農村風光儲綜合能源發電系統構建與運營策略研究

陳恭宇，張席華，黃冠華，袁德斌，劉志鵬，唐墨力，廖玲芳，范江霞

（廣西電網有限責任公司來賓供電局，廣西 來賓 546138）

農村地區的電網架構投資規模小、設備老舊，但是居民的用電負荷卻逐年增高，已經對農村電網運行的可靠性、安全性造成了較大的影響[1-2]。

農村地區存在大量具有一定坡度的屋頂，可用于建設分布式的屋頂光伏發電廠[3]。部分地區的農村也存在沒有障礙物、風力資源豐富的地區，可用于建設風力發電廠[4]。實際上，很多農村的太陽能資源、風能資源豐富，但是各類資源往往受到季節性、氣候性影響，具有隨機性、波動性的特點[5-7]。若能夠借助儲能系統的削峰填谷能力，將分布式的新能源整合利用，可構建新的風光儲綜合能源電廠[8-9]。

風光儲綜合能源電廠能夠減少農村電網的負荷峰谷差，達到支撐電網頻率、電壓的目的[10]。但是受限于價格、投資建設周期長、電網對于新能源發電的消納能力有限等原因的影響，分布式的風光儲綜合能源發電廠在農村地區的推廣仍然處于起步階段[11-12]。

如果能夠使用合理高效的風光儲綜合能源發電廠的運營方式，使得風力發電系統、光伏發電系統、儲能系統的經濟運行指標能夠獲利，則政府、企業與團隊將積極投入到農村風光儲綜合能源電廠建設中，擴大風光儲綜合能源電廠的應用范圍[13-14]。

本文設計了針對農村地區的風光儲綜合能源電廠，該電廠的容量較低，無法代替傳統火力發電廠的作用，農村電網中的調壓、調頻仍然通過火力發電廠提供。該風光儲綜合能源電廠僅配合農村配電網向居民提供電能。

本文主要研究了該風光儲綜合能源的運營方式，考慮各發電單元的經濟性能，實現經濟效益最大化，同時兼顧了該發電廠的調頻、調峰功能，縮小負荷峰谷差。

結果表明，該風光儲綜合能源電站不僅能夠滿足當地居民的用電需求，還能夠提高當地電網電能質量，而售電收入增加了當地居民的收入，提高當地居民的生活水平。

1 風光儲綜合能源電站構建

如圖1 所示為農村地區風光儲綜合能源電站的示意圖。其中風力發電機組放置于通風良好場地，風力發電機組的容量根據當地農村的天氣條件選取。光伏發電則可利用廣大農村房屋屋頂，根據當地太陽光照條件選擇太陽能板放置角度[15]。

圖1 風光儲綜合能源電站

圖1中，光伏發電系統中的光伏板目前可供選擇的方案有：背接觸式電池組件、多晶硅電池、單晶硅電池以及非晶硅薄膜電池。多晶硅電池的價格低廉，雖然單位面積效率低，但是技術成熟，適用于農村地區大范圍、大規模使用。

電池板安裝時，可采用固定安裝、斜單軸跟蹤安裝、平單軸跟蹤安裝、雙軸跟蹤安裝等方式，雖然雙軸跟蹤安裝模式能夠跟蹤太陽角度，提高太陽能利用率，但是成本高，不利于農村地區大范圍推廣。因此，本文選擇了固定安裝的電池板。

圖1中風力發電系統中風力發電機可選擇的電機種類繁多，如雙饋電機、異步電機、永磁電機。永磁直驅型風機的成本高、安裝困難，不適用于農村地區。本文選擇了成本低廉的雙饋風力發電機組。

儲能系統則采用了技術成熟、價格低廉的鉛酸電池。設計時，儲能系統的容量選擇為風力發電機組裝機容量的15%～30%，該儲能裝置能夠保證風力發電機組的輸出波動在10%以內。

該風光儲綜合能源電廠中的光伏發電系統、風力發電系統可根據當地季節性的氣候特征進行實時改造，比如根據季風方向實時調整風力發電機組的葉片方向。

2 風光儲綜合能源運營策略

2.1 經濟效益模型

風光儲綜合能源電站的可靠運行離不開經濟效益，因此須確定購電方式與售電方式，提高電廠的經濟效益。

當新能源發電功率大于負荷功率時，可向儲能系統充電。當新能源發電功率不足以提供負荷功率時，儲能系統放電。因此，須設計儲能電站的購電模式與售電模式。即風光儲綜合能源電站的經濟收益來源于儲能電站售電、購電的收益，可表示為：

式中：Pai為新能源發電系統每小時的發電功率；Q為該區域的耗電量；E為售電電價；F為購電電價；V為儲能系統儲能電能峰值；n為新能源發電系統的日均發電時間。

2.2 約束條件

儲能系統的總儲能約束可表示為：

式中：WPV為光伏發電系統輸送能量；Wwind為風力發電系統輸送能量；Wload為負荷的實際消耗能量。

風力發電機組輸出能量的約束條件可表示為：

式中：Wwindmin為風力發電機組輸出的最小功率；Wwindmax為風力發電機組輸出的最大功率。

2.3 運營策略

儲能系統的購電、售電是由當地負荷、新能源發電電量確定。新能源每天能夠滿發電的資源V1與新能源發電自然資源V0的差值ΔV可表示為：

式中：ΔVl為新能源系統在低谷階段的可用資源量；ΔVh為高峰階段的可用資源；ΔVa為平衡階段的可用資源。

當 ΔVl＜ΔV時，新能源系統在低谷階段不能滿額發電。

當 ΔVl＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa) 時，新能源系統在低谷階段與平衡階段不能滿額發電。

當 (ΔVl+ΔVa)＜ΔV＜(ΔVl+ΔVa+ΔVh) 時，新能源系統在低谷階段、平衡階段與高峰階段均不能滿額發電。

因此，儲能系統購電時間可表示為：

式中：h為新能源系統轉換成電能的系數；T為新能源發電系統工作時間；P0為儲能系統在每秒內儲能的能量。

假設系統低谷階段的小時數為T1、高峰階段的小時數為T2以及平衡階段的小時數為T3。

當t≤T3時，則儲能系統在低谷階段購電；

當T3≤t≤(T2+T3) 時，則儲能系統在低谷階段與平衡階段購電。

當t≥(T2+T3) 時，則儲能系統在低谷階段、平衡階段以及高峰階段購電。

此外，當新能源系統在低谷階段時，若不能確保負荷滿負荷運行，則新能源發電電能直接向儲能系統充電，因此此時購電電價將高于售電電價。

3 仿真結果分析

為驗證本文提出的運營策略，搭建了風光儲綜合能源電站，其儲能系統參數如表1 所示。光伏發電系統每月的平均日工作時間參數如表2 所示。風力發電系統每月的平均日工作時間參數如表3 所示。低谷階段、平衡階段以及高峰階段的時間如表4 所示，售電價格與購電價格可如表5 所示，不同季節用電量如表6 所示。

表1 儲能系統參數

表2 光伏發電系統時間參數h

表3 風力發電系統時間參數h

表4 電網峰平谷時間段

表5 電價元/(kW·h)

表6 耗電能量kW·h

將表1～表6 所示的數據代入到式（1）中可得，風光儲綜合能源發電場每月的平均日收益，如表7所示。

表7 平均日收益元

風光儲綜合能源電廠的維護費用較低，前期投入費用為170 萬元。即根據表7 可知，風光儲綜合能源發電廠僅須運營3 年即可收回成本。

4 結束語

本文構建了適用于農村的風光儲綜合能源電廠，可有效利用農村地區豐富的太陽能與風能資源。該電廠可削減負荷峰谷差，提高電力系統運行的可靠性與安全性，保障了農村居民的用電電能質量，并提高當地居民的經濟效益。

本文建立了該風光儲綜合能源發電廠的運營策略，以實現經濟效益最高為目標函數。分析了低谷階段、平衡階段、高峰階段，儲能系統的售電、購電策略。該售電、購電策略可節省大量新能源資源，提高了當地的經濟效益、社會效益以及環境效益。