實際環境下光儲離網型發電系統優化設計研究

康慨 孫振宇 張超 張云龍 李慧

（湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430040）

0 引言

隨著全球化的深入，人類社會發展提速，經濟發展和生活質量的提高與電能的發展越來越緊密，但根據《2018年離網太陽能市場趨勢報告》，全球仍有超過10億人生活在無電地區，其中近50%人居住在撒哈拉以南非洲地區，近30%人居住在南亞，能源缺乏嚴重限制了上述地區的經濟發展。而化石能源的利用將使全球變暖的趨勢和對大氣的污染加劇，發展可再生清潔能源的電力供應受到了全球的高度關注，其中光儲離網型發電系統具有易實施、經濟性好、可擴展化、易維護等特點，受到了廣泛的研究和運用。

目前，國內外學者針對離網型互補系統進行了一定的研究。張濤[1]介紹了離網型風光互補發電系統設計的構成機理、基本模式和設計要點。李丹等[2]提出了基于NASA資源數據以風力發電機為基礎的風光互補發電系統設計計算模型，開發了用于風光互補發電系統配置的計算程序。李品等[3]提出了一種基于全年負載缺電率和全壽命周期成本為優化目標的風光儲互補發電系統優化設計方法。高峰等[4]提出了以電源總成本、負荷缺電率、電能浪費率、風/光輸出功率波動率 4 個指標最小為目標函數，并采用具有自適應交叉和變異操作的改進遺傳算法進行求解容量優化配置。上述文獻中，有的未對總成本進行優化；有的雖然以總成本、負荷缺電率進行多目標優化，但忽略了系統中光伏的實際環境運行特性和全壽命周期負荷匹配性[5]，且未給出工程實際的計算方法；有的采用了HOMER和Hybrid2軟件進行校驗，忽略了軟件控制策略對實際光儲離網型發電系統的適用性①HOMER Software. Available: http://www.homerenergy.com.[6-7]。本文根據系統實際運行特性，以系統負載滿足率、壽命周期成本為主要約束因子，從用戶負荷特性、太陽能資源分析、光伏組件實際環境發電特性、儲能特性、電能匹配特性等角度分析，給出了光儲離網型發電系統的優化設計方法，并通過實例進行了分析及運用。

1 光儲離網型發電系統概述

光儲離網型發電系統如圖1所示，主要包括光伏組件、光儲一體機、儲能單元、負荷以及監控及計量系統。光伏組件將太陽能轉換為電能，通過匯流箱和光伏控制器將電能存儲在儲能單元或者經過逆變器轉換為交流電，是光伏系統的能源生產單元，也是系統投資較大的部分；儲能單元主要用來儲存系統過剩的電能，并在光伏發電功率不足時、晚上以及陰雨天時，將儲存的直流電能經逆變器輸出供給負荷使用，也是系統投資較大的部分；光儲一體機是將直流電轉化為交流電的設備，通常和控制器集成在一起，兼顧逆變和控制功能，其作用是將直流電轉變為滿足一定要求的交流電能；監控系統用于集中記錄并顯示光伏組件運行情況、系統運行參數及電能輸出情況，以及用戶用電量等數據，便于運行維護人員實時掌握系統運行狀況。

圖1 光儲離網型發電系統供電原理圖Fig. 1 Power supply schematic diagram of off-grid solarbattery power system

2 系統優化設計方法

2.1 負荷分析及典型負荷的提取

電力用戶的負荷變化是一個非穩態的隨機過程，與用電習慣和負荷特性有很大關系。根據負荷曲線時間尺度的不同，可分為年度、季度、月度以及周典型日負荷曲線等，考慮到偏遠區和無電區用戶的實際用電時間、習慣、負荷特性及用戶數據資料搜集的難度，本文以月度典型日負荷進行分析。典型負荷曲線提取方法主要有最大日負荷、均值法、加權平均法、聚類算法等[8-10]，考慮到系統的經濟性和負荷滿足率問題，本文以加權平均法作為提取方法。

1）負荷的分析

由于偏遠或無電區域大多未安裝電能計量表，負荷數據搜集較為困難，目前通用的做法是進行現場季節性調研。在調研過程中對負荷類型進行分類統計，需著重對居民、政府機構、軍營、職高中、小初中、醫院、衛生所、教堂、清真寺、工業廠、商戶、路燈等公共用電負荷和用戶負荷的用電時間、負荷類型、用電習慣以及同時率問題進行調查分析，并整理出相應的負荷分析表，如表1所示。

表1 負荷分析Table 1 Load analysis

2）典型負荷的提取

將日發電量作為月度典型負荷曲線中該日的權值，對月度負荷數據進行加權平均得到月度典型負荷曲線[10]，根據該月度每天的發電量和總發電量，計算該月度第j時點的典型負荷為：

式中，Δt為負荷采樣時間，一般取1 h，與此同時n取值為24；m根據月度天數來取值；pi,j為該月度第i天第j時的負荷。

2.2 光伏系統優化設計

對于光儲離網型發電系統來說，光伏組件發電的能量來源于太陽，光伏陣列所接收的太陽輻射量與傾角有關，光伏陣面上所獲得的輻射量決定了系統整體的發電量和正常運行，因此系統優化設計的前提是做好光資源分析、光伏陣列的傾角設計、組串設計以及容量設計。

目前在大多數系統設計時未詳細分析各月的輻射量，而直接以全年月均輻射量為設計依據，且以年均輻射量最大的傾角作為設計的傾角，忽略了每月典型日輻射量的變化特性、環境溫度對光伏出力的影響以及負荷需求匹配性[11]，從而導致了系統運行過程中負荷滿足率低、初始投入成本高的缺點。下面以非洲某地區（14.4°E，14.3°N）實際的光資源分析為基礎進行分析說明。對國際主流的太陽能資源評估數據源Meteonorm、SolarGIS和NASA進行數據分析比較，通過PVsyst得到該區域的不同傾角光伏斜面的輻射量，如表2所示。

表2 不同傾角光伏斜面太陽輻射（單位：(kW·h)/(m2·d) ）Table 2 Solar irradiation of photovoltaic inclined planes at different angles (unit: (kW·h)/(m2·d))

由表2可知，該區域斜面上輻射量最大的傾角為18°～20°，而在18°～20°時，7月斜面輻射量值很低，如果按照該角度進行光儲系統設計，為了滿足負荷需求，需增加光伏組件的裝機容量，這樣就會在10月—次年1月有大量的棄光產生，同時增加系統的總成本（組件超裝和支架成本）。為了保證既能較好地滿足負荷需求又不產生過量的棄光，需降低斜面傾角。當斜面傾角在8°～12°時，能較好地滿足負荷滿足率、棄光率低和總成本低的需求，另外，在設計過程中需考慮光伏出力與溫度之間的關系，光伏組件隨溫度的功率效率如式（2）所示：

式中，αp為功率溫度系數；GT為斜面輻照度；GNOCT為工作輻照度，一般取800 W/m2；TNOCT為一般組件溫度；Ta,NOCT為NOCT對應的環境溫度；Ta為環境溫度。

在考慮斜面傾角時還需考慮光伏月典型日的出力曲線與負荷的匹配情況，實際環境下光伏出力與負荷變化趨勢、負荷滿足率、棄光率低、總成本低等因素。在做光伏系統設計時，光伏組件串聯數量的設計也尤為重要，組串數量主要考慮溫度、MPPT跟蹤電壓范圍以及允許的最大直流電壓，具體設計時可參考文獻[12]，同時也需滿足儲能直流側電壓的范圍。

2.3 系統容量優化設計

目前光儲離網型發電系統應用區域通常具有白天用電量少、晚上用電量多的特點，且主要是居民用電。因此光儲離網發電系統需滿足白天用電，同時通過儲能單元將白天剩余的電能存儲起來，在光伏發電功率不足時、晚上以及陰雨天時，將儲存的直流電能經逆變器輸出供給負荷使用。在進行光伏系統容量設計時，考慮到光伏直接逆變和經儲能然后再逆變后供應負荷時的效率不一樣，在光伏系統設計時需綜合光伏直接逆變供應的負荷、儲能單元轉換并逆變供應的負荷，也可粗略歸類為有日照時的白天負荷、夜晚負荷以及陰雨天自給天數總負荷，則光伏系統設計容量可按式（3）考慮：

式中，Qd為光伏直接逆變供應的電能；Qi為經儲能逆變后供應的電能；i為負荷增長率；hpeak為日輻照峰值等效小時數；φn為第n年的光伏衰減率；λ為保證系統可靠系數，一般大于等于1；η1為光伏直接逆變時的效率，一般可取82%；η2為光伏經儲能逆變后的效率，一般可取75%。

在進行儲能系統的容量設計時，需考慮環境溫度、放電深度、充放電效率、逆變效率、當地負荷特性以及陰雨天自給天數，儲能容量的設計如式（4）：

式中，m為陰雨天自給天數；Qall為全天負荷需求電量；當m＝0時，Q0包含白天部分光伏瞬時功率不足以支撐的剩余負荷、夜間負荷、光資源大于典型日代表值時剩余的光伏發電量（如考慮經濟性，此值也可不考慮）；當m≥1時，Q0包含白天部分光伏瞬時功率不足以支撐的剩余負荷、夜間負荷；i為負荷增長率；n為第n年；DOD為最大放電深度；ηT為溫度修正系數；ηDC為儲能單元轉換效率；ηinv為逆變器效率。

3 實例分析與計算

非洲區域整體電力發展緩慢，大部分村莊至今尚未通電，但太陽能資源十分豐富，采取光儲離網型發電系統可發揮太陽能資源優勢，讓能源與環境結合發展，改變此類區域邊遠地區民眾無電可用的狀態，緩解供電壓力，下面以非洲某地區（14.4°E，14.3°N）為案例進行分析與計算。

非洲某區域村莊有250戶家庭，每個家庭負荷有照明、收音機，多個家庭才有1臺電視機、電風扇；公共負荷有1個學校，1個活動中心，1個衛生所，2個寺廟，1個基站和40個路燈，該區域的光伏資源情況如表2所示。針對負荷情況和光資源情況，根據第2節中負荷的提取和分析方法、光伏系統優化方法，考慮到0.7的負荷同時率，得到非洲該區域典型的負荷曲線與8°、10°、12°傾角下光伏出力，如表3、圖2—圖4所示。

表3 考慮溫度后不同傾角太陽輻照和實時負荷Table 3 Solar irradiation of photovoltaic inclined planes at different angles considering temperature and hourly loads

綜合考慮滿足斜面上實際環境下光伏出力與負荷變化趨勢、負荷滿足率、棄光率低、總成本低等因素，當斜面傾角為10°時為最優角度。

在進行光伏系統容量設計時，光伏組件10年后功率衰減為91%，20年后功率衰減為15%；根據需求項目僅考慮系統5年內年2%的負荷增長率，后期再進行擴建電源以滿足增長符合的需求；為保證系統20年期間負荷需求電力，取值為1.2。根據負荷日典型曲線圖可以看出，18時以前負荷均小于光伏出力，18時以后負荷出力大于光伏出力，因此白天光伏直接的供電量為34.43 kW·h，其他多余電能儲存起來，晚上儲能的供電量為74.02 kW·h，根據式（3）可得光伏的總裝機容量為31.2 kW，考慮到光伏的組串組成，若采用315 W光伏板，裝機容量為31.5 kW。

圖2 考慮溫度后8°斜面輻射量與負荷關系圖Fig. 2 Relationship between 8°angle radiation and load by considering temperature

圖3 考慮溫度后10°斜面輻射量與負荷關系圖Fig. 3 Relationship between 10°angle radiation and load by considering temperature

圖4 考慮溫度后12°斜面輻射量與負荷關系圖Fig. 4 Relationship between 12°angle radiation and load by considering temperature

在進行儲能容量設計時，為保持系統的經濟性，僅考慮日照時當天備用，不考慮連續陰雨天供電，即m取值為0；DOD最大取值為0.7，溫度修正系數暫取值為1，儲能轉換和逆變器逆變綜合效率取值為0.92，根據該區域負荷特性，白天不存在負荷大于光伏出力，僅考慮晚上供電量的滿足情況，因此可得儲能的裝機容量為126 kW·h，可采用158節2 V 400 Ah鉛碳電池組，標稱容量為126.4 kW·h。

采用如上系統配置后，考慮到光伏、儲能以及負荷用電，第1年、第5年和第20年的典型日系統剩余電量累計圖如圖5所示，可以看出，第20年系統剛剛夠滿足負荷總體需求，第21年由于光伏組件持續的年衰減，系統發電量不足以支撐負荷用電，也同時說明了本優化方案的合理性。

圖5 第1、第5、第20年典型日電量剩余累計圖Fig. 5 Typical daily electricity residual accumulation in the 1st, 5th, and 20th years

4 結論

光儲離網型發電系統利用當地的太陽能資源，較經濟地滿足了偏遠區和無電區人民的用電問題，克服了傳統采用柴油機發電帶來的污染和高耗能問題。本文從負荷分析、典型負荷提取、基于實際環境下光資源與負荷綜合分析、容量優化設計等幾個方面對光儲離網型發電系統進行了優化設計，并通過實際的案例進行了分析說明，較好地滿足了當地的供電需求，也為后續為偏遠區和無電區區域供電提供了參考。