巴基斯坦50 kW离网型风光互补发电系统设计

中兴能源有限公司 ■ 张涛

0 引言

巴基斯坦目前存在着严重的电力短缺，部分偏远农村地区甚至无电或停电时间超过12 h。电力短缺不仅制约着当地经济发展，也不利于人民就业、教育、医疗水平的改善，快速建设电力基础设施迫在眉睫。几个月内即可建成的大型光伏地面电站能大幅缓解电网的电力短缺问题，但配套传输和分布线路的建设周期长、投资大，且其对于边缘地区覆盖不具备经济性。

离网型风光互补发电系统不需要电网传输线路，可在很短时间内迅速解决电力短缺的问题，其直接定位于最终用户，并提供最经济的解决方案。太阳能与风能在时间上有很强的互补性，白天太阳光最强时，风很小；太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变大使风能加强[1]。在夏季，太阳光辐射强度大而风小；冬季，太阳光辐射强度弱而风大[2]。太阳能和风能这种时间上的互补性使离网型风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，是具有较高性价比的新能源供电系统[3]。

本文以亚洲开发银行在巴基斯坦偏远无电村庄的试点项目为例，通过对离网型风光互补发电系统发电量的仿真及村民用电量的分析验证，项目最大程度地满足了当地村民的用电需求。

1 项目介绍

本项目由亚洲开发银行投资，在巴基斯坦建立离网型风光互补发电系统作为试点，以解决亚洲偏远无电地区贫困村庄的用电问题。项目位于巴基斯坦旁遮普省胡沙布地区的2个偏远山村Pheera和Wadgal，2个村庄相距500 m，共有80户家庭，平均每户家庭约为7人。

项目的工作范围主要包括离网型风光互补发电系统的设计，设备的采购、运输、安装、调试，人员的培训，以及电站的运维等工作，属于“交钥匙”工程。

2 离网型风光互补发电系统的构成及原理

本项目中，离网型风光互补发电系统的设备主要包括：光伏组件、太阳能控制器、风电机组、风电机组控制器、蓄电池组、逆变器、数据采集监控系统等。光伏组件将太阳能转化为电能，通过太阳能控制器将电能存储在蓄电池组中，同时经过逆变器转换为交流电，然后给负载供电；风电机组将风能转化成机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电，电能经风电机组控制器将电能存储在蓄电池组中，同时经过逆变器转换为交流电给负载供电。

图1 离网型风光互补发电系统原理图

表1 80户家庭平均每天用电量情况（单位：kWh）

表2 公共设施平均每天用电量情况（单位：kWh）

3 系统设计

3.1 离网型风光互补发电系统容量设计

2个村庄共计80户家庭，每个家庭的负载为3盏14 W的LED灯、1个70 W的节能落地风扇、1台100 W的电视机及0.1 W的手机充电器。公共负载包括：2个清真寺、1个学校、1个活动中心、1个电站控制室的LED灯和风扇，以及20个路灯。

针对系统的负载，亚洲开发银行提供了详细的负载数据，2个村庄最大负载功率为18.5 kW。考虑到季节原因，最大用电量在每年的7月，由于天气炎热，风扇的使用时间最长。由表1～表3可知，2个村庄7月的用电量最大，平均每天的用电量为171.5 kWh。同时，考虑到村民生活改善后负载增加的情况，亚洲开发银行要求系统设计满足15年用电量年增长率2%的要求，以满足当地人民日益增长的用电需求[4]。

表3 村庄平均每天用电量情况

由表3中的数据可推算出2个村庄全年的用电量约为4.3万kWh，因此，项目设计的装机容量为50 kW。根据亚洲开发银行的前期调研，由于当地太阳能资源优于风能资源，于是采用30 kW光伏组件和20 kW的风电机组。

3.2 光伏组件间距计算

光伏组件的安装采用固定倾角安装。对于固定式安装，必须考虑组件前、后排的阴影遮挡问题，并通过计算确定光伏方阵的间距或光伏方阵与建筑物的距离。一般的确定原则是：冬至日9:00～15:00的时间段内，光伏方阵不被遮挡。若发生遮挡，组件非但没有电力输出，反而要消耗电力，形成局部发热，产生“热斑效应” ，严重时甚至会损坏光伏组件。

方阵间距确定原则为：一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距应大于冬至日真太阳时9:00 ～15:00 时的阴影最大长度，则光伏方阵在一年中太阳辐射范围内不会发生阴影遮挡。根据项目所在地的纬度、太阳运动情况、高度差等可由式(1)～ 式(3)计算出最大阴影长度D。

式中，φ为当地纬度(北半球为正，南半球为负)；H为前排阵列(或其他遮挡物)最高点与后排组件最低位置的高度差；δ为冬至日的太阳赤纬角，取-23.5°；ω为时角，9:00～15:00 时的时角取±45°；α为太阳高度角；β为太阳方位角。

通过计算并附加一定的裕量，在光伏组件前、后排之间不存在高程变化的情况下，本项目光伏方阵标准间距取2 m。

3.3 光伏组件串联数量

光伏方阵中，同一光伏组串的各光伏组件电性能参数宜保持一致。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》，可计算光伏组件串联数：

式中，Kv为光伏组件的开路电压温度系数；Kv′为光伏组件的工作电压温度系数；N为光伏组件的串联数(N取整数)；t为光伏组件工作条件下的极限低温，℃；t′为光伏组件工作条件下的极限高温，℃；Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压，V；Vmpptmax为逆变器MPPT 电压最大值，V；Vmpptmin为逆变器MPPT 电压最小值，V；Voc为光伏组件的开路电压，V；Vpm为光伏组件的工作电压，V。

Vdcmax取460 V，Vmpptmin取250 V，Vmpptmax取450 V，Voc取37.82 V，Vpm取30.29 V。一般情况下，较少有厂家提供光伏组件的工作电压温度系数，在此按照规范以光伏组件的开路电压温度系数代替，Kv=Kv′=-0.33%/℃。根据收集的当地气象数据，现场环境温度范围在4～40.5 ℃，即t为4 ℃，t′为40.5 ℃。将以上数值代入式(4)～式(5)，可得8.7≤N≤11.37，由于N取整数，所以N可取9、10或11。但考虑到光伏组件总数量为200块，因此选择光伏组件串联数为10，即每10块光伏组件串联，20串光伏组串再通过汇流箱进行并联。

3.4 光伏发电系统发电量仿真

对于光伏发电系统的发电量，国际上通常采用仿真软件获得。PVsyst是一款全球性专业的光伏系统设计软件，软件包含了初步设计工具、工程设计工具、数据库设备管理及结果模拟比较等工具，可用于不同种类的光伏系统模拟和设计，并可模拟系统发电量。图2为本光伏系统 PVsyst发电量仿真结果，由仿真结果可知，30 kW的光伏系统首年可为村民提供46920 kWh的电量，但有时在蓄电池已经满充且负载不大的情况下，会损失一部分电量，所以最终首年村民能消耗的电量为38770 kWh，但村庄的年用电量约为4.3万kWh。即使在不考虑年用电量2%的增幅的情况下，仅光伏发电系统的发电量无法彻底满足村民的用电需求，因此，剩余的电量需求需要由风电机组发电系统满足。

图2 PVsyst发电量仿真结果

3.5 风电机组发电系统设计

本项目风电机组发电系统采用2台10 kW的风电机组与光伏系统配合。风电机组供电系统原理图如图3所示，2台风电机组分别连接2台风电机组控制器，将风电机组产生的交流电整流成直流电，同时输出的直流电连接到蓄电池组给蓄电池充电；在蓄电池组正负极连接卸荷箱，以便在风速过大时防止蓄电池过充，通过卸荷箱将多余的电放掉；最后，蓄电池连接到逆变器将直流电经逆变器转换成交流电后输送给负载。

图3 风电机组发电系统原理图

图4 2004～2013年10 kW风电机组年发电量仿真图

Windographer是一款在测风数据处理、分析、可视化及可靠性验证方面最为先进的软件和工具，可兼容各种测风塔及遥感测风系统，为风电项目模拟计算提供最重要、最准确的测风数据。输入本项目相关数据后，经过仿真软件的模拟计算，可以得出项目现场10 kW风电机组的年发电量数据为17479.1 kWh，因此，20 kW风电机组的年发电量数据为34958.2 kWh。

3.6 蓄电池组设计

项目地气候条件及负载功率，决定了蓄电池的备份时间、工作环境温度、电池容量校正系数及最大放电深度，然后根据式(6)，可计算得出蓄电池组的容量：

式中，蓄电池备份时间取1.5天；每天用电量按照7月最大用电量171.5 kWh计，项目中蓄电池的寿命为5年，5年内预计每年用电量增加2%；最大放电深度取80%；温度修正系数取1(按照最大用电量月份估算，温度大于25 ℃)；直流母线电压取220 V；蓄电池能量转换效率取95%；逆变器效率取90%。将数据代入式(6)后可得：

图5 项目现场实景照片

表4 50 kW离网型风光互补发电系统发电量与用电量分析表

通常管式胶体蓄电池常用型号只有2V/800 AH或2V/1000AH，因此，为了满足设计容量需求，采用2组110节1000 AH的蓄电池并联。组逐月发电量和年发电量，以及考虑了衰减(首年衰减2.5%，后逐年衰减0.7%)后得到的光伏系统首年和第15年的逐月发电量及年发电量。由表4可知，经过了15年，村民的年需求用电量从43175.3 kWh增至56968.9 kWh。在此情况下，50 kW离网型风光互补发电系统首年每月发电量都能够完全满足村民的用电需求；随着时间的推移，村民用电量增加，系统发电量降低，直到第15年，离网型风光互补发电系统的年负载

4 系统发电量分析

表4显示了客户需求的用电量，2台风电机不满足率为3.89%，仍然满足亚洲开发银行要求的5%以内的标准。

根据发电量分析可知，前几年离网型风光互补发电系统的发电量较村民的用电量有较大的剩余，特别是春季和冬季。因此，在电站运维人员的指导下，可以允许当地村民有计划的接入设计负载范围以外的其他负载，如水泵或面粉机等，以达到不浪费系统所产生电力的目的。

5 结论

离网型风光互补发电系统更好地弥补了风力发电和光伏发电在单独使用中所带来的问题，从而保障了供电的连续性和稳定性。本文根据亚洲开发银行在巴基斯坦偏远无电村庄的试点项目，分析用电负荷情况，并考虑环境等因素对系统进行合理设计。现在项目已经通过亚洲开发银行的验收，完整的离网型风光互补发电系统完美解决了巴基斯坦偏远无电村庄的用电问题，并以此为示范点，向全亚洲推广。

[1]谈蓓月, 卫少克.离网型风光互补发电系统的优化设计[J].上海电力学院学报, 2009, 25(3): 244-248.

[2]杜荣华, 张婧, 王丽宏, 等.离网型风光互补发电系统简介[J].节能, 2007, 296: 36-38.

[3]李文慧，田德，王海宽, 等.风光互补发电优化配置及应用[J].农村牧区机械化, 2009, 85: 40-43.

[4]彭有明，詹跃东.离网型风光互补独立供电系统容量设计[J].蓄电池, 2015, 52(4): 174-177.