楼宇风光储联合发电系统容量优化配置

林世宇翁桂萍

（1.福州振源科技开发有限公司，福州 350008；2.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

楼宇风光储联合发电系统容量优化配置

林世宇1翁桂萍2

（1.福州振源科技开发有限公司，福州 350008；2.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

本文针对福州地区某个前期已安装20kW光伏的屋顶发电项目，利用美国NASA气象网站的气象数据，应用HOMER软件和Matlab仿真生成该地区的全年风速和太阳光照强度曲线，考虑离网和并网两种情况，配置了垂直轴风机和蓄电池容量，为该楼宇风光储联合发电系统的规划提供参考。

楼宇风光储；容量优化配置；离网；并网

当前，以能源多元化、清洁化为方向，以优化能源结构、推进能源战略转型为目标，以清洁能源和智能电网为特征的新一轮能源变革正在全球推进［1］。太阳能和风能是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，因此风力发电和光伏发电是21世纪重要的后续能源，将为改善能源消费结构、保护生态环境做出巨大贡献［2］。

根据国家统计局公布的 2012年全国城镇人口和农村人口，按照当年城镇及农村人口人均住房建筑面积，可以估算出我国住宅屋顶分布式光伏装机技术潜力为4.3亿kW，潜在发电量为4276亿kW·h。其中福建城市居民建筑光伏装机潜力为220万kW，发电量潜力为 22.0～25.6亿 kW·h［3］。近几年来，在国家政策的支持下，以屋顶为载体的分布式光伏发电项目已经成为光伏装机容量增长的一个主要方向［4］。

光伏只有在白天有光照的时候发电，晚上由于没有光照则不发电。配置储能虽然可以解决用户晚上用电的问题，但是这将投资很大的储能容量，使得项目造价过高。项目所在地白天风速低，晚上风速高，与太阳辐射形成互补。结合项目所在地的气象条件，将风力发电和太阳能光伏发电结合在一起组成一套楼宇风光储联合发电系统，不仅具有建筑节能等优点，还可以提高联合系统的发电稳定性和供电稳定性。

1 设计依据

该项目前期已安装屋顶光伏容量 20kW，现拟根据已安装的光伏容量配置垂直轴风机和蓄电池容量，组成一套楼宇风光储联合发电系统供该楼负载使用。

1.1 地理条件

该项目位于福建省福州市城区（北纬26.08°，东经119.3°），平均海拔84m。

1.2 气象条件

根据福州市区（北纬26.08°，东经119.3°）的地理位置，在NASA气象网站查询得到该地区的风速和光照强度见表1和表2。

表1 地面50m高度月平均风速/（m/s）（1983—1993）

表2 水平面平均日光照强度/（kW·h/m2/day）（1983—2005）

利用HOMER软件对月平均风速和光照强度进行离散可得全年（8760h）逐时数据，如图1和图2所示。

图1 全年风速曲线

图2 全年太阳光照强度曲线

通过Matlab仿真计算，可估算得该地区水平面年太阳总辐射为4651.56MJ/m2，属太阳能“资源丰富”区；地面 50m高度处年平均风速为 4.36m/s，空气密度为1.176kg/m3，年平均风能密度为94.217W/m，属风功率密度等级1区。

2 设计目标

通过本方案的设计，努力为推动风、光等清洁能源的发展提供指导，并为该地区楼宇风光储联合发电系统的推广提供技术支撑。

根据分布式发电入网的电能质量要求，从并网点电压偏差和电压波动两方面对该项目进行合理规划、设计，以防止投产后的项目对电网安全稳定运行造成影响。整个设计过程中，本项目设计方案突出以下特点:

1）因地制宜，合理选择适合当地气象条件和楼宇建筑结构的垂直轴风机和蓄电池。

2）尽可能多的使用风、光资源，减少储能的投入，以降低系统成本。

3）采用普遍适用于中小容量分布式发电系统的直流母线组网方式，以便后期扩容和控制。

3 设计方案

该楼宇风光储联合发电系统以光伏电池、垂直轴风机和蓄电池为主要电源进行发电，同时配以光伏控制器、风机控制器、并网逆变器等电力电子装置，组成风光储新能源发电系统为楼宇负荷供电。

3.1 并网系统结构

本文采用普遍适用于中小容量分布式发电系统的直流母线组网方式［5］，构建适合该项目的楼宇风光储联合发电系统。系统结构如图3所示［6-7］。

图3 楼宇风光储联合发电系统结构

光伏控制器、风机控制器、DC/DC变换器分别将光伏电池组件、垂直轴风机和蓄电池组发出的电能汇流到直流母线上，经并网逆变器将直流电逆变成交流电供楼宇内的负荷使用，若有剩余电能，则馈入电网。

3.2 联合系统能量调度

风光储联合发电系统的能量调度是在不对电网造成影响的基础上进行的。由于风光发电的随机性和间歇性会对电网的安全运行造成不利影响，因此，为了电网的安全稳定运行，必须先对联合系统与电网之间的交换功率做出约束。

1）交换功率约束

分布式发电系统接入对电网的影响，通常从并网点电压偏差和电压波动两方面进行分析。由于风光发电系统输出的有功功率远大于其输出的无功功率，因此可以忽略无功功率的影响，只考虑有功功率。本文基于该假设对并网点的电压偏差和电压波动进行分析。

（1）电压偏差［8］（Voltage deviation）

并网点的电压偏差δU是指并网点的电压测量值Ure与并网点标称电压UN之差对并网点标称电压的百分数，其数学表达式为

由电力系统知识可知并网点的电压偏差与交换功率的关系为

式中，Pgrid为联合系统与电网间的交换功率，kW；R为系统电阻，Ω；S为短路容量，kVA。

（2）电压波动［8］（Voltage Flactuation）

电压波动是指电压方均根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。通常以额定电压的相对百分数来表示电压变动值，相对电压变动值为

由电力系统知识可知电压波动d与功率波动ΔP的关系为

式中，UN为分布式电源所接入配电网的电压等级。

通过查询电源接入配电网的电压等级即可获得该电压等级所允许的最大电压偏差和电压波动，再根据式（2）和式（4）就可以算出该电压等级所允许的最大传输功率和最大功率波动值。

2）能量调度策略

该楼宇风光储联合发电系统并网运行时的能量调度策略如图4所示。

联合系统首先判断当前风光出力之和（Ppv+Pw）是否满足负荷Pload的需求，若不满足，则储能放电。当储能放电至安全容量下限时仍不能满足负荷需求，此时的不足功率由电网提供。若由于负荷缺额功率过大而导致并网点电压偏差和电压波动越限，则对系统切负荷，以使系统功率平衡；若当前风光出力满足负荷需求，则对储能充电。当储能充电至安全容量上限时仍有多余电能，则多余电能馈入电网。若由于馈入电网的电能过大而引起并网点电压偏差和电压波动越限，则通过卸荷器将多余能量释放，以使系统功率平衡。

图4 楼宇风光储联合发电系统能量调度策略

3.3 设备选型

考虑屋顶承重及该地区的风速特性，选择启动风速低、单机重量小的垂直轴风机；蓄电池采用技术成熟、性价比高的阀控密封铅酸蓄电池。垂直轴风机和蓄电池的型号及其主要参数见表3和表4。

表3 垂直轴风机型号及其主要参数

表4 蓄电池型号及其主要参数

3.4 基本负荷

当楼宇风光储系统脱离电网，即发生孤岛情况时，发电系统必须保证系统内基本负荷的正常供电。本文假设系统的离网基本负荷为50.15kW·h，并假设该基本负荷全天24h运行，可得负荷的平均功率为2.1kW。

3.5 配置方法

为精确配置垂直轴风机和蓄电池容量，本文采用遍历搜索法进行求解，主要步骤如图5所示。其中，虚线框内的过程为并网配置中并网点电压偏差和电压波动的约束。

图5 垂直轴风机/蓄电池容量配置流程图

本文在配置离/并网两种情况下的储能容量时采用如下原则:

1）离网情况下，为了保证负荷的可靠供电和储能装置的安全可靠使用，此时储能容量的配置必须考虑风光发电功率不满足负荷需求的情况以及风光发电功率超过负荷需求的情况。离网情况下的储能容量配置原则为:分别计算风光发电功率连续不满足负荷需求的最大缺额容量和风光发电功率连续超过负荷需求的最大剩余容量，选择二者中的最大容量作为储能最大容量。

2）并网情况下，当联合系统接入使得并网点电压偏差或电压波动越限时，需要通过储能充放电来补偿或吸收额外的功率，从而使入网功率满足并网要求。

4 优化配置结果与分析

根据所选垂直轴风机、蓄电池以及项目前期已安装的20kW光伏，结合系统基本负荷对该楼宇风光储发电系统做离网容量优化配置和并网容量优化配置。仿真计算过程中，风光发电系统效率取0.85，储能充放电效率取1。

4.1 离网优化配置

图6所示为联合系统离网优化配置结果。从图6可以看出，随着垂直轴风机数量的增加，储能容量先减少后增加，存在一个储能容量最低点。这是因为前期风机数量少的时候，风光发电功率不能满足负荷需求，此时需要储能系统释放能量进行补偿。风机数量越少，储能系统释放的能量也就越大，即储能容量越大。由于光伏发电功率固定，随着风机数量的增加，风光出力之和逐渐增大并不断满足负荷需求，此时储能容量也随之减少；当风机数量超过一定值后，储能容量又随之逐渐增大，这是因为随着风机数量的增加，风光发电功率不断超过负荷的需求，系统剩余能量越来越多，此时所需的储能容量也就逐渐增大。

图6 CXF300A风机与储能配置

由于储能设备受运行环境影响较大［9］，其实际使用寿命较短，为了降低系统投资成本，需减少储能投资成本。从图6可以看出，在风机数量为9时储能容量最小，约为102.6kW·h，则联合系统的离网容量配置结果见表5。

表5 离网容量配置结果

4.2 并网优化配置

不同系统短路容量（并网点）下联合系统的容量配置不同。本文取50kVA至10MVA的系统短路容量进行配置，配置结果见表 6。其中，当接入风机数量少于表中所列数量时无需配置储能。

表6 不同短路容量下垂直轴风机/蓄电池配置结果

以 500kVA的系统短路容量为例，可知当风机数量小于57台时，联合系统无需配置储能。这是由于风机接入数量小于57台时，联合系统与电网之间的交换功率和功率波动在允许范围之内，此时风光发电系统接入对并网点的电压偏差和电压波动没有影响。

此外，从表6可以看出，系统短路容量越大，电网允许接入的风机数量也越多。这是由于随着系统短路容量的增大，联合系统与电网之间的交换功率和功率波动限值也就越大，在光伏发电功率固定情况下，允许接入的风机数量也就越多。考虑屋顶面积和承重限制，针对不同系统短路容量可以选择对应的风机接入数量。

5 结论

本文针对福州地区某个前期已安装20kW光伏的屋顶发电项目，利用NASA提供的日照辐射和风速资料，应用HOMER软件和Matlab仿真生成该地区全年风速和太阳光照强度曲线，考虑离网和并网两种情况，配置了垂直轴风机和蓄电池容量。仿真结果表明:①离网情况下，垂直轴风机和蓄电池容量存在一个最低点，该点下的蓄电池容量最小，可作为离网参考配置；②并网情况下，并网点短路容量越大，电网允许接入的垂直轴风机数量也越大，同时所需的蓄电池数量也越小。根据本文的配置结果，可以为该楼宇风光储联合发电系统的规划提供参考。

［1］国家电网公司“十二五”电网发展规划.

［2］张伯泉，杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势［J］.中国电力，2006，39（6）：65-69.

［3］能源观察网.http：//www.chinaero.com.cn/zxdt/djxx/ ycwz/2015/01/ 147427.shtml； 2015.1.20.

［4］李思岑，杜威，严中亮.1MWp屋顶光伏并网系统设计与分析［J］.山西电力，2013，4（4）：4-8.

［5］Boroyevich D，Cvetkovic I，Dong D，et al.Future electronic power distribution systems：A contemplative view-2010［C］//The 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment，2010：1369-1380.

［6］Yang Hongxing，Lu Lin，Zhou Wei.A novel optimization sizing model for hybrid solar-wind power Generation system［J］.Solar Energy，2007，81（1）：76-84.

［7］梅生伟，王莹莹，刘锋.风-光-储混合电力系统的博弈论规划模型与分析［J］.电力系统自动化，2011，35（20）：13-19.

［8］肖湘宁，韩民晓，徐永海，等.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［9］Dufo-López Rodolfo，Lujano-Rojas Juan M，Bernal-Agustín José L.Comparison of different lead-acid battery lifetime prediction models for use in simulation of stand-alone photovoltaic systems［J］.Applied Energy，2014，115：242-253.

Capacity Optimization and Configuration for Building Wind/PV/Storage Hybrid Power Generation System

Lin Shiyu1Weng Guiping2
（1.Fuzhou Powersource Technology Development Co.，Ltd，Fuzhou 350008；2.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116）

This paper based on an installed 20kW photovoltaic power generation project，using the meteorological data of NASA's meteorological sites and software of HOMER and Matlab to obtain annual curve of global solar and wind speed.Then considering the situation of off-grid and on-grid to configure the capacity of vertical axis wind turbine and battery，provides a reference for the planning of building wind/PV/storage hybrid power generation system.

building wind/PV/storage hybrid power generation system；capacity optimization and configuration；off-grid；grid-connected

林世宇（1979-），男，福州振源科技开发有限公司工程师，从事配电自动化系统、新能源监测等工作。