风光互补发电系统容量优化配置研究

徐 爽

银川能源学院，宁夏 银川 750021

0 引言

随着地球环境的逐步恶劣和全球国家工业发展进程的稳步推进，能源利用问题、工业经济发展问题和环境保护问题已成为当前世界上所面临的重要问题，引起了社会各界人士的广泛关注和热烈讨论。风能和太阳能是地球上蕴含能量值丰富且取之不尽、用之不竭的天然清洁能源，更重要的是对周围环境无污染。将风能和太阳能资源进行高效率结合，既能弥补风力发电和太阳能光伏发电在各自发电过程和发电工艺上存在的问题，保障供电系统运行的稳定性、安全性和可靠性，又能大幅降低我国风力发电和太阳能发电的综合成本，因此风光互补发电技术应运而生。

1 风光互补发电系统国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外关于风光互补发电系统的相关研究最早可追溯至19世纪80年代初期，丹麦学者Buchand等[1]初步提出了综合利用太阳能和风能的建设构想，但受制于当时的理论环境和现实条件，并未形成较为完整的系统设计方案，也并未根据该设想形成较为完整的理论文字综述。直到1983年，瑞典学者Akerlund[2]提出风光互补发电系统建设以解决偏僻地段电能供应问题的实施计划，风能资源利用和太阳能资源利用以实现稳定可靠的电能供应才得到了足够重视，成为初具规模的清洁型发电方案。该学者引入了数字化的控制器，对风光互补发电系统的输电水平、电压、电流、功率参数等进行优化和调节，使风光互补发电技术真正能够落到实处。该系统的成功研制，直接标志着全球范围内风光互补发电系统重要研究成果的取得。

20世纪90年代后期，风光互补发电系统科学合理的最终控制策略以及发电容量与储能容量的匹配研究，成为该时期的主流研究方向。1997年，英国学者Protogeropulos等[3]以蓄电池储能装备为研究基础，探讨了该装置上的离网型风光互补发电技术的电能和蓄能容量配置研究以及优化研究。2006年，日本学者Ahmed等[4]通过最大功率点追踪（MPPT）技术，使风光互补发电系统控制策略得以简化，有效提升了风光互补发电系统的经济效益。2008年，Fontes等[5]以某城镇服务对象，根据该城镇的风力发电数据、太阳辐射数据等设计了风光互补发电系统，并在此基础上提出微型发电的基础概念，研究了风光互补发电系统的经济效益和技术效益的获取。2010年，加拿大学者Hui等[6]利用整流级的网络拓扑结构，为风光互补发电系统设计了相关优化策略，扩大了风光互补发电系统的适用范围，也进一步优化了风光互补发电系统的实际功效。2012年，Hamad等[7]以传统的MTTP风光互补控制器为支撑，以贝叶斯信息融合技术和群体智能技术理论为基础指导，研究了基于贝叶斯信息融合技术和群体智能技术的全新最终控制方法，并利用软件得到了高效提升风光互补发电系统效率的相关结论。

1.2 国内研究现状

2003年，茆美琴等[8]基于智能控制系统初步制定了风能、太阳能、柴油机、蓄电池等复合发电装置的相关设备，分析了该发电装置设备的应用特点、试验结果以及实验过程中可能存在的诸多问题，针对问题提出了未来关于风能、太阳能以及蓄电池发电融合发展的相关措施。杨红星等学者通过对计算程序的编制匹配得到风光互补发电系统的优化设计方法。

2004年，龙平[9]在研究风光互补发电系统基本工作原理和工作流程的基础上，建立了较为完整的风光互补发电系统的监测体系，并利用该监测体系进行了实地验证研究，分析了完整监测体系存在的精度误差，并对其进行了修正和评价。

2005年，齐发[10]进行了风光互补发电系统的深入研究，以Microchip公司生产的微处理器和单片机为核心设备进行风光互补发电系统优化改造，有效提升了传统模式下风光互补发电系统的应用效能。

2006年，徐大明等[11]基于精英非支配排序遗传算法的相关理论知识，对风光互补发电系统的独立供电系统进行了功能优化配置，此后又在独立供电系统优化配置的基础上，加入了自适应罚函数方法，对独立供电系统进行了优化设计。

2017年，陈天等[12]利用微分进化算法的指导，对风光互补发电技术的发电容量进行了优化设计，并进一步以实例验证了微分进化算法对风光互补技术优化配置应用的合理性和科学性。

2019年，于东霞等[13]以蓄电池、超级电容具备强烈互补性特征为出发点，将蓄电池和超级电容引入了风光互补发电系统中，并结合实例验证分析了仿真算法的合理性、科学性与可行性，得出了两者在新能源电能利用效率提升方面存在的差异。总而言之，近30年来国内关于风光互补发电系统及发电技术的相关研究思路和研究重点与国外大致相同，我国在风光互补发电系统的控制策略研究和容量配置与优化研究上取得了一定的成绩。

2 风光互补发电系统的研究趋势

风光互补发电系统的研究趋势主要可归纳为以下4种：（1）风光互补发电系统类型与容量研究逐步趋于多样化；（2）风光互补发电系统的相关发电流程以及电能输送控制策略依旧处于主导研究地位；（3）风光互补发电系统的储能装置设计以及选型匹配研究进一步凸显出重要性；（4）风光互补发电系统的逆变器研究仍旧处于快速发展阶段。

就风光互补发电技术应用的系统储能装置选择与配备而言，该发电系统风光互补技术应用及其发电量和用电量不匹配的问题一直影响该技术进步的关键，蓄电池储能设备快速充放电有助于系统整体稳定性提升，故应加强系统储能元件充放电性能试验研究与设备性能优化研究，采取合理措施提升蓄电池充放电水平，减少蓄电池运转过程中由于极化现象出现导致的生命周期缩短的可能。

3 风光互补发电系统容量优化配置的研究进展

国内关于风光互补系统的优化研究较多，可再生能源系统的优化研究通常在系统结构设计、系统建模方法、模拟仿真技术、经济可行性分析等领域进行，尤其是在系统设计与优化领域得到了广泛应用。风光互补系统的优化设计主要体现在配置优化和控制策略优化两大方面。

一般情况下，采用匹配计算方法得到风光互补发电系统的相关配置，该方法使用较为纯熟，理论体系发展较为完备，大多通过数据库建立后获取关于风光互补发电系统所在地的风能信息、光能信息和负载曲线信息等，根据数据信息建立风光蓄电池数学模型，得到风光发电系统的目标函数与约束条件，在约束条件下取得目标函数的最优值。常用的目标函数与约束条件主要包括全年负载缺电率、全生命周期成本最低。系统优化控制策略，主要是通过选择控制方法和控制手段使整个风光互补发电系统的最终收益最大化，通常可使用最大风力资源跟踪方法以及光伏发电最大功率点跟踪控制策略两大类别进行系统结构优化设计。

4 结束语

风光互补发电系统在环境保护意识不断增强和可再生能源利用关注程度不断提高的条件下，以其特有优势在新能源领域占据了一席之地，但利用风光互补发电系统进行电能供应，要想获得更加稳定的电能供应和更大的经济效益，必须进一步加强对风光互补发电系统中技术瓶颈的研发力度，通过技术优化与方法创新拓宽其应用范围。