1、风光储互补发电系统南 京 师 范 大 学毕业设计（论文）（2015 届）题 目： 风光储互补发电系统优化配置算法研究 学 院： 电气与自动化工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 专业方向： 电力系统及其自动化 班 级： *D 学 号： * * * * 指导教师： 马刚 职 称： 讲师 填写日期： 2015年5月18 日 电气与自动化工程学院 制摘要近年来，传统能源消耗的剧增以及全球变暖等问题受到全世界人们的广泛关注，愈来愈多的人将目光转向于可再生能源。风能、太阳能作为主要的可再生能源，已经具备高度的开发与利用水平。而两者所具有天然的互补性，使得风光储互补发电系统已经成为充分利用这两种可再生能
2、源的重要途径，具有广阔的应用前景。风光储互补发电系统的容量配置对整个系统的性能有着直接的影响，是系统设计的关键内容之一。本文针对发电系统容量的优化配置问题进行研究，主要内容如下：(1) 基于风光储互补发电系统的基本结构与原理，结合实际工程的简化需要，建立光伏发电、风能发电的发电量模型及蓄电池的能量模型，为系统容量的优化配置提供模型基础。(2) 深入分析风光储互补发电系统的性能，提出了全面的系统评价体系。该评价体系包括负荷正常工作率、能量浪费率、系统能量波动率及综合成本四项指标，能够从系统可靠性、能源利用率等多方位评估风光储互补发电系统的性能。(3) 建立风光储互补发电系统中各发电单元容量的基本
3、优化配置方法。提出基于遗传优化算法及权重系数变化法相结合的优化配置算法，优化风光储互补发电系统中各发电单元的容量配置。(4) 基于Matlab 2012b软件的编程实现所提出的优化配置算法，以中国张家口地区的实际天气数据以及实际用电负荷设计算例，验证本文所提出优化配置方法的合理性。关键词：可再生能源，风光储互补发电系统，优化配置，遗传算法，多目标优化AbstractIn recent years, more people pay attention to the development and utilization of renewable energy for the problem of
4、 the increasing of traditional energy consumption and global warming. As the main renewable energy, solar and wind energy have the high development and utilization level. Wind-solar-battery hybrid power system has become the effective approach to taking advantage of these two kinds of renewable ener
5、gy because of their natural complementarity, and this system has broad potential application.Capacity configuration of wind-solar-battery hybrid power system has effect to the whole power system directly, and is one of the important segments for system design. This paper carries on an investigation
6、into the optimal configuration problem of hybrid power system and the key research contents are as follows:(1) Based on the basic structure and theory of wind-solar-battery hybrid power system, this paper takes the simplification requirement of practical engineering into account and establishes the
7、wind power energy model, PV panel generation model, and battery energy model, which provides the foundation to the optimal configuration calculation.(2) After analyzing the property of wind-solar-battery hybrid power system, the paper puts forward the all-sided evaluation system. In the evaluation s
8、ystem, it contains Normal Operation of Power Load Probability, Loss of Energy Probability, system energy fluctuation rate and comprehensive cost, so it can assess the performance of hybrid power system comprehensively, such as system reliability, energy utilization ratio.(3) This paper establishes t
9、he basic optimal configuration method for wind-solar-battery hybrid power system and puts forward optimal configuration algorithm based on genetic algorithm and weight coefficient method. As a result, the capacity of generation unit in hybrid power system can be optimized.(4) Based on the software M
10、atlab 2012b, this paper realizes the proposed optimal configuration method, and verifies rationality of the optimal configuration method proposed in this paper by analyzing the example based on the weather data in Zhangjiakou and actual power load data.Keywords: Renewable Energy Source, Wind-Solar-B
11、attery Hybrid Power System, Optimal Configuration, Genetic Algorithm, Multi-objective Optimization.1. 绪论1.1 课题研究的背景及意义世界的发展离不开能源，能源的开发与利用已经受到全世界人们的广泛关注1。自工业革命以来，随着全球经济与世界人口的快速增长，世界各国对于能源的消费量与日俱增。当前，世界上绝大多数的国家所消耗的主要能源为传统的化石能源。然而，化石资源是不可再生能源。随着化石能源的大量消耗，地球上现存的化石能源正逐渐枯竭。人类历史上多次发生的能源危机，已经警醒人们：地球上的化石能源储量
12、有限！同时，随着环境问题的日益严峻，化石能源的持续使用给环境带来的影响同样越来越受到关注。一方面，化石能源的燃烧通常会带来大量的粉尘、硫化物（SO2）等有害污染物质排放，这将会导致大气环境污染等问题，使得人类以及其它各种生物的生存环境遭到严重破坏，威胁人类的自身健康；另一方面，由于化石能源的大量使用，大量的CO2气体被排放至空气中，这将会导致温室效应加剧，全球气温升高，最终导致南、北级部分冰山逐渐融化，迫使海平面上升，严重破坏自然生态环境。在如此严重的能源问题面前，世界各国都在努力开发、研究、利用可再生能源，并且各国政府也都在加快制定有关政策与法规，促进本国清洁可再生能源的发展。2007年，欧
13、盟理事会提出欧洲能源技术发展战略规划，在其规划中指出，至2020年底，欧盟各成员国利用可再生能源的发电量将占全部发电量的33%，最终欧盟将以分布式发电为各成员国的主要发展方向；美国政府在2009年颁布的国家清洁能源与安全法案中指出：至2020年底，国内所有的电力公司均应通过可再生能源和改进提高能效等方式，满足全国大约20%的电力供应需求，其中利用清洁能源的发电量应占总量的约15%。随着中国经济的飞速增长以及工业化、城市化水平的提高，我国能源消耗量逐渐增大。目前，中国已成为全球主要的能源消费大国。根据国家统计局今年年初所发布的统计公报：2014年，我国全年总能源消耗量超过42亿吨煤当量，其中煤炭
14、的消耗量占消耗总量的66.0%，清洁可再生能源消耗量占消费总量的17%。从统计数据可见：传统煤炭等能源的消耗量在我国十分巨大；但同时也能发现，目前我国正在努力提高可再生能源的利用率。根据我国最新发布的能源发展战略行动计划（20142020）2，中国将以更快的速度发展与建设节约、高效的能源体系，其中关键的一点就是改善中国当前的总体能源消费构成，减少煤、炭等化石能源消费在全国能源消耗总量中所占的比例，全力开发利用各种清洁的可再生能源。可再生能源种类繁多，其中风能与太阳能两类能源最受关注，也最具发展前景。然而，风能与太阳能两者都有较强的随机性与间歇性，对其开发利用受自然条件的约束较大。随着研究的不断
15、深入，发现从宏观上来看风能与太阳能有着自然的互补特性3；白天太阳辐射量大而风速低，夜晚太阳辐射量小而风速高；夏季太阳辐射量大而风速低，冬季太阳辐射量小而风速高。较之于独立的风力或太阳能发电，将两者有效结合能够充分利用其互补特性，提高能源的利用率。本文的研究对象为风光储互补发电系统，其具有多方面优点：可利用两种可再生能源的天然互补特性，提高供电可靠性；在保证相同供电量及可靠性的前提下，能够有效减少蓄电池的使用量，减少投资；综合利用多种可再生能源，提高发电系统的经济效益4；解决远离电网的偏远地区用电需求。因此，建设风光储互补发电系统是未来利用可再生能源的有效途径之一。然而，目前人们对于风光储互补发
16、电系统的研究还尚处于初级阶段，关于此类问题的参考文献资料较少。本文所讨论的风光储互补发电系统的配置问题是系统在规划设计阶段要面临的一个重要问题，其对于发电系统的可靠性、可再生能源的利用能力以及系统建设成本等方面都有重要影响。因此，对风光储互补发电系统的研究具有重要意义，主要体现在以下4个方面5：（1）节约传统能源：通过利用风能与太阳能进行发电，有效减少化石能源的开采与使用，降低人们对于煤炭等资源的依靠；（2）保护生态环境：风能与太阳能都属于清洁的可再生能源，其发电过程不会带来大量污染问题（如空气污染、温室效应等），对自然生态环境影响很小；（3）提高经济效益：充分利用多种可再生能源发电，较传统的
17、单风/光发电有较高的经济效益，且一次建设后无需支付能源费用，仅需要部分运行维护开支。（4）解决用电问题：利用可再生能源发电，可以有效解决常规能源缺乏且经济较落后地区的用电问题；同时对于个别特殊领域，如：海上航标、高山及偏远地区观测站等地无常规能源地区，通过可再生能源提供电能而不消耗燃料，最为经济可靠。1.2 研究现状及存在的问题1.2.1 风能发电与光伏发电的研究现状（1）风力发电技术早在19世纪末期，丹麦科学家率先研制出了风力发电机组，但是由于当时的社会对能源消耗并不大，直至20世纪70年代以前，只有小型的充电用风力发电机在社会实际生产中得以应用1。但随着全球范围内能源危机的不断出现，愈来愈
18、多的国家与地区逐渐意识到对可再生能源的开发。风能是一种典型的清洁能源，其具有储量大、无污染等特点，其总装机容量已从上世纪80年代初的几十千瓦提高到2012年的2.82亿千瓦，在短短30多年的时间里，全世界已有超过30个国家建设大型风力发电场，其发展速度之快，是任何一种能源都无法比拟的。图1-1为2005年到2014年全球风力发电累计总装机容量变化图。从图中可以看出，风力发电正成为可再生能源发展的关键部分之一。图1-12005-2014年全球历年风电累计装机容量变化目前，对于风力发电的研究主要集中在以下几方面：（1）风电功率预测方面6-7：赵文辉基于天气预报的气象数值预测，利用时间序列法对短期的
19、风能进行有效预测；Brandon Mauch等基于标准logit模型，对不确定风速的进行有效预测。（2）风力发电控制策略的研究8-9：高晗璎等提出基于电压外环、电流内环的控制策略，优化了风电并网系统的基本性能；E.Youssef等通过比较线性与非线性控制对并网风力发电，设计了PMSG风机的控制系统。（3）低压穿越研究10-11：陈明亮等设计新型风电变流器，消除谐波干扰而无需增加滤波器；W.Y. Guo等利用类开关型故障电流限制器技术，提升了风电系统的低压穿越能力。（2）光伏发电技术20世纪中期，Bell实验室的科研人员成功设计制造出首块采用单晶硅的光伏电池。从此以后，由于环境与能源问题的不断突
20、出，世界各国对于光伏技术的研究都有着巨大进展。中国幅员辽阔，其中超过60%的地区太阳年辐射总量大于4000MJ每平方米，年日照时长均值超过2100小时，尤其在我国西北地区，光伏发电具有很大的发展潜力。我国的太阳能发电始于1958年。直至上世纪80年代末，光伏技术产业才在我国基本形成，并进入持续发展阶段。截至2014年底，我国累计光伏装机总容量已经超过28GW12。图1-2为2009-2014年我国光伏发电总装机容量图。图1-2近几年我国光伏发电装机总容量变化目前对于光伏技术的研究，主要研究关键为以下三个方面：（1）最大功率追踪方法的设计13-14（MPPT）：刘玉明利用改进粒子群优化算法，提出
21、PV发电系统中的优化最大功率跟踪控制策略；T. Esram等基于脉动关联控制提出了MPPT控制算法。（2）并网逆变器的设计15-16：余运江针对单相光伏发电系统设计改进的并网逆变器及其控制策略；Y. Taesik等基于直接电流控制算法，提出光伏逆变器的改进控制策略。（3）孤岛监测技术17-18：张纯江等基于电流的扰动算法，提出一种有效而快速的孤岛监测方法；J.A. Laghari等提出一种可以应用于具有多种分布式电源的孤岛监测方法，用以解决分布式发电对孤岛检测的影响。1.2.2 风光储互补发电系统配置的研究现状随着对清洁可再生能源发电需求的不断增长，风能与太阳能引起人们的普遍关注。为了克服单独
22、风力与单独光伏发电的局限性，人们逐渐认识到两种清洁能源之间所固有的天然互补性19。目前，全世界范围内的许多高校、科研机构及可再生能源公司都开始研发风光储混合的发电系统。而在风光储互补发电系统的研究应用过程中，发电系统中各发电单元容量的优化配置是系统设计的重要也是首要环节，也是关键技术之一。其既能够满足对供电可靠性的要求，又能够减少投资的费用，从而全面提高风光储互补发电系统的综合性能。早期，对于风光储互补发电系统的单元配置只能依赖于系统设计者的经验对各单元进行简单的优化组合。而这必然对设计者本身的经验水平有很高的要求，并且也没有考虑到混合发电系统中各发电单元的实际模型，往往导致设计的互补发电系统
23、可靠性较低，经济性较差20。随着新能源发电技术的不断深入发展，关于风光储互补发电系统的研究也日益增多。国内外学者对风光储互补发电系统的优化配置已经做了一定的研究。国外学者关于风光储互补发电系统的研究起步较早，目前已经编写出有关的模拟仿真软件。其中，以美国国家能源实验室和科罗夫多州立大学合作研发的HYBRID2软件以及由美国能源实验室自行开发研制的Homer软件为主要代表。其中HYBRID2是非常典型的仿真软件，它能够基于读入的实际气候与地理条件以及所设计的互补发电系统的设备构成，在短时间内仿真计算出一年365天内系统中各单元的工作状况。但是，该软件只具有模拟仿真的功能而并不具备系统优化功能，并
24、需要使用者有较高的专业设计水平；Homer作为专门针对风光储互补发电系统优化配置所开发的专业软件，其软件自身以系统建设投资成本为优化设计目标，以可靠性为约束条件进行优化设计。但该软件采用遍历搜索的算法，即要求在使用之前预先估算出风力发电机、光伏电池板以及蓄电池基本所需数量，并由用户给出多种不同的具体设计方案。这同样要求用户具有一定的系统设计经验，并且通常情况下，使用者无法在设计前具体估算出发电系统中各发电单元的所需数量。其它关于风光储互补发电系统优化配置的研究，主要有：Shafiqur Rehman等全面分析了风光储互补发电系统的可行性21；Rachid Belfkira等利用DIRECT算法
25、，以系统总体成本为目标，发电量与负荷耗电量平衡为约束条件，对风光柴储混合发电系统进行优化配置22；S.M. Hakimi 等基于改进的粒子群算法对独立风光混合发电系统进行优化设计23，提出了以总成本为优化目标的优化配置算法。同时，国内学者对此问题也做了一定研究。李品等给出了风光储互补发电系统的基本优化模型以及优化思路24，但并未设计算例对其进行验证；曾鸣等利用基于改进的Lagrange分解法提出风光混合发电系统的优化配置算法25，其主要以系统成本为优化目标，但计算模型较为简略；徐大明等基于NSGA-II优化算法26，以系统成本与负载缺电率为目标，提出风光互补独立供电系统多目标优化策略。当前，我
26、国也在大力发展风光储互补发电系统。2009年国家风光储示范工程一期建设基本完成27，地址位于河北省张家口市，该工程对清洁新能源建设，特别对风光储发电的推广起到示范与领头作用。1.2.3 目前存在的问题综合以上所有关于清洁可再生能源的发电技术，特别是风光储互补发电系统中容量优化配置的研究现状，可以发现对于风光储互补发电系统优化配置方面的研究已经有不少进展与研究成果，但是对于发电单元建模、系统评价体系建立等问题方面还有待于进一步研究，以下几个方面的问题亟须解决：（1）建立合适的发电单元模型。目前关于混合发电系统中发电单元建模过于简单或不符合实际工程需要。本文研究风光储互补发电系统的基本结构及原理，
27、结合实际计算的需要，建立满足工程需求的简化计算模型，用以计算各发电单元的发电量，为优化计算提供模型基础。（2）构建全面的系统评价体系。现有的常规方案评价指标较少，导致评价体系不够全面。需要通过分析系统的性能特征，研究并提出全面评估系统的评价体系，提高系统多方面性能。（3）设计合理的优化算法。目前，可用于优化计算的算法较多，选择合适算法有利于提高计算效率。本文在前人研究基础上，并结合本文的工程实际需要，选取合适优化算法并设计对应计算流程，实现优化配置问题的求解。1.3 论文主要研究内容风光储互补发电系统的优化配置问题是人们发展混合新能源发电技术时广泛关注的重要问题之一，设计合理的发电系统优化配置
28、算法是解决此类问题的有效途径。在当前国内外关于风光储互补发电系统优化配置研究的背景下，本论文针对目前存在的不足之处进行分析研究，主要的研究内容由以下4个方面组成：（1）简要分析风光储互补发电系统的主要结构及各单元的工作原理，构建风光储互补发电系统中的风力发电模型、光伏发电模型以及蓄电池的能量模型，为优化配置计算提供模型基础。（2）综合考虑发电系统的供电可靠性、可再生能源利用率、系统能量波动率以及综合成本等因素，建立能够全面评估风光储互补发电系统的评价体系，为实现优化配置提供主要评价依据。（3）基于遗传优化算法的基础上，结合权重系数变换法，设计能够实现多目标优化的优化算法。并基于此提出风光储互补
29、发电系统的优化配置算法。（4）基于Matlab 2012b软件设计程序实现本文所提出的优化配置算法，结合河北省张家口地区实际气象数据及用电负荷数据，选择具体的风力发电机、光伏电池板以及蓄电池，设计验证算例，验证本文所提优化配置算法的合理性与有效性。2. 风光储互补发电系统的电源模型2.1 引言对于风光储互补发电系统的容量配置，首先要建立系统中各发电单元的发电量模型，从而求得各发电单元在实际的天气条件下所能发出的电量。而在优化配置时所使用的发电量模型，应该在保证满足工程计算的需求的前提下，尽可能的简化计算过程，提高算法的计算效率。本章一开始简单地说明风光储互补发电系统的基本组成以及系统中各元件的
30、作用；接着重点对其中三种关键的电源单元：光伏电池板、风力发电机以及蓄电池进行深入研究，分别建立起各电源的发电量计算模型，为发电系统的容量优化配置奠定基础。2.2 风光储互补发电系统的基本原理本文研究对象为综合风能发电、光伏发电两种清洁发电技术于一体的混合发电系统。其主要结构由风力发电机、光伏电池板、蓄电池和各电源对应的变换器、控制器及卸荷电路等构成。目前常见的共DC母线风光储互补发电系统的示意图如图2-1所示。图2-1共DC母线风光储互补发电系统示意图在图2-1中，风光储互补发电系统中发电任务由光伏电池与风力发电机完成。其中，风力发电机的主要发电原理为：利用自然界中的风能使得风机中的叶片发生转
31、动，并借助于提速装置将由风能带来的转动速度提高，从而拖动发电单元产生电能。双馈型风力发电机由于其成熟的技术、低廉的成本成为市场主流；光伏电池板利用太阳能进行发电，其主要原理为“光生伏打”效应：当由半导体材料所组成的光伏单元吸收太阳能辐射后，将电子从原子中释放出来从而在半导体材料内部形成电流。为提高光伏电池板所发出的电量，工程中常将多个光伏电池板通过串、并联的方式形成光伏电池板组，利用光伏电池板组向负荷供电。为提高系统发电的可靠性与稳定性，确保极端天气（无日照、风速低）时系统的供电安全，风光储互补发电系统常设有一定量的蓄电池。发电系统中所安装的蓄电池具有双重功能：储能与供电。当系统的发电量大于用
32、电负荷所消耗的电量时，蓄电池将多余的电量进行储存；当系统的发电量小于用电负荷消耗的电量时，蓄电池将作为电源向用电负载输出电能。蓄电池在系统中起到稳定系统电量、提高供电可靠性的作用。在众多蓄电池中，铅酸蓄电池具有免维护、自放电小比容量高等特点，广泛应用于可再生能源的发电系统中。若当系统发电量大于负荷消耗且蓄电池已经储满时，多余的电能通过系统中的卸荷电路进行消耗。风力发电机、光伏电池板、蓄电池通过变换器将所发电量一起汇聚至DC母线，DC负荷可以从DC母线上直接获得供电，而AC负荷要通过逆变器将直流电转换为交流电后获得电能供应。同时，变流器与逆变器还能起到稳定系统输出，提高电能质量的作用。从风光储互补发电系统的基本结构中可以看出，系统的发电成本与风力发电机的型号及输出功率、光伏电池板的型号及可用面积和蓄电池的型号及最大可用容量有着密切的关系。在满足系统供电可靠性的前提下，对风光储互补发电系统中三种发电单元：风力发电机、光伏电池板及蓄电池
