW·h))由式(1)至式(4)确定．

图1 模拟程序框图

式中：ηout1、ηout2分别为蓄电池经逆变器及传输线路的转换效率和风电经整流器的转换效率，由实验确定；M1、M2和M3分别为风力发电机组年均发电成本、网电供电年均成本和环境治理年均成本，元；S为风力发电机组的购置成本，元；X为蓄电池组购置成本，元；α1为设备运输、安装以及建筑费用系数，按设备成本的15%计算；α2为电控系统成本费用系数，按设备成本的10%计算；α3为设备残值费用系数，按设备成本的5%计算；α4为设备年运行维护、人工费用系数，按设备总投资的10%计算；n为设备服务年限，取25,a；Wnet为网电耗电量，kW·h；Snet、Sin分别为当地民用电价和单位网电量所需环境治理成本，取0.49和0.289，元/(kW·h)．

3 实验装置

实验系统如图2所示[6-7]，其中模拟风力发电机部分由变频器1、电动机2、转矩传感器3和发电机4组成．本实验研究包括两个方面：一是确定风力发电机功率曲线[6]，二是确定转换效率ηout1和ηout2[7]．

4 结果与分析

4.1 模拟条件

模拟条件及实验设备基本参数见表1．

图2 离网风电-网电互补供电实验系统

表1 模拟条件与实验设备基本参数

4.2 模拟结果与分析

模拟结果如图3-5所示．由图3-4可以看出：在相同蓄电池容量(高于最小蓄电池容量)时，随负载功率的增加，风能利用率增大，而风电/网电供电时间比却明显减小；但在确定的负载功率情况下，随蓄电池容量的增加，风能利用率及风电/网电供电时间比的增加率较小，且当负载功率较大时，则基本不变．这是因为在确定的蓄电池容量下，随负载功率的增加，卸载的风能必然减小，因而风能利用率增大，同时由于在确定气象条件下，风能发电量不变，网电消耗必然增加，所以风电/网电供电时间比明显减小；而在确定的负载功率情况下，随蓄电池容量的增加，卸载风能减少量的增加较为缓慢，尤其是在负载功率较大时，卸载的风能减少量基本不变，所以风能利用率及风电/网电供电时间比的增加率较小，甚至基本不变．

图5表明，随着蓄电池容量的增加，供电成本明显增加，且负载功率越小，成本增加速率越大．蓄电池容量的增加固然可以提高风能利用率和风电/网电供电时间比，减少网电耗电及其成本，但无法抵消由蓄电池投资的增加而导致的供电成本的明显增加；而且负载功率越小，减少的网电耗电及成本越少，供电成本增加速率会明显增大．显然，离网风电-网电互补供电系统，尤其是风力发电机的设计功率应考虑与负载功率相匹配．

图3 蓄电池容量对风能利用率的影响曲线

图4 蓄电池容量对风电/网电供电时间之比的影响曲线

图5 蓄电池容量对供电成本的影响曲线

5 结 论

(1)离网风电-网电互补供电系统，尤其是风力发电机的设计功率应考虑与负载功率相匹配，避免风力发电机设计功率过大，否则会造成风能利用率过低和供电成本过高．

(2)蓄电池容量对离网风电-网电互补供电系统的性能具有重要的影响，应依据当地气象条件及负载情况进行优化设计．

(3)由于在保证风电/网电最小时间间隔切换的最小蓄电池容量情况下，随着蓄电池容量的增加，风能利用率和风电/网电供电时间比变化很小，但供电成本增加明显，所以系统应选择略高于最小蓄电池容量的电池组，以便在保持系统稳定运行的情况下，既合理利用了风能，同时又保证了系统成本保持在较低水平．

［1］ 徐学根．浅析风电优先风网互补供电系统在分布式风电领域的运用[DB/OL].[2014-08-28]． http://3y.uu456. com/dl-681d71b16sce0s087632136f-1.html.

［2］ 朱益飞. 小功率风力发电技术在油田生产中的应用及效益分析[J]. 电力需求侧管理，2010，12(5)：42-45．

［3］ 朱益飞. 小功率风力发电技术在油田生产中的应用[J]. 变频器世界，2010(10)：61-63．

［4］ 齐保良，杨宝昆，高 鹤．风电互补液压抽油机的设计[J]. 液压与气动，2010(12)：72-74．

［5］ 付 兵，叶会华，陈 楠，等．基于抽油机的离网风力供电系统的仿真研究[J]. 山东理工大学学报：自然科学版，2012，26(1)：41-45．

［6］ 唐志诚，叶会华. 基于风-网互补供电试验的风力机模拟研究[J]. 天津城市建设学院学报，2013，19(1)：51-54．

［7］ 叶会华，杨 龙，高 滨，等. 离网风电-网电互补的模拟供电试验[J]. 天津城市建设学院学报，2014，20(1)：36-40．

［8］ 葛彬彬，徐 林，刘 洪，等．不同类型负载下蓄电池容量对独立光伏系统的影响分析[J]. 蓄电池，2013，50(3)：126-130．

（编辑校对：胡玲玲）

Influence of Battery Capacity on the Performance of Off-grid Wind Power-grid Power Hybrid Power Supply System

WANG Ze-sheng，ZHEN Hong-dian，LIANG Qi-cai，HOU Yu-jie，DUAN Ye，MA Wan-lu
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

The model for control and operation of off-grid wind power-grid power hybrid power supply system is established. On the basis of the two years’ meteorological data in a certain area, the influence of battery capacity on 3 kW hybrid power system performance is researched with the methods of numerical simulation and experiment. The results show that as the minimum battery capacity for wind power/grid power minimum interval switch is guaranteed, the changes of the utilization rate of wind energy and the supply time ratio of the wind power to grid power are very small, but the cost of power supply significantly increases with the increase of battery capacity.

off-grid wind power；hybrid power supply；battery capacity；utilization rate of wind energy；cost of power generation

TM614

A

2095-719X(2014)05-0342-04

2014-09-04；

2014-10-16

天津市科技支撑计划项目(10ZCGYG02000)；国家大学生创新创业训练计划项目(201310792005)

王泽生（1964—），男，天津人，天津城建大学教授，硕士．