并网型风光互补发电系统优化设计研究

１ 绪论
可再生能源的利用越来越受到各界广泛关注，实现可再生能源利用的低成本，提高终端利用率，以达到推动产业化、市场化、因地制宜地开发利用可再生资源已经成为目前的研究热点。深入研究风光互补发电优化理论框架与整体解决方案，为我国新能源电力系统发展提供理论支撑与科学依据，推进能源电力行业发展方式转变与产业升级，具有非常重要的现实和科学意义。
经过世界各国多年的实践经验证明光伏或风力发电已经能小型化，因此风光互补供电系统的技术、市场应用方向应以民用并网为主，比如应用在航标上、家庭、工厂、监控设备的独立电源等。国家已将其作为“精准扶贫”的重要措施，国家扶持政策鼓励个人或家庭安装发电装置，发出的电可自用，多余的可售卖，资助农民在自家屋顶、农作物大棚等地安装小型风电或光伏装置。所以根据气象条件合理利用和开发太阳能与风能，就能够提高偏远农村居民的电力服务质量，同时对我国贫困地区的可持续发展起到一定的促进作用。推进将风光互补发电系统引入普通用户使用，节约用电成本。
风光互补发电系统在运行时，能够依据用户负载大小和环境资源条件进行系统运行的优化，保证系统运行在稳定与高效的状态，从资源角度补充了光伏、风力独立发电系统的不足。目前对风光互补并网发电系统的研究主要是系统整体的设计、研发、控制方法及系统优化设计。
２ 风光互补发电系统结构及基本工作原理
风光互补发电系统（ＷＰＨＧＳ）可同时使用风能和太阳能进行互补发电，充分考虑资源在时间和季节不同时分布特性的改变，控制系统运行，实现输出功率的稳定，可分为离网型和并网型２种。并网型系统由风电系统、光伏系统、直流母线、储能系统、ＤＣ／ＡＣ 等部分组成。系统利用直流母线将各个子部分集成一个整体。其中，风电系统由ＡＣ／ＤＣ变换器、发电机、风机组成，系统运行时发电机发出的交流电通过ＡＣ／ＤＣ 变换器转换为直流，并与直流母线电压之间匹配，从而进行最大功率跟踪。光伏系统由光伏阵列和ＤＣ／ＤＣ 变换器组成，系统运行时光伏阵列和直流母线电压通过ＤＣ／ＤＣ 变换器实现匹配，从而进行最大功率跟踪。储能系统由储能装置和双向ＤＣ／ＤＣ 变换器组成， 运行时储能装置和直流母线电压通过ＤＣ／ＤＣ变换器实现匹配，并由ＤＣ／ＤＣ 变换器对储能装置进行充放电管理，直流母线电压通过ＤＣ／ＡＣ 变换器将直流电转换为交流电，并通过适当控制实现并网发电。
２．１ 光伏发电系统工作原理
光伏电池是光伏发电系统的基本组成单元，由晶体硅片和其表面扩散层形成的。当ＰＮ结被太阳光照射时，硅原子外层的电子获得能量变为自由电子并产生空穴，二者作为载流子而扩散、漂移，因此ＰＮ结两端的接触电极上将分别带有正、负电荷从而产生了光生电势，实现光电转换过程。在实际应用中，影响光伏系统输出功率的环境条件包括光照强度、气压、温湿度、光照时长、照射角度等。因此系统输出功率在不断变化，但是当系统安装完成后，其输出功率可以通过数学建模的方式寻求其分布规律性从而进行预测。
２．２ 风力发电系统工作原理
风力发电系统负责将流动的风能转化为电能，其组成主要包括风力机、传动装置、发电机、控制器部分。风力机是根据空气动力学原理工作，将空气流动的动能转换成风轮旋转的机械能。磁悬浮风力发电机集结构设计、工业产品设计、永磁电机、机械设计、空气动力学、风洞测验、计算流体力学和磁悬浮技术等学科于一体，采用轻型铝合金、钛金、不锈钢紧固件等轻型特殊材料制造。得益于先进的磁悬浮技术和超级磁铁的能量，可在没有任何机械摩擦的情况下运转。当磁悬浮风力发电机被风驱动时，电机转动并切割磁力线发出交流电。
风光互补发电系统需要将风力发电子系统和光伏发电子系统产生的电能互相补充使用，可以存入蓄电池，也可以直接并入市井电网为负载供电。磁悬浮风力发电机因其材质和发电原理的优势，所以发电高效，运行平稳，适合用于并网型风光互补发电系统。
２．３ 并网接入方案
并网系统设计的原理是将光伏系统发的直流电转化为与电网电压的电压值、频率值都相同的交流电，并入电网共同由负载使用，且使用时不区分是光伏系统发的电还是电网提供的电。
光伏系统产生的电量以自发自用为主，多余的并入市井电网，因其容量小所以对电网的稳定性不会产生影响。为了起到消峰的作用，可采用低压配电侧的并网方式，即把光伏侧并网发电系统设置在负荷中心，可接于负载楼体的低压侧。如果配电网接入的光伏发电系统小于１５％～２０％，则不会出现电力送出（逆流），也不会影响电网自身能力，因此不用对电网进行改造就可直接使用，而电网公司仅需要进行负荷管理；因为系统的运行可以实现全部“自发自用”，所以等同于把光伏系统发出的电能以销售电价卖给电力公司。
３ 风光互补发电系统关键技术
３．１ 光伏、风力发电的能量预测及优化
安装风光互补发电系统地区的风能、光伏资源对系统的运行、控制都有重要影响，因此对资源评估，是非常必要的前期工作。所以要对地表风速进行测量和分析，由此进行风能资源预测评估，将结果作为风力发电子系统设计和优化的可靠依据。
光伏发电子系统的太阳能收集转换装置的设计与优化，与太阳辐射量大小有关，因此对其准确测量和预测非常重要。尽管可以采用专门的设备直接测量太阳辐射量，但其成本较高，且目标范围较大也难于实现，因此，要设计研究简单易实现的、对硬件要求不高的、精准预测太阳辐射量的方法，为合理开发利用太阳能提供可靠依据。因此采用基于人工神经网络技术的方法对光伏、风力发电能量建模，预测发电功率，并将该模型与基于遗传算法理论的智能算法相结合，优化模型参数，提高子系统发电功率预测准确度。
光伏子系统已经发出的电量数据和设备当地气象数据对系统的优化设计都很重要，因此对这两部分数据进行数学建模，并由此分析得到天气类型（如阴、晴）、温度、相对湿度、太阳辐射率、日照时数等条件对光伏子系统发电功率的影响，建立基于的神经网络的光伏发电预测模型，通过遗传算法对其优化，并用动态修正法提高模型预测精度。使用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真，并对建立的预测模型在各种天气类型中进行测试与调整。其中ＧＡ＋ＢＰ算法流程如图１所示，光伏发电预测结构如图２所示。

图１ ＧＡ＋ＢＰ算法流程图

图２光伏发电预测结构图
３．２ 风光互补发电的系统功率协调控制及优化
在实际应用中，影响光伏子系统出力的外界因素包括光照强度、温湿度、倾角等。虽然系统输出功率处于不断波动中，但在某一固定环境下，对应固定的一个最大功率点，且动态变化，因此需要通过不断地调节系统的负载特性，使其一直处于功率匹配状态运行。风力发电子系统控制的核心目标是最大程度的捕获吹过叶片扫掠面上的风能，而其能量转换的效率基本由风力机决定。因此为了实现在不同风速下风机始终输出最大功率，需要实时调整风机的转速，使其运行在最佳转速处。
常用的风力及光伏发电子系统的控制方法都是基于最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）方法实现的，结合采集到的本地区风力及光照气象数据，对比各类ＭＰＰＴ方法，选择适合的控制方法，并基于遗传算法对控制参数进行优化，实现子系统运行的最优控制，以减小子系统发电功率波动对电网的影响，保证风光互补发电系统运行处于最佳匹配状态。目前所采用的ＭＰＰＴ 算法有定电压跟踪法、插值计算法、扰动观察法、模糊控制法等。
３．２．１ 定电压跟踪法
该方法的实现条件是温度保持不变，光照强度不同，利用光伏电池在不同环境条件下输出的最大功率点，近似的在同一条直线附近分布的特性，从而确定某一个定电压，即确定为光伏电池最大功率输出值的近似值。通过研究发现，若用Ｕｍｐｐ表示ＭＰＰ点的工作电压，Ｕｏｃ表示光伏电池的开路电压，则可得：
Ｕｍｐｐ ≈Ｋ１Ｕｏｃ （１）
式中，Ｋ１是比例常数，常取值为Ｋ１＜１。其值大小与自身电池性质有关。常设置为０．７９。在该算法中没有考虑环境因素对输出功率的影响，所以ＭＰＰ的跟踪不够准确。实际应用时，该算法常与闭环ＭＰＰＴ控制算法共同使用，可减少功率损耗，提高系统效率。由于定电压跟踪算法的控制简单易实现，因此可以在较短时间内找出最大功率点的位置范围，且闭环算法可以降低震荡，使最大功率点的位置更准确。
３．２．２ 插值计算法
该方法的基本思想是设置横坐标表示占空比纵坐标表示光伏电池输出功率的坐标系，利用拉格朗日插值运算法将选取的节点信息进行拟合，在坐标系中得到拟合曲线，根据设备及资源情况设置最优规则，当实际输出功率与拟合出的曲线功率满足该规则时，就将这个拟合功率确定为ＭＰＰ点。
３．２．３ 扰动观察法
该方法的基本思想是通过加入扰动变量而引起光伏电池的输出电压的变化，然后检测当前的输出功率值并与前一次检测值进行比较，若较大，则表示扰动方向正确，则加大扰动变量值，若小于前一次检测值，则表示扰动方向是错误的，则修改扰动方向。扰动法是目前实际比较常用的ＭＰＰＴ控制算法。
３．２．４ 模糊控制法
当控制对象系统较复杂，且为非线性系统，难以建立数学模型时，模糊控制法效果就好一些，该方法属于新型智能控制算法，精度较高，但硬件实现较复杂，会增加成本。算法运行时，首先对输入参数进行模糊化处理，然后利用知识库进行模糊推理，最后经过反模糊化过程接入控制对象得到输出。将模糊化、模糊推理、反模糊化、知识库组成的整体称为模糊控制器。
对光伏系统输出功率进行采样，用ｐ（ｋ）表示其采样值，用Ｉ　（ｋ）表示电流采样值，表示误差变化量，则光伏系统模糊控制器的两个输入变量表示：

则可知当Ｅ　（ｋ）＝０时光伏系统输出功率达到最大值。