并網型風光互補發電系統優化設計研究

１ 緒論
可再生能源的利用越來越受到各界廣泛關注，實現可再生能源利用的低成本，提高終端利用率，以達到推動產業化、市場化、因地制宜地開發利用可再生資源已經成為目前的研究熱點。深入研究風光互補發電優化理論框架與整體解決方案，為我國新能源電力系統發展提供理論支撐與科學依據，推進能源電力行業發展方式轉變與產業升級，具有非常重要的現實和科學意義。
經過世界各國多年的實踐經驗證明光伏或風力發電已經能小型化，因此風光互補供電系統的技術、市場應用方向應以民用并網為主，比如應用在航標上、家庭、工廠、監控設備的獨立電源等。國家已將其作為“精準扶貧”的重要措施，國家扶持政策鼓勵個人或家庭安裝發電裝置，發出的電可自用，多余的可售賣，資助農民在自家屋頂、農作物大棚等地安裝小型風電或光伏裝置。所以根據氣象條件合理利用和開發太陽能與風能，就能夠提高偏遠農村居民的電力服務質量，同時對我國貧困地區的可持續發展起到一定的促進作用。推進將風光互補發電系統引入普通用戶使用，節約用電成本。
風光互補發電系統在運行時，能夠依據用戶負載大小和環境資源條件進行系統運行的優化，保證系統運行在穩定與高效的狀態，從資源角度補充了光伏、風力獨立發電系統的不足。目前對風光互補并網發電系統的研究主要是系統整體的設計、研發、控制方法及系統優化設計。
２ 風光互補發電系統結構及基本工作原理
風光互補發電系統（ＷＰＨＧＳ）可同時使用風能和太陽能進行互補發電，充分考慮資源在時間和季節不同時分布特性的改變，控制系統運行，實現輸出功率的穩定，可分為離網型和并網型２種。并網型系統由風電系統、光伏系統、直流母線、儲能系統、ＤＣ／ＡＣ 等部分組成。系統利用直流母線將各個子部分集成一個整體。其中，風電系統由ＡＣ／ＤＣ變換器、發電機、風機組成，系統運行時發電機發出的交流電通過ＡＣ／ＤＣ 變換器轉換為直流，并與直流母線電壓之間匹配，從而進行最大功率跟蹤。光伏系統由光伏陣列和ＤＣ／ＤＣ 變換器組成，系統運行時光伏陣列和直流母線電壓通過ＤＣ／ＤＣ 變換器實現匹配，從而進行最大功率跟蹤。儲能系統由儲能裝置和雙向ＤＣ／ＤＣ 變換器組成， 運行時儲能裝置和直流母線電壓通過ＤＣ／ＤＣ變換器實現匹配，并由ＤＣ／ＤＣ 變換器對儲能裝置進行充放電管理，直流母線電壓通過ＤＣ／ＡＣ 變換器將直流電轉換為交流電，并通過適當控制實現并網發電。
２．１ 光伏發電系統工作原理
光伏電池是光伏發電系統的基本組成單元，由晶體硅片和其表面擴散層形成的。當ＰＮ結被太陽光照射時，硅原子外層的電子獲得能量變為自由電子并產生空穴，二者作為載流子而擴散、漂移，因此ＰＮ結兩端的接觸電極上將分別帶有正、負電荷從而產生了光生電勢，實現光電轉換過程。在實際應用中，影響光伏系統輸出功率的環境條件包括光照強度、氣壓、溫濕度、光照時長、照射角度等。因此系統輸出功率在不斷變化，但是當系統安裝完成后，其輸出功率可以通過數學建模的方式尋求其分布規律性從而進行預測。
２．２ 風力發電系統工作原理
風力發電系統負責將流動的風能轉化為電能，其組成主要包括風力機、傳動裝置、發電機、控制器部分。風力機是根據空氣動力學原理工作，將空氣流動的動能轉換成風輪旋轉的機械能。磁懸浮風力發電機集結構設計、工業產品設計、永磁電機、機械設計、空氣動力學、風洞測驗、計算流體力學和磁懸浮技術等學科于一體，采用輕型鋁合金、鈦金、不銹鋼緊固件等輕型特殊材料制造。得益于先進的磁懸浮技術和超級磁鐵的能量，可在沒有任何機械摩擦的情況下運轉。當磁懸浮風力發電機被風驅動時，電機轉動并切割磁力線發出交流電。
風光互補發電系統需要將風力發電子系統和光伏發電子系統產生的電能互相補充使用，可以存入蓄電池，也可以直接并入市井電網為負載供電。磁懸浮風力發電機因其材質和發電原理的優勢，所以發電高效，運行平穩，適合用于并網型風光互補發電系統。
２．３ 并網接入方案
并網系統設計的原理是將光伏系統發的直流電轉化為與電網電壓的電壓值、頻率值都相同的交流電，并入電網共同由負載使用，且使用時不區分是光伏系統發的電還是電網提供的電。
光伏系統產生的電量以自發自用為主，多余的并入市井電網，因其容量小所以對電網的穩定性不會產生影響。為了起到消峰的作用，可采用低壓配電側的并網方式，即把光伏側并網發電系統設置在負荷中心，可接于負載樓體的低壓側。如果配電網接入的光伏發電系統小于１５％～２０％，則不會出現電力送出（逆流），也不會影響電網自身能力，因此不用對電網進行改造就可直接使用，而電網公司僅需要進行負荷管理；因為系統的運行可以實現全部“自發自用”，所以等同于把光伏系統發出的電能以銷售電價賣給電力公司。
３ 風光互補發電系統關鍵技術
３．１ 光伏、風力發電的能量預測及優化
安裝風光互補發電系統地區的風能、光伏資源對系統的運行、控制都有重要影響，因此對資源評估，是非常必要的前期工作。所以要對地表風速進行測量和分析，由此進行風能資源預測評估，將結果作為風力發電子系統設計和優化的可靠依據。
光伏發電子系統的太陽能收集轉換裝置的設計與優化，與太陽輻射量大小有關，因此對其準確測量和預測非常重要。盡管可以采用專門的設備直接測量太陽輻射量，但其成本較高，且目標范圍較大也難于實現，因此，要設計研究簡單易實現的、對硬件要求不高的、精準預測太陽輻射量的方法，為合理開發利用太陽能提供可靠依據。因此采用基于人工神經網絡技術的方法對光伏、風力發電能量建模，預測發電功率，并將該模型與基于遺傳算法理論的智能算法相結合，優化模型參數，提高子系統發電功率預測準確度。
光伏子系統已經發出的電量數據和設備當地氣象數據對系統的優化設計都很重要，因此對這兩部分數據進行數學建模，并由此分析得到天氣類型（如陰、晴）、溫度、相對濕度、太陽輻射率、日照時數等條件對光伏子系統發電功率的影響，建立基于的神經網絡的光伏發電預測模型，通過遺傳算法對其優化，并用動態修正法提高模型預測精度。使用Ｍａｔｌａｂ軟件進行仿真，并對建立的預測模型在各種天氣類型中進行測試與調整。其中ＧＡ＋ＢＰ算法流程如圖１所示，光伏發電預測結構如圖２所示。

圖１ ＧＡ＋ＢＰ算法流程圖

圖２光伏發電預測結構圖
３．２ 風光互補發電的系統功率協調控制及優化
在實際應用中，影響光伏子系統出力的外界因素包括光照強度、溫濕度、傾角等。雖然系統輸出功率處于不斷波動中，但在某一固定環境下，對應固定的一個最大功率點，且動態變化，因此需要通過不斷地調節系統的負載特性，使其一直處于功率匹配狀態運行。風力發電子系統控制的核心目標是最大程度的捕獲吹過葉片掃掠面上的風能，而其能量轉換的效率基本由風力機決定。因此為了實現在不同風速下風機始終輸出最大功率，需要實時調整風機的轉速，使其運行在最佳轉速處。
常用的風力及光伏發電子系統的控制方法都是基于最大功率跟蹤（ＭＰＰＴ）方法實現的，結合采集到的本地區風力及光照氣象數據，對比各類ＭＰＰＴ方法，選擇適合的控制方法，并基于遺傳算法對控制參數進行優化，實現子系統運行的最優控制，以減小子系統發電功率波動對電網的影響，保證風光互補發電系統運行處于最佳匹配狀態。目前所采用的ＭＰＰＴ 算法有定電壓跟蹤法、插值計算法、擾動觀察法、模糊控制法等。
３．２．１ 定電壓跟蹤法
該方法的實現條件是溫度保持不變，光照強度不同，利用光伏電池在不同環境條件下輸出的最大功率點，近似的在同一條直線附近分布的特性，從而確定某一個定電壓，即確定為光伏電池最大功率輸出值的近似值。通過研究發現，若用Ｕｍｐｐ表示ＭＰＰ點的工作電壓，Ｕｏｃ表示光伏電池的開路電壓，則可得：
Ｕｍｐｐ ≈Ｋ１Ｕｏｃ （１）
式中，Ｋ１是比例常數，常取值為Ｋ１＜１。其值大小與自身電池性質有關。常設置為０．７９。在該算法中沒有考慮環境因素對輸出功率的影響，所以ＭＰＰ的跟蹤不夠準確。實際應用時，該算法常與閉環ＭＰＰＴ控制算法共同使用，可減少功率損耗，提高系統效率。由于定電壓跟蹤算法的控制簡單易實現，因此可以在較短時間內找出最大功率點的位置范圍，且閉環算法可以降低震蕩，使最大功率點的位置更準確。
３．２．２ 插值計算法
該方法的基本思想是設置橫坐標表示占空比縱坐標表示光伏電池輸出功率的坐標系，利用拉格朗日插值運算法將選取的節點信息進行擬合，在坐標系中得到擬合曲線，根據設備及資源情況設置最優規則，當實際輸出功率與擬合出的曲線功率滿足該規則時，就將這個擬合功率確定為ＭＰＰ點。
３．２．３ 擾動觀察法
該方法的基本思想是通過加入擾動變量而引起光伏電池的輸出電壓的變化，然后檢測當前的輸出功率值并與前一次檢測值進行比較，若較大，則表示擾動方向正確，則加大擾動變量值，若小于前一次檢測值，則表示擾動方向是錯誤的，則修改擾動方向。擾動法是目前實際比較常用的ＭＰＰＴ控制算法。
３．２．４ 模糊控制法
當控制對象系統較復雜，且為非線性系統，難以建立數學模型時，模糊控制法效果就好一些，該方法屬于新型智能控制算法，精度較高，但硬件實現較復雜，會增加成本。算法運行時，首先對輸入參數進行模糊化處理，然后利用知識庫進行模糊推理，最后經過反模糊化過程接入控制對象得到輸出。將模糊化、模糊推理、反模糊化、知識庫組成的整體稱為模糊控制器。
對光伏系統輸出功率進行采樣，用ｐ（ｋ）表示其采樣值，用Ｉ　（ｋ）表示電流采樣值，表示誤差變化量，則光伏系統模糊控制器的兩個輸入變量表示：

則可知當Ｅ　（ｋ）＝０時光伏系統輸出功率達到最大值。