樓宇風光儲聯合發電系統容量優化配置

林世宇翁桂萍

（1.福州振源科技開發有限公司，福州 350008；2.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

樓宇風光儲聯合發電系統容量優化配置

林世宇1翁桂萍2

（1.福州振源科技開發有限公司，福州 350008；2.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

本文針對福州地區某個前期已安裝20kW光伏的屋頂發電項目，利用美國NASA氣象網站的氣象數據，應用HOMER軟件和Matlab仿真生成該地區的全年風速和太陽光照強度曲線，考慮離網和并網兩種情況，配置了垂直軸風機和蓄電池容量，為該樓宇風光儲聯合發電系統的規劃提供參考。

樓宇風光儲；容量優化配置；離網；并網

當前，以能源多元化、清潔化為方向，以優化能源結構、推進能源戰略轉型為目標，以清潔能源和智能電網為特征的新一輪能源變革正在全球推進［1］。太陽能和風能是取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，因此風力發電和光伏發電是21世紀重要的后續能源，將為改善能源消費結構、保護生態環境做出巨大貢獻［2］。

根據國家統計局公布的 2012年全國城鎮人口和農村人口，按照當年城鎮及農村人口人均住房建筑面積，可以估算出我國住宅屋頂分布式光伏裝機技術潛力為4.3億kW，潛在發電量為4276億kW·h。其中福建城市居民建筑光伏裝機潛力為220萬kW，發電量潛力為 22.0～25.6億 kW·h［3］。近幾年來，在國家政策的支持下，以屋頂為載體的分布式光伏發電項目已經成為光伏裝機容量增長的一個主要方向［4］。

光伏只有在白天有光照的時候發電，晚上由于沒有光照則不發電。配置儲能雖然可以解決用戶晚上用電的問題，但是這將投資很大的儲能容量，使得項目造價過高。項目所在地白天風速低，晚上風速高，與太陽輻射形成互補。結合項目所在地的氣象條件，將風力發電和太陽能光伏發電結合在一起組成一套樓宇風光儲聯合發電系統，不僅具有建筑節能等優點，還可以提高聯合系統的發電穩定性和供電穩定性。

1 設計依據

該項目前期已安裝屋頂光伏容量 20kW，現擬根據已安裝的光伏容量配置垂直軸風機和蓄電池容量，組成一套樓宇風光儲聯合發電系統供該樓負載使用。

1.1 地理條件

該項目位于福建省福州市城區（北緯26.08°，東經119.3°），平均海拔84m。

1.2 氣象條件

根據福州市區（北緯26.08°，東經119.3°）的地理位置，在NASA氣象網站查詢得到該地區的風速和光照強度見表1和表2。

表1 地面50m高度月平均風速/（m/s）（1983—1993）

表2 水平面平均日光照強度/（kW·h/m2/day）（1983—2005）

利用HOMER軟件對月平均風速和光照強度進行離散可得全年（8760h）逐時數據，如圖1和圖2所示。

圖1 全年風速曲線

圖2 全年太陽光照強度曲線

通過Matlab仿真計算，可估算得該地區水平面年太陽總輻射為4651.56MJ/m2，屬太陽能“資源豐富”區；地面 50m高度處年平均風速為 4.36m/s，空氣密度為1.176kg/m3，年平均風能密度為94.217W/m，屬風功率密度等級1區。

2 設計目標

通過本方案的設計，努力為推動風、光等清潔能源的發展提供指導，并為該地區樓宇風光儲聯合發電系統的推廣提供技術支撐。

根據分布式發電入網的電能質量要求，從并網點電壓偏差和電壓波動兩方面對該項目進行合理規劃、設計，以防止投產后的項目對電網安全穩定運行造成影響。整個設計過程中，本項目設計方案突出以下特點:

1）因地制宜，合理選擇適合當地氣象條件和樓宇建筑結構的垂直軸風機和蓄電池。

2）盡可能多的使用風、光資源，減少儲能的投入，以降低系統成本。

3）采用普遍適用于中小容量分布式發電系統的直流母線組網方式，以便后期擴容和控制。

3 設計方案

該樓宇風光儲聯合發電系統以光伏電池、垂直軸風機和蓄電池為主要電源進行發電，同時配以光伏控制器、風機控制器、并網逆變器等電力電子裝置，組成風光儲新能源發電系統為樓宇負荷供電。

3.1 并網系統結構

本文采用普遍適用于中小容量分布式發電系統的直流母線組網方式［5］，構建適合該項目的樓宇風光儲聯合發電系統。系統結構如圖3所示［6-7］。

圖3 樓宇風光儲聯合發電系統結構

光伏控制器、風機控制器、DC/DC變換器分別將光伏電池組件、垂直軸風機和蓄電池組發出的電能匯流到直流母線上，經并網逆變器將直流電逆變成交流電供樓宇內的負荷使用，若有剩余電能，則饋入電網。

3.2 聯合系統能量調度

風光儲聯合發電系統的能量調度是在不對電網造成影響的基礎上進行的。由于風光發電的隨機性和間歇性會對電網的安全運行造成不利影響，因此，為了電網的安全穩定運行，必須先對聯合系統與電網之間的交換功率做出約束。

1）交換功率約束

分布式發電系統接入對電網的影響，通常從并網點電壓偏差和電壓波動兩方面進行分析。由于風光發電系統輸出的有功功率遠大于其輸出的無功功率，因此可以忽略無功功率的影響，只考慮有功功率。本文基于該假設對并網點的電壓偏差和電壓波動進行分析。

（1）電壓偏差［8］（Voltage deviation）

并網點的電壓偏差δU是指并網點的電壓測量值Ure與并網點標稱電壓UN之差對并網點標稱電壓的百分數，其數學表達式為

由電力系統知識可知并網點的電壓偏差與交換功率的關系為

式中，Pgrid為聯合系統與電網間的交換功率，kW；R為系統電阻，Ω；S為短路容量，kVA。

（2）電壓波動［8］（Voltage Flactuation）

電壓波動是指電壓方均根值一系列相對快速變動或連續改變的現象。通常以額定電壓的相對百分數來表示電壓變動值，相對電壓變動值為

由電力系統知識可知電壓波動d與功率波動ΔP的關系為

式中，UN為分布式電源所接入配電網的電壓等級。

通過查詢電源接入配電網的電壓等級即可獲得該電壓等級所允許的最大電壓偏差和電壓波動，再根據式（2）和式（4）就可以算出該電壓等級所允許的最大傳輸功率和最大功率波動值。

2）能量調度策略

該樓宇風光儲聯合發電系統并網運行時的能量調度策略如圖4所示。

聯合系統首先判斷當前風光出力之和（Ppv+Pw）是否滿足負荷Pload的需求，若不滿足，則儲能放電。當儲能放電至安全容量下限時仍不能滿足負荷需求，此時的不足功率由電網提供。若由于負荷缺額功率過大而導致并網點電壓偏差和電壓波動越限，則對系統切負荷，以使系統功率平衡；若當前風光出力滿足負荷需求，則對儲能充電。當儲能充電至安全容量上限時仍有多余電能，則多余電能饋入電網。若由于饋入電網的電能過大而引起并網點電壓偏差和電壓波動越限，則通過卸荷器將多余能量釋放，以使系統功率平衡。

圖4 樓宇風光儲聯合發電系統能量調度策略

3.3 設備選型

考慮屋頂承重及該地區的風速特性，選擇啟動風速低、單機重量小的垂直軸風機；蓄電池采用技術成熟、性價比高的閥控密封鉛酸蓄電池。垂直軸風機和蓄電池的型號及其主要參數見表3和表4。

表3 垂直軸風機型號及其主要參數

表4 蓄電池型號及其主要參數

3.4 基本負荷

當樓宇風光儲系統脫離電網，即發生孤島情況時，發電系統必須保證系統內基本負荷的正常供電。本文假設系統的離網基本負荷為50.15kW·h，并假設該基本負荷全天24h運行，可得負荷的平均功率為2.1kW。

3.5 配置方法

為精確配置垂直軸風機和蓄電池容量，本文采用遍歷搜索法進行求解，主要步驟如圖5所示。其中，虛線框內的過程為并網配置中并網點電壓偏差和電壓波動的約束。

圖5 垂直軸風機/蓄電池容量配置流程圖

本文在配置離/并網兩種情況下的儲能容量時采用如下原則:

1）離網情況下，為了保證負荷的可靠供電和儲能裝置的安全可靠使用，此時儲能容量的配置必須考慮風光發電功率不滿足負荷需求的情況以及風光發電功率超過負荷需求的情況。離網情況下的儲能容量配置原則為:分別計算風光發電功率連續不滿足負荷需求的最大缺額容量和風光發電功率連續超過負荷需求的最大剩余容量，選擇二者中的最大容量作為儲能最大容量。

2）并網情況下，當聯合系統接入使得并網點電壓偏差或電壓波動越限時，需要通過儲能充放電來補償或吸收額外的功率，從而使入網功率滿足并網要求。

4 優化配置結果與分析

根據所選垂直軸風機、蓄電池以及項目前期已安裝的20kW光伏，結合系統基本負荷對該樓宇風光儲發電系統做離網容量優化配置和并網容量優化配置。仿真計算過程中，風光發電系統效率取0.85，儲能充放電效率取1。

4.1 離網優化配置

圖6所示為聯合系統離網優化配置結果。從圖6可以看出，隨著垂直軸風機數量的增加，儲能容量先減少后增加，存在一個儲能容量最低點。這是因為前期風機數量少的時候，風光發電功率不能滿足負荷需求，此時需要儲能系統釋放能量進行補償。風機數量越少，儲能系統釋放的能量也就越大，即儲能容量越大。由于光伏發電功率固定，隨著風機數量的增加，風光出力之和逐漸增大并不斷滿足負荷需求，此時儲能容量也隨之減少；當風機數量超過一定值后，儲能容量又隨之逐漸增大，這是因為隨著風機數量的增加，風光發電功率不斷超過負荷的需求，系統剩余能量越來越多，此時所需的儲能容量也就逐漸增大。

圖6 CXF300A風機與儲能配置

由于儲能設備受運行環境影響較大［9］，其實際使用壽命較短，為了降低系統投資成本，需減少儲能投資成本。從圖6可以看出，在風機數量為9時儲能容量最小，約為102.6kW·h，則聯合系統的離網容量配置結果見表5。

表5 離網容量配置結果

4.2 并網優化配置

不同系統短路容量（并網點）下聯合系統的容量配置不同。本文取50kVA至10MVA的系統短路容量進行配置，配置結果見表 6。其中，當接入風機數量少于表中所列數量時無需配置儲能。

表6 不同短路容量下垂直軸風機/蓄電池配置結果

以 500kVA的系統短路容量為例，可知當風機數量小于57臺時，聯合系統無需配置儲能。這是由于風機接入數量小于57臺時，聯合系統與電網之間的交換功率和功率波動在允許范圍之內，此時風光發電系統接入對并網點的電壓偏差和電壓波動沒有影響。

此外，從表6可以看出，系統短路容量越大，電網允許接入的風機數量也越多。這是由于隨著系統短路容量的增大，聯合系統與電網之間的交換功率和功率波動限值也就越大，在光伏發電功率固定情況下，允許接入的風機數量也就越多。考慮屋頂面積和承重限制，針對不同系統短路容量可以選擇對應的風機接入數量。

5 結論

本文針對福州地區某個前期已安裝20kW光伏的屋頂發電項目，利用NASA提供的日照輻射和風速資料，應用HOMER軟件和Matlab仿真生成該地區全年風速和太陽光照強度曲線，考慮離網和并網兩種情況，配置了垂直軸風機和蓄電池容量。仿真結果表明:①離網情況下，垂直軸風機和蓄電池容量存在一個最低點，該點下的蓄電池容量最小，可作為離網參考配置；②并網情況下，并網點短路容量越大，電網允許接入的垂直軸風機數量也越大，同時所需的蓄電池數量也越小。根據本文的配置結果，可以為該樓宇風光儲聯合發電系統的規劃提供參考。

［1］國家電網公司“十二五”電網發展規劃.

［2］張伯泉，楊宜民.風力和太陽能光伏發電現狀及發展趨勢［J］.中國電力，2006，39（6）：65-69.

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［4］李思岑，杜威，嚴中亮.1MWp屋頂光伏并網系統設計與分析［J］.山西電力，2013，4（4）：4-8.

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［6］Yang Hongxing，Lu Lin，Zhou Wei.A novel optimization sizing model for hybrid solar-wind power Generation system［J］.Solar Energy，2007，81（1）：76-84.

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［8］肖湘寧，韓民曉，徐永海，等.電能質量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［9］Dufo-López Rodolfo，Lujano-Rojas Juan M，Bernal-Agustín José L.Comparison of different lead-acid battery lifetime prediction models for use in simulation of stand-alone photovoltaic systems［J］.Applied Energy，2014，115：242-253.

Capacity Optimization and Configuration for Building Wind/PV/Storage Hybrid Power Generation System

Lin Shiyu1Weng Guiping2
（1.Fuzhou Powersource Technology Development Co.，Ltd，Fuzhou 350008；2.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116）

This paper based on an installed 20kW photovoltaic power generation project，using the meteorological data of NASA's meteorological sites and software of HOMER and Matlab to obtain annual curve of global solar and wind speed.Then considering the situation of off-grid and on-grid to configure the capacity of vertical axis wind turbine and battery，provides a reference for the planning of building wind/PV/storage hybrid power generation system.

building wind/PV/storage hybrid power generation system；capacity optimization and configuration；off-grid；grid-connected

林世宇（1979-），男，福州振源科技開發有限公司工程師，從事配電自動化系統、新能源監測等工作。