風光互補發(fā)電潛力分析與系統(tǒng)優(yōu)化設計研究.pdf

1、可再生能源的開發(fā)和利用日益受到國際社會的廣泛重視。風力發(fā)電和光伏發(fā)電由于具有清潔、分布廣泛和便于利用等特點，已經(jīng)成為新能源領域的一個研究重點。風能和太陽能在時間上有互補性，蓄能方式也可以合二為一，將兩者有機組合構成風光互補發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以降低系統(tǒng)的單位成本，而且還有利于提高系統(tǒng)供電的可靠性，因而更加適應市場的需求。目前的風光互補發(fā)電系統(tǒng)大多數(shù)是作為獨立電源系統(tǒng)，為通信基站、微波站、邊防哨所、邊遠山區(qū)和牧區(qū)及海島居民提供電力。隨著技術的

2、進步，原材料和設備成本不斷降低，利用清潔能源發(fā)電的風光互補系統(tǒng)已經(jīng)被越來越多的人們所認識和接受，應用范圍日益廣泛。
　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)并不是風力發(fā)電和光伏發(fā)電的簡單組合，而是要考慮一系列復雜因素。這些因素包括地理位置、氣象條件、設備特性和負載要求等。因此，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計是一項復雜任務，它的主要目標是合理選擇和配置風力發(fā)電和光伏發(fā)電的容量，以充分利用太陽能和風能的互補性，并根據(jù)負載要求合理選擇蓄電池容量，在保證系統(tǒng)運行可靠

3、性的基礎上，盡量降低系統(tǒng)成本。這可以歸納為一個帶有約束的最優(yōu)化設計問題。
　　本文圍繞著對風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的主題，首先選擇國內(nèi)具有不同地理位置和氣候特征的地區(qū)，利用多年的氣象觀測數(shù)據(jù)分析其風能資源和太陽能資源狀況;根據(jù)對風力發(fā)電機和光伏電池的功率特性分析，研究建立風力發(fā)電和光伏發(fā)電的能量輸出模型;然后采用最優(yōu)化理論和方法，研究建立風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計的數(shù)學模型，并利用帶有整數(shù)性約束的遺傳算法對系統(tǒng)優(yōu)化問題進行求解和

4、分析;最后設計開發(fā)風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計軟件。
　　本文的主要研究內(nèi)容包括:
　　1.基于氣象臺站1981-2010年的氣象日值數(shù)據(jù)，對我國北京、哈爾濱、武漢、廣州、昆明、烏魯木齊等6個地處不同地理位置和氣候地帶的地區(qū)，進行風能資源狀況統(tǒng)計分析，比較不同地區(qū)的資源狀況差異，按月份對資源變化情況進行了分析和比較。結果表明，不同地區(qū)的風能資源狀況差異明顯，整體來說華北、東北、西北地區(qū)具有相對豐富的風能資源，而華中、華南、西南地

5、區(qū)的風能資源相對比較匱乏;風能資源由多到少的順序為哈爾濱、北京、烏魯木齊、昆明、武漢和廣州;一年中多數(shù)地方的春季風速最大。
　　2.采用平均值-最大值方法求解風速的Weibull分布參數(shù)，進一步分析各地方可利用風能資源狀況;然后根據(jù)風力發(fā)電機功率特性，建立風力發(fā)電的能量輸出模型，并對各地方的風力發(fā)電潛力進行測算和分析。結果表明，與各地方的風能資源評估結果基本一致，哈爾濱的風力機年發(fā)電總量最高，其次是烏魯木齊和北京，昆明的的風力發(fā)電

6、量較少，而武漢和廣州的風力發(fā)電量最少。
　　3.基于氣象臺站1981-2010年的水平面上太陽輻射數(shù)據(jù)，測算不同傾角的斜面上太陽輻射量，分析北京、哈爾濱、武漢、廣州、昆明、烏魯木齊等6個地區(qū)的太陽輻射能狀況。結果表明，較高緯度地區(qū)的太陽輻射量在夏季和冬季之間有明顯的波動，夏季的輻射量遠遠高于冬季;而較低緯度地區(qū)一年內(nèi)的輻射量變化相對較小;光伏陣列傾斜放置可以很好的平衡冬季、夏季的輻射量波動，使得輻射量在一年內(nèi)的變化幅度減小。

7、>　　4.研究太陽輻射量和日照時數(shù)之間的關系，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立太陽輻射日總量的預測模型;根據(jù)光伏電池等效電路模型及其修正公式，建立光伏發(fā)電的能量輸出模型，并對不同地方的光伏發(fā)電潛力進行測算和分析。結果表明，利用日照時數(shù)估測太陽輻射總量是可行的，BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型具有良好的自適應性;不同地區(qū)的年均光伏發(fā)電量也存在差異;多數(shù)地方是夏季半年的光伏發(fā)電量較高，而昆明則是春季的光伏發(fā)電量較高。
　　5.根據(jù)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計要求，采用

8、最優(yōu)化理論和方法，建立風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計數(shù)學模型。設計變量為風力機、光伏組件、蓄電池的數(shù)量以及光伏陣列傾角等4個，目標函數(shù)為成本最低，主要約束條件是負載缺電率。模型中的蓄電池電量采用時間序列法計算，分別針對兩種負載，采用帶整數(shù)性約束的遺傳算法對模型求解。結果表明，該數(shù)學模型可以較好的滿足系統(tǒng)優(yōu)化設計的需要;遺傳算法對此類有復雜非線性約束的優(yōu)化問題具有良好的適用性。
　　6.基于不同的負載要求，優(yōu)化設計不同地方的風光互補發(fā)電系