农村风光储综合能源发电系统构建与运营策略研究

陈恭宇，张席华，黄冠华，袁德斌，刘志鹏，唐墨力，廖玲芳，范江霞

（广西电网有限责任公司来宾供电局，广西 来宾 546138）

农村地区的电网架构投资规模小、设备老旧，但是居民的用电负荷却逐年增高，已经对农村电网运行的可靠性、安全性造成了较大的影响[1-2]。

农村地区存在大量具有一定坡度的屋顶，可用于建设分布式的屋顶光伏发电厂[3]。部分地区的农村也存在没有障碍物、风力资源丰富的地区，可用于建设风力发电厂[4]。实际上，很多农村的太阳能资源、风能资源丰富，但是各类资源往往受到季节性、气候性影响，具有随机性、波动性的特点[5-7]。若能够借助储能系统的削峰填谷能力，将分布式的新能源整合利用，可构建新的风光储综合能源电厂[8-9]。

风光储综合能源电厂能够减少农村电网的负荷峰谷差，达到支撑电网频率、电压的目的[10]。但是受限于价格、投资建设周期长、电网对于新能源发电的消纳能力有限等原因的影响，分布式的风光储综合能源发电厂在农村地区的推广仍然处于起步阶段[11-12]。

如果能够使用合理高效的风光储综合能源发电厂的运营方式，使得风力发电系统、光伏发电系统、储能系统的经济运行指标能够获利，则政府、企业与团队将积极投入到农村风光储综合能源电厂建设中，扩大风光储综合能源电厂的应用范围[13-14]。

本文设计了针对农村地区的风光储综合能源电厂，该电厂的容量较低，无法代替传统火力发电厂的作用，农村电网中的调压、调频仍然通过火力发电厂提供。该风光储综合能源电厂仅配合农村配电网向居民提供电能。

本文主要研究了该风光储综合能源的运营方式，考虑各发电单元的经济性能，实现经济效益最大化，同时兼顾了该发电厂的调频、调峰功能，缩小负荷峰谷差。

结果表明，该风光储综合能源电站不仅能够满足当地居民的用电需求，还能够提高当地电网电能质量，而售电收入增加了当地居民的收入，提高当地居民的生活水平。

1 风光储综合能源电站构建

如图1 所示为农村地区风光储综合能源电站的示意图。其中风力发电机组放置于通风良好场地，风力发电机组的容量根据当地农村的天气条件选取。光伏发电则可利用广大农村房屋屋顶，根据当地太阳光照条件选择太阳能板放置角度[15]。

图1 风光储综合能源电站

图1中，光伏发电系统中的光伏板目前可供选择的方案有：背接触式电池组件、多晶硅电池、单晶硅电池以及非晶硅薄膜电池。多晶硅电池的价格低廉，虽然单位面积效率低，但是技术成熟，适用于农村地区大范围、大规模使用。

电池板安装时，可采用固定安装、斜单轴跟踪安装、平单轴跟踪安装、双轴跟踪安装等方式，虽然双轴跟踪安装模式能够跟踪太阳角度，提高太阳能利用率，但是成本高，不利于农村地区大范围推广。因此，本文选择了固定安装的电池板。

图1中风力发电系统中风力发电机可选择的电机种类繁多，如双馈电机、异步电机、永磁电机。永磁直驱型风机的成本高、安装困难，不适用于农村地区。本文选择了成本低廉的双馈风力发电机组。

储能系统则采用了技术成熟、价格低廉的铅酸电池。设计时，储能系统的容量选择为风力发电机组装机容量的15%～30%，该储能装置能够保证风力发电机组的输出波动在10%以内。

该风光储综合能源电厂中的光伏发电系统、风力发电系统可根据当地季节性的气候特征进行实时改造，比如根据季风方向实时调整风力发电机组的叶片方向。

2 风光储综合能源运营策略

2.1 经济效益模型

风光储综合能源电站的可靠运行离不开经济效益，因此须确定购电方式与售电方式，提高电厂的经济效益。

当新能源发电功率大于负荷功率时，可向储能系统充电。当新能源发电功率不足以提供负荷功率时，储能系统放电。因此，须设计储能电站的购电模式与售电模式。即风光储综合能源电站的经济收益来源于储能电站售电、购电的收益，可表示为：

式中：Pai为新能源发电系统每小时的发电功率；Q为该区域的耗电量；E为售电电价；F为购电电价；V为储能系统储能电能峰值；n为新能源发电系统的日均发电时间。

2.2 约束条件

储能系统的总储能约束可表示为：

式中：WPV为光伏发电系统输送能量；Wwind为风力发电系统输送能量；Wload为负荷的实际消耗能量。

风力发电机组输出能量的约束条件可表示为：

式中：Wwindmin为风力发电机组输出的最小功率；Wwindmax为风力发电机组输出的最大功率。

2.3 运营策略

储能系统的购电、售电是由当地负荷、新能源发电电量确定。新能源每天能够满发电的资源V1与新能源发电自然资源V0的差值ΔV可表示为：

式中：ΔVl为新能源系统在低谷阶段的可用资源量；ΔVh为高峰阶段的可用资源；ΔVa为平衡阶段的可用资源。

当 ΔVl＜ΔV时，新能源系统在低谷阶段不能满额发电。

当 ΔVl＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa) 时，新能源系统在低谷阶段与平衡阶段不能满额发电。

当 (ΔVl+ΔVa)＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa+ΔVh) 时，新能源系统在低谷阶段、平衡阶段与高峰阶段均不能满额发电。

因此，储能系统购电时间可表示为：

式中：h为新能源系统转换成电能的系数；T为新能源发电系统工作时间；P0为储能系统在每秒内储能的能量。

假设系统低谷阶段的小时数为T1、高峰阶段的小时数为T2以及平衡阶段的小时数为T3。

当t≤T3时，则储能系统在低谷阶段购电；

当T3≤t≤(T2+T3) 时，则储能系统在低谷阶段与平衡阶段购电。

当t≥(T2+T3) 时，则储能系统在低谷阶段、平衡阶段以及高峰阶段购电。

此外，当新能源系统在低谷阶段时，若不能确保负荷满负荷运行，则新能源发电电能直接向储能系统充电，因此此时购电电价将高于售电电价。

3 仿真结果分析

为验证本文提出的运营策略，搭建了风光储综合能源电站，其储能系统参数如表1 所示。光伏发电系统每月的平均日工作时间参数如表2 所示。风力发电系统每月的平均日工作时间参数如表3 所示。低谷阶段、平衡阶段以及高峰阶段的时间如表4 所示，售电价格与购电价格可如表5 所示，不同季节用电量如表6 所示。

表1 储能系统参数

表2 光伏发电系统时间参数h

表3 风力发电系统时间参数h

表4 电网峰平谷时间段

表5 电价元/(kW·h)

表6 耗电能量kW·h

将表1～表6 所示的数据代入到式（1）中可得，风光储综合能源发电场每月的平均日收益，如表7所示。

表7 平均日收益元

风光储综合能源电厂的维护费用较低，前期投入费用为170 万元。即根据表7 可知，风光储综合能源发电厂仅须运营3 年即可收回成本。

4 结束语

本文构建了适用于农村的风光储综合能源电厂，可有效利用农村地区丰富的太阳能与风能资源。该电厂可削减负荷峰谷差，提高电力系统运行的可靠性与安全性，保障了农村居民的用电电能质量，并提高当地居民的经济效益。

本文建立了该风光储综合能源发电厂的运营策略，以实现经济效益最高为目标函数。分析了低谷阶段、平衡阶段、高峰阶段，储能系统的售电、购电策略。该售电、购电策略可节省大量新能源资源，提高了当地的经济效益、社会效益以及环境效益。