离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统

陈星宇，刘 忠，寇攀高，邹淑云，潘宜桦

（1长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙410114；2国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007）

目前，全球约有12亿人缺少电力供应，多达10亿人没有用上稳定的电网系统[1]。中国有超过240万个偏远地区家庭存在电力短缺[2]。由于地理、经济等原因，在偏远农村建设大型电站和输电线路很困难，这就使得离网型发电系统成为这些地区实现电气化的唯一选择[3]。

作为目前开发利用水平最高、技术最成熟的可再生能源，风电和光伏发电被广泛应用于离网型发电系统。但风能、太阳能具有明显的随机性和间歇性，其直接利用会对供电稳定性产生极大的影响。作为物理储能技术的一种，抽水蓄能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点[4]。关于离网型风电、光伏发电与抽水蓄能的联合运行研究，正受到人们越来越多的关注[5-6]。文献[7]利用真实数据对偏远岛屿上的风电-抽水蓄能混合系统进行了设计、仿真和经济性分析，证明了联合运行系统的可行性。文献[8]对某偏远岛屿的光伏-抽水蓄能联合发电系统进行了研究，预测出在偏远地区利用可再生能源发电与抽水蓄能的联合运行将比柴油发电更具竞争力和成本效益优势。文献[9]提出了一个以水井作为抽水蓄能下水库的离网型风-光-抽水蓄能联合发电系统，有效地利用自然资源来满足当地居民的用电需求。文献[7-9]都采用了传统的联合运行模式，即风电、光伏发电供电给交流负载，过剩的电能通过抽水泵转化为水的势能；在负荷需求较高时，再利用水轮发电机组发出电能供给用户端。但对于偏远农村地区，如果风电、光伏发电直接供电给用户，整个系统就需要增加DC/AC逆变器、控制器和控制电路等电气设备，建设和维护成本以及难度会大幅增大。并且，由于偏远农村地区没有大电网覆盖，即使系统中的储能设备能起到一定的缓冲作用，风电与光伏发电直供用户仍然很难保证输出恒压稳定的电能。针对上述问题，文献[2]提出了一种由光伏设备、太阳能水泵、开口水井和水轮发电机组组成的离网型光伏-抽水蓄能联合运行系统。该系统不需要过多的电气设备就能保证电能输出的恒压稳定性。但该系统对所在地区的太阳能辐射强度要求较高，且设计的上水库占地面积过大，不适合太阳能辐射强度较弱或地理条件受限的偏远农村地区。

因此，本文提出了一种广泛适用于风能、太阳能资源贫乏、用电需求小且没有大电网覆盖的偏远农村地区的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统，在该系统数学建模的基础上，采用湖南省某偏远农村的真实数据，对系统电能输出特性进行了仿真分析。

1 离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统

1.1 系统设计的出发点

本系统设计的出发点及拟解决的关键问题如下文所述。

1.1.1 风能、太阳能资源贫乏

湖南、湖北和川渝等地区属于风能、太阳能资源贫乏地区，年平均风速小于4.4 m/s(10 m 高度)，年平均太阳能辐射量小于4400 MJ/m2，在这些地区开发大型风电站、光伏电站难度很大。利用风能与太阳能互补的特性，建立小型离网型风光互补发电系统，可保证即使在风能、太阳能资源贫乏地区的偏远农村，也能满足当地居民的用电需求。

1.1.2 系统故障率高

电池储能是目前常用的离网型风光互补发电系统的储能方式，但其故障率较高且每3～4年就需要更换一次[10]。因此，采用故障率更低的抽水蓄能代替电池储能，延长了整个发电系统的使用寿命周期。

1.1.3 系统经济性低

传统的风-光-抽水蓄能联合运行系统由于其系统配置复杂，安装建设成本较高，不适用于偏远农村地区。通过简化系统配置和优化发电模式，同时充分利用农村常见的开口水井作为下水库，可提高整个系统的经济性，为当地居民提供低成本的电能。

1.1.4 系统输出电压波动

在没有光照且风速很低的夜间，传统的风光互补发电系统很难保证输出恒压稳定的电能[9]。为解决这一问题，将风力发电机组与光伏阵列仅供电给直流永磁无刷电机抽水泵，再由水轮发电机组供电给用户端。采用这样设计的原因如下：①由于风电、光伏发电不直接供给用户端，整个系统不需要DC/AC逆变器、控制器和控制电路等电气设备，建设成本和难度大幅下降；②当不考虑水轮发电机组的效率变化时，整个系统的功率输出仅取决于水轮机的水头Hht以及进入水轮机水的流量Qht。要实现系统的恒压稳定输出，就必须控制系统在运行过程中Hht与Qht的变化。在上水库出口安装控制阀使Qht一直保持为额定流量，同时，将上水库的高度设计成小于所使用的水轮机最大、最小工作水头的差值，这样即使在太阳能辐射强度为零，且风速较低的夜晚，也能保证Hht的变化量在工作水头允许范围内。通过上述设计，就可以实现整个系统的恒压稳定电能输出。

1.2 系统结构与工作原理

本文提出的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统由风力发电机组、光伏阵列、抽水泵、水轮发电机组、开口水井、上水库、溢流管和压力水管等组成，如图1所示。

图1 离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统Fig.1 The off-grid wind-PV-PHES hybrid system with continuous power at constant voltage

其工作原理为：抽水泵通过一根压力水管输送井水至上水库，将电能转化为水的势能。上水库中的水通过另一根带有控制阀的压力水管向下冲转水轮机组，将水的势能又转化为电能，再供应给用户端。井水在完成其能量传递过程后，又被排放回水井中。整个过程使用相同的水量反复循环(不考虑地下水渗透)，实现了系统的持续稳定恒压供电。圆筒形上水库建在水井附近，当上水库中水位超过水库允许的最大水位时，多余的水通过溢流管排回水井中。

由此可见，与传统的风-光-抽水蓄能联合运行系统相比，本文提出的系统采用一种新颖的发电模式，即只通过水轮发电机组供电给用户端，不需要使用逆变相关设备，就能实现恒压稳定供电，既简化了系统配置，又降低了安装建设成本。

2 系统建模

本文所提出的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统的主要部件为光伏阵列、风力发电机组、抽水泵、水轮发电机组和上水库。主要部件的数学模型如下。

2.1 光伏阵列

光伏阵列的输出功率取决于太阳能辐射强度、环境温度以及光伏电池特性等多种因素。在本系统中，光伏发电系统不直接供电给用户端，因此忽略除太阳能辐射强度之外的影响因素。光伏阵列的输出功率Ppv(W)可表示为

式中，ηpv为光伏发电的效率，一般取15.3%；Apv为光伏电池板的面积，m2；G 为太阳能辐射强度，W/m2。

2.2 风力发电机组

风力机的轴功率Pwt(W)可表示为

式中，Cp为风能利用系数，一般取50%；ρa为空气的密度，取1.29 kg/m3；R 为风轮半径，m；U为风速，m/s；Ui与U0分别为风力机的切入风速和切出风速，m/s。

由于在风力发电机组内部的整流器和发电机存在电能损失，则风力发电机组的输出功率Pw(W)可表示为

式中，ηts为传输效率，一般取80%。

2.3 抽水泵

风电和光伏发电输入给抽水泵的总功率Php(W)为

抽水泵从水井中抽水至上水库的流量Qhp(m3/s)为

式中，ηp为抽水泵的总效率，取60%；ρw为水的密度，取1000 kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Hav为抽水泵的平均水头，m。

2.4 水轮发电机组

水轮发电机组的输出功率P0(W)可用下式求出

式中，ηtg为水轮发电机组的效率，一般取70%；Hht为水轮机水头，m；Qht为进入水轮机水的流量，m3/s。

为了保持功率平衡，有功功率必须始终等于负载需求，但负载并不总是恒定的。为了保证负载平衡，以虚拟电阻性负载代替相应的实际负载进行计算，则整个系统的输出电压可用下式计算

式中，V0为整个系统的输出电压，V；RL为电阻性负载，Ω。

2.5 上水库

上水库水位取决于其输入流量Qhp与输出流量Qht数值的大小关系。在任意时间段内水轮机水头Hht可用式(8)计算

式中，Hin为任意时间段开始时水轮机水头，m；ΔT 为时间段长度，取为1 h；AUR为上水库的底面积，m2。

图2所示为本文所提出的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统的Matlab/Simulink模型图。

图2 系统的运行模型图Fig.2 Operating model diagram of the proposed system

3 系统各部件参数设置和选择

以湖南省某偏远农村的风能和太阳能数据[11]为基础进行系统参数选择与性能评估。图3和图4分别为该地区典型日的风速和太阳能辐射强度的变化曲线。为了实现系统长期稳定运行，各主要部件参数的选择与设计过程如下文所述。

图3 风速每小时的变化曲线Fig.3 Hourly average wind speed

图4 太阳能辐射强度随时间的变化曲线Fig.4 Hourly average solar irradiance

3.1 用户负载

对于发展中国家的偏远农村地区居民，最主要的电力需求是生活照明与手机充电，每天最少需向每户家庭提供3 W、5 h的稳定电能[12]。结合我国的实际情况，拟向所研究地区的15户家庭提供220 V、50 Hz、0.3 kW的单相交流电。

3.2 水轮发电机组

选择单喷嘴斜击式水轮机组作为抽水蓄能系统的发电部分。斜击式水轮机是冲击式水轮机的一种，其结构简单、造价低廉，适用于水头较小的小型电力系统。根据3.1节确定的用户负载参数，选取水轮机型号为XJ14-0.3DCT4-Z，与之匹配的发电机型号为SF0.3-4。

该型号水轮机最大工作水头Hmax为14 m，最小工作水头Hmin为12 m，已知水轮发电机组的输出功率P0为0.3 kW，效率ηtg为70%，水轮机水头Hht在系统启动时与Hmax相等，由式(6)计算可得到进入水轮机水流量Qht应保持在0.00312 m3/s。

3.3 抽水泵

由图4 可知，所研究地区该日的光照时间为12 h，无光照时间为12 h。本文对抽水泵的选择标准是基于其在有光照且风速较快的12 h内输入至上水库的水量能够满足用户24 h的用电需求[2]。由3.2节已知Qht为0.00312 m3/s，运行24 h 后消耗的水量为270 m3，则抽水泵抽水至上水库的流量Qhp为0.00625 m3/s。

抽水泵的平均水头Hav由三部分构成：①吸力水头Hs：水井水位与抽水泵之间的垂直距离，本文取为1 m；②仰角水头He：抽水泵与上水库水位之间的垂直距离，其值一般比水轮机的最大水头Hmax多0.5 m，故He取为14.5 m；③水头损失：水头损失一般为吸力水头与仰角水头之和的10%，在本文中即为1.5 m。综上，抽水泵的平均水头Hav取为17 m。

根据已知数据和式(5)，可计算出抽水泵的输入功率Php为1.74 kW。又根据式(4)可知，Php为风力发电机组的输出功率Pw与光伏阵列的输出功率Ppv之和。本文在参数设计时取在有光照的12 h里Pw与Ppv的值相等。

3.4 光伏阵列

在有光照的12 h内，所研究地区的平均太阳能辐射强度G 为407 W/m2，Ppv为0.87 kW，则由式(1)可得到所需的光伏电池板面积Apv为14 m2。

3.5 风力发电机组

在有光照的12 h内，所研究地区的平均风速U为3.95 m/s，Pw为0.87 kW，则由式(3)可得到风力机的转轮半径为4.2 m。

3.6 开口水井

开口水井需要满足以下要求：①水井要有能够满足发电需求的水量，且能在水井内适当位置安装支撑抽水泵和水轮发电机组的支架；②因为本文所取的Hmax为14 m，则水井的水位深度应选为12～15 m，且水位的季节性变化要尽可能小；③开口水井的位置应选在开放区域，周围没有阻碍阳光照射的建筑和植被。

3.7 上水库

图5 水泵输出流量与水轮机输入流量的变化曲线Fig.5 Water output rate of the pump and water input rate of the turbine

在整个模拟时间段内进入水轮机水的流量Qht和抽水泵输水至上水库的流量Qhp之间的关系如图5所示。从图5可以看出，为了实现系统的恒压稳定输出，Qht始终维持在0.00312 m3/s。而在0～6 h 和19～24 h这两个时段内，所研究地区的太阳能辐射强度为0，即Ppv=0，上水库的进水量小于排水量，水位将持续下降。为了保证系统的不间断运行，上水库的容积应被设计为与其在水位下降时段储水的最大减少量相同。根据图3的风速数据，所研究地区在0～6 h时段的平均风速为2.66 m/s，在19～24 h时段的平均风速为2.75 m/s，故应将0～6 h时段储水的减少量作为上水库的容积。经计算可得，本文所选上水库的容积为55 m3，水库高度应小于Hmax与Hmin的差值，取为1 m，则底面直径为8.4 m。

表1 系统各部件参数表Table 1 Component specifications of the proposed system

综上，本文所提出的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统各部件的参数选择如表1所示。

4 模拟结果与讨论

根据图3～4和表1中的已知数据，并采用如图2 所示的系统运行流程，在Matlab 中对建立的系统模型进行仿真运行，同时对系统的可行性、稳定性和经济性进行分析评估。系统的启动时间设置为晚上0点，且初始时上水库充满水。

4.1 风电-抽水蓄能联合运行

当系统只考虑风力发电与抽水蓄能时，此时系统的Php与Pw相等，图6和图7分别为该系统输出功率和输出电压的变化曲线。在用电高峰时段8～22 h，整个系统的平均输出功率为208.3 W，最大值为296.9 W，平均输出电压为156.8 V，与设计值(0.3 kW、220 V)的功率偏差为30.6%，电压偏差为28.7%。在7～9 h和21～24 h两个时段里，风电-抽水蓄能系统的输出功率和电压均为0，这是由于风速过低，抽水泵的输入功率较小，导致上水库液位降为0，系统无法再向用户供电。

图6 风电-抽水蓄能系统输出功率曲线Fig.6 Wind-PHES hybrid system output power

图7 风电-抽水蓄能系统输出电压曲线Fig.7 Wind-PHES hybrid system output voltage

4.2 光伏-抽水蓄能联合运行

当系统只考虑光伏发电与抽水蓄能时，此时系统的Php与Ppv相等，图8和图9分别为该系统输出功率和输出电压的变化曲线。在用电高峰时段8～22 h，整个系统的输出功率和电压波动明显，平均输出功率为190.2 W，最大值为295.6 W，平均输出电压为142.9 V，与设计值的功率偏差为36.6%，电压偏差为35.1%。尽管光伏-抽水蓄能系统在10～19 h时段内由于光照充足，能输出较为稳定的电能，但在其余时段，系统无法实现稳定电能供应。

图8 光伏-抽水蓄能系统输出功率曲线Fig.8 PV-PHES hybrid system output power

图9 光伏-抽水蓄能系统输出电压曲线Fig.9 PV-PHES hybrid system output voltage

4.3 风-光-抽水蓄能联合运行

图10和图11分别为风-光-抽水蓄能联合运行系统的输出功率和电压的变化曲线。在用电高峰时段8～22 h，整个系统的平均输出功率为294.5 W，最大值为300 W，平均输出电压为217.8 V，与设计值的功率偏差为1.8%，电压偏差为1%。与风电-抽水蓄能系统的结果相比，功率偏差降低了28.8%，电压偏差降低了27.7%；与光伏-抽水蓄能系统的结果相比，功率偏差降低了34.8%，电压偏差降低了34.1%。由此可见，对于所研究的地区，本文提出的风-光-抽水蓄能联合运行系统能实现昼夜连续稳定运行，输出功率几乎保持与设计值相等的0.3 kW，输出电压也基本维持在220 V。

图10 风-光-抽水蓄能系统输出功率曲线Fig.10 Wind-PV-PHES hybrid system output power

图11 风-光-抽水蓄能系统输出电压曲线Fig.11 Wind-PV-PHES hybrid system output voltage

4.4 系统经济性分析

以市场价格调研和相关文献为基础[13]，并采用所研究地区的工况数据，对本文提出的离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统进行了经济性评估。与传统系统相比，将农村常见的开口水井作为下水库，降低了水库建设成本；仅通过水轮发电机组供电给用户端，不需要考虑逆变相关设备，这项成本可降低约8000元。

5 结 论

提出了一种离网型风-光-抽水蓄能恒压供电系统。该系统将风电、光伏发电全部供给抽水蓄能系统中的抽水泵，而不是用户负载，通过独特的上水库设计，向用户端提供恒压稳定的电能。建立了所提出系统的数学模型，对各部件参数进行了设计和选择，并对模型进行了24 h的仿真模拟。结果表明，所提出的系统具有结构简单，初始成本低等优点，广泛适用于风能、太阳能资源贫乏的偏远农村地区，且与风电-抽水蓄能和光伏-抽水蓄能系统相比，该系统能够实现昼夜不间断恒压稳定运行。

本文在进行系统模拟时，只针对了24 h的模拟时间段进行讨论与分析。在今后的研究中，可以将此模拟时间段设置为72 h甚至更长时间。