上海风/光互补电动汽车充电微电网可行性研究

马宪国 汤 羹

上海理工大学能源与动力工程学院

上海风/光互补电动汽车充电微电网可行性研究

马宪国 汤 羹

上海理工大学能源与动力工程学院

上海全年风能和太阳能统计数据显示风能与太阳能具有很好的互补性。风能发电、太阳能光伏发电、电动汽车可形成独立微电网，互相弥补不足，实现对新能源发电的就地利用，避免两者接入大电网所产生的诸多问题。含电动车的风、光互补微电网系统不仅能够通过电动车作为储能系统来平衡微电网系统的不稳定性，同时电动汽车在独立微网中的充电利用可以真正做到绿色、环保、节能，大大减少交通行业对石油等矿物能源的需求和依赖。

风能；太阳能；微电网；系统匹配

风能发电、太阳能光伏发电、电动汽车可形成独立微电网，互相弥补不足，实现对新能源发电的就地利用，避免两者接入大电网所产生的诸多问题。含电动车的风、光互补微电网系统不仅能够通过电动车作为储能系统来平衡微电网系统的不稳定性，同时电动汽车在独立微网中的充电利用可以真正做到绿色、环保、节能，大大减少交通行业对石油等矿物能源的需求和依赖。

1 上海的风能和太阳能资源

上海日照充足，全年日照时数为1825～2080h，年日照时数最多达2 277 h（1967年），最少为1 459 h（1948年）。可获得最大太阳能辐射量的全年最佳倾角为23°。

上海市太阳能辐射月平均值如图1所示。

图1 上海太阳能辐射月平均值

上海地处长江三角洲南端，东濒东海，地势较低平，冬、夏季风均可以直接贯穿全境，风的季节性变化规律为：春季最强、冬季次之、秋季第三、夏季最弱。

图2为上海50 m高空处风速月平均值及风能密度月平均值。

图2 上海风速与风功率密度月平均值

从图1、图2中可以看到，上海的风能和太阳能资源具有较好的以月为单位的时间互补性。

上海白天太阳光照强，太阳能资源丰富，风速较小；夜晚无光照，风速较大。图3为上海典型日风能和太阳能资源分布。

因此，上海的风能和太阳能按月以及按小时分布均具有很好的互补性。对于全年来讲，夏季太阳辐射大，风能较低，冬季太阳能辐射量小而风能资源丰富。

2 风力与太阳能发电的互补性

图3 上海风能和太阳能资源24 h分布

风力发电机组选用额定功率为3 kW的低风速启动风机，适用于上海平均风速不大的气象条件。通过上海地区年平均风速统计数据，经计算可得到全年单台风力发电机的发电量，以及单台风力发电机24 h的发电功率。

根据上海地区全年8 760 h的太阳能辐射量统计数据，经计算可得到单位平方米光伏电池的年发电量，以及光伏电池板24 h的发电功率。

将上述风力发电机组和光伏发电系统的年发电量变化曲线和24 h功率输出的变化曲线绘制在一起，可得到单台风机和单位面积光伏发电系统年发电量和24 h发电功率。见图4和图5。

图4 单台风机和单位面积光伏发电系统年发电量

图5 单台风机和单位面积光伏发电系统24 h发电功率

从图中可以看出，上海风力发电和太阳能光伏发电在季节和时间上存在较好的互补性。太阳能辐射春夏季较高，秋冬季较低，风能资源季节分布则正好相反。风力发电机组夜晚发电较多，光伏电池组件昼间发电，夜晚不发电，因此将二者结合有利于充分利用清洁能源和提高供电系统的稳定性。

3 风电与太阳能发电的容量匹配问题

风能和太阳能发电的不连续与不稳定对负荷有很大的影响，可靠性是供电系统的重要性能指标。风光互补微电网系统用全年负载缺电率（LPSP）作为系统可靠性指标，定义是系统停电时间与供电时间的比值，其值介于0～1，值越小则可靠性越高。LPSP为0意味着任何时间负载都能够被满足。

将全年负载缺电率（LPSP）设置为0，即可靠性为100%，按要求设定每天负载所需功率的变化范围，经模拟计算可以得到所有满足负载要求的系统容量配比，见图6。图中显示的是平均负载为2 500～3 200 kW时，所有满足负载要求的系统容量配比曲面图。其中，X轴坐标为系统所需负载容量，Y轴坐标是全年光伏发电量，Z轴是全年风力发电量，曲面上的点代表满足某种负载要求的容量配比。

从图6中可以查到，当平均负载为2 500 kW时，需太阳能光伏电池1 791 m2，3 kW风力发电机组51台，光伏电池全年发电量为150万kWh，风力机组全年发电量为69万kWh，系统全年总发电量219万kWh，风力发电量占光伏发电量的0.46。

系统中风力机组和光伏电池的月发电量见图7。

图6 系统容量配比

图7 风力发电机组和光伏电池月发电量

4 结语

上海风力发电和太阳能光伏发电在季节和时间上存在互补性。太阳能辐射春夏季较高，秋冬季较低，风能资源的季节性分布则正好相反。昼夜之间风力资源和太阳能资源同样存在互补性，风光互补微电网系统能够充分利用风能和太阳能，将两者结合在一起建立电动汽车充电微电网，不仅能通过电动车蓄电池作为储能系统来平衡微电网系统的不稳定性，而且能实现新能源发电的就地利用，避免两者接入大电网所产生的诸多问题，同时可以大大减少交通行业对石油等矿物能源的需求和依赖。

Feasibility Study on Shanghai Wind - PV Hybrid Micro Grid for Charging Electric Vehicle

Ma Xianguo, Tang Geng
Shanghai Science and Technology University, Energy and Power Engineering College

Shanghai annual wind and solar statistics data show that wind power and solar power possess good complementarity. Wind energy power generation, solar energy photovoltaic power generation and electric vehicle can form an independent micro grid, which makes up for each other. Realizing renewable energy local utilization can avoid many problems from wind energy and solar energy accessing to power grid. Wind energy and solar energy hybrid micro grid system with electric vehicle can not only balance instability of micro grid with electric vehicle as energy storage system, but also electric vehicle charging utilization in independent micro grid achieve green, environment friendly, energy conservation to reduce demand and dependence on fossil fuels for transportation industry.

Wind Power, Solar Power, Micro Grid, System Match

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.004

马宪国：（1954.6-），男，工学博士，教授，博士生导师。