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1、 一种使用风光互的补混合能源目 前和未来的发展状况Pragya Nema , R.K. Nema, Saroj Rangnekar 巴基斯坦阿扎德国家技术研究所，能源部，能源中心 巴基斯坦阿扎德国家技术研究所，电气工程系摘要风能和太阳能是无处不在的，免费的，清洁环保的能源。但是由于低风速和太阳能相比的其他不可预知的原因，风力能源系统在技术上不能在所有地方都可行。正是由于有这些不足的存在，使得组合使用这些可再生能源变得越来越有吸引力，并正在广泛被作为石油能源的替代品使用。经济方面的优势使得这些可再生能源技术在增加发展中国家的发电力上表现优秀。一个可再生混合能源系统包括两个或多个能量来源，一个功率
2、调节装置，一个控制器，还有一个可选的能量存储系统。由于先进的可再生能源技术和大幅上升的石油产品价格，在偏远的地区，这些混合能源系统已经成为了受欢迎的供电方式。努力研究和开发太阳能，风能，和其他可再生能源能源技术的要求，继续完善他们的表现，为准确地预测它们的输出和其他常规发电来源可靠得结合而建立技术。本文的目的是审查独立的太阳能光伏发电，风能发电与柴油机或电网等传统的能源的混合领域当前的设计，操作和控制技术。本文还强调了该技术未来的发展，这有可能增加此系统的经济吸引力和用户数量。关键词:混合能源系统、太阳能、风能、可行性研究、模型、优化、控制器内容1. 介绍2. 混合系统的可行性研究分析3. 机
3、组规模和优化4. 建立混合可再生能源系统组件的模型 4.1 建立光伏组件的模型 4.2 建立风能组件的模型 4.3 建立柴油发电机组的模型5. 能量流通和管理的混合控制器 5.1 使用传统的方法 5.2 使用专业系统6. 混合动力系统的设计和操作的未来发展趋势7. 结论 致谢 参考文献1. 介绍一种可行的合理利用可再生能源的技术是在架设电网成本昂贵，燃料成本大幅增加的偏远地方安装混合能源系统。最近在可再生能源方面的研究和进展显示出其在作为一种传统发电系统的替代品方面有着卓越的潜力。为满足在不同的自然条件持续负荷需求，不同的能源和转换器需要相互融合扩展使用来替代能源。在偏远的地方，太阳能，风能，
4、或小规模28，,49的水力发电等等这些可再生能源能够代替发动机驱动的发电机供应电能39,66。混合能源系统已经被证实，在许多情况下能显著降低单机电能供应的总生命周期4，但同时却能提供更加可靠地电力供应3,44。长期广泛使用的混合能源系统指的是一种将可再生和常规能量源与蓄电池，功率调节设备和控制器相结合的单机发电系统57。控制器和功率调节系统1,12用于维护电网功率质量70。另外，这种系统也被称为综合科再生能源系统。混合能源系统的概念如图1所示。在这个系统中，常规系统如柴油发电机或电网被用作备用发电系统。在过去的10年里，许多国家都安装了各种混合能源系统15，18，导致了一些可以与传统和偏远地区
5、基于燃料的电力供应系统竞争的系统2。研究主要集中于性能分析演示系统和高效的电源转换器16,52，如双向逆变器，电池管理单元。最大功率点跟踪器41,58。各种可供选择的模拟方案71，这让混合动力系统拥有偏于操作的最佳大小。近期先进的混合动力系统技术的发展是在一些研究领域中的活动的结果，例如l 由于提供新型电力电子半导体器件性能的提高，电力转换效率、系统的质量和可靠性有了很大进步。l 各种混合动力系统仿真软件的开发；制造过程中不断进步和提高效率的光伏组件。l 专向、自动的控制器的发展，大大提高了混合动力系统的运作，并降低维护要求的发展。l 深循环、可再生能源系统的铅酸电池的发展。l 提供更有效和可
6、靠的交流和直流设备，在其超出的工作寿命时收回额外支出成本。l 混合能源系统的控制器的任务是控制各种系统组件的交互和控制系统的电流，从而提供稳定可靠地能源。 图1随着对净流计介绍的广泛传播，在不久的将来，小型独立的混合能源系统和与电网融合的混合能源系统预计将增长。本文的目的是介绍混合能源系统在设计科操作方面的当前现状，以及展望未来的发展。无论在发达国家还是在发展中国家，混合能源系统给的市场都将扩大。2. 混合动力系统的可行性分析预测在一些特定的地方，气候条件决定了风能和太阳能的可用性和大小。可行性分析预测研究是根据气候数据3（风速，太阳辐射）和特定站点的负荷要求。为了计算现有系统的性能，或在系统
7、给的设计阶段预测能源的消耗或系统产生的能量，需要适当的气象数据。全球的气象数据能通过因特网74或者当地的气象计量站获得。如图2和图3显示的是美国宇航局地表计量站绘制的全球气侯形态图。在图2中红色和黄色表示的地区有较高的风能资源，而用蓝色表示的地区风能资源极为缺乏。图3表示了全球不同地区的太阳能辐射水平。这些全球的气候图能帮助我们设计风光互补发电系统。我们需要为每一个站点选择一个最可行的方案。有些站点可以选择市电或电网，有些站点可以选择发电机，而有的可以选择上面提到的混合能源系统。一些研究人员在进行可行性研究和设计混合能源系统时会参考气象计量站的数据。风光互补发电系统减少了电池组和柴油的需求。风
8、光互补发电系统的可行性严重依赖于所在地区的太阳能辐射量和风能的多少。为了评估风光互补发电系统的可行性选择22，50，研究人员做了很多的可行性和性能报告38。光伏发电的列阵面积，风力发电机的数量和蓄电池的存储能力在满足风光互补系统负载能力上显得尤为重要1。Celik48提出了利用综合气象数据来评估风光互补系统的可行性的技术。Ding 和 Buckeridge54认为，为了确保稳图2 图3定的优势，一个风光互补发电系统应该包括两个或多个可再生能源系统。可以用风能，太阳能或者水能来实现项目站点的照明要求。要规划，建模，设计一个可行的混合发电系统必须要以当地的风能，太阳能，和水能的详细信息为基础。设计
9、忽而规划系统的结构必须以搜集到的各种能源的数据位基础。为了使得到的气象数据更准确45，仿真和建模的周期要超过12个月。该模型还允许确定混合发电系统的最佳容量。Khan和Iqbal22讨论了一个架设在家庭或街道周围的混合发电系统的主要设计和可行性分析。Johns, Newfoundland在街道附近的房子周围搜集了一年的风速，太阳能辐射量和功耗等数据。这些数据被用来进行混合发电细听的可行性研究。 3. 机组规模和优化经过可行性研究之后，我们可以根据气象数据和最大容量来适当的选择设备的尺寸和规模。机组的规模大小对决定系统的可靠性和经济性方面起着重要的作用。这部分主要撰述了不同的研究人员为了确定独立
10、发电系统中风力发电机功率，光伏电池板的数量和电池组的数量所做的研究。Rahm和Chedid30一个独立的风光互补发电系统或并网的风光互发电系统的优化设计的方案。他们在设计和操作阶段要求对大限度的减少电能的平均生产成本，同时要以一个可靠的方式满足负载要求，并考虑到环境因素。因此他们提出了线性规划技术 。Markvart43描述了一个确定风光互补发电系统的光伏阵列和风力发电机组的大小的程序。作者使用太阳能和风能测量数据在给定的位置采用一个简单的图形化建模，确定最优配置的两台发电机，实现满足用户一年四季的能源需求。Katti和Khedkar9 使用每小时的风速，日照，电力需求等数据开发了一种算法，以
11、确定在没有电能损失的情况下需要的风光发电能力。Elhadidy和Shaahid24-26 通过研究风光互补发电系统中电池存储容量的变化所产生的影响计算出风光互发电系统最佳的电池容量。另据作者表示，为平衡存储容量和柴油发电之间的大小，假设一个恒定的风电输出。可以通过计算每小时或者每月的平均功耗，每月的最小光伏发电功率17和每月的平均风力发电功率可以计算出风光互补发电系统的最佳规模。作者通过固定风力发电机的功率，并且对不同容量的光伏发电组和电池组每年损失的功率进行了计算，从而对风光互补发电系统的性能进行了比较；无论是在设计和运作阶段，通过权衡之间的电池组和光伏阵列的容量给曲线，电力以一个可靠地方式
12、运行，同时满足负载要求，并考虑到环境因素，有助于找到最佳配置以最少的成本。他们采用了线性编程技术34，以减低平均生产成本。 研究人员运用各种优化技术，如线性规划20,51，概率方法64，迭代法53，动态规划62，多目标遗传算法19,6来设计最经济的风光互补发电系统。为了计算在小型的，独立的电力系统中风光互补发电系统的可靠性/成本的影响，Karki和Billintons4提出了aMonte-Carlo模拟方法。Samarkou et al.10比较了风光互补发电系统单纯的和其他算法的优化技术。他们在失负荷概率决定最佳比例的太阳能和风力发电能力的风光互补能源系统的基础上提出了一个评价方法；在成本和
13、年自主水平上选择优化系统组合。系统的自主性水平是LOLP的定义条款，并被用来寻找系统配置61。Protogeropoulos et al.34已经开发了一种通用的方法，同时考虑到了诸如自主权，尺寸和优化等设计要素。Ai et al.42提出了一套完整的数学计算方法的优化设计风光互补发电系统。在这种方法中，采用了风力发电机和电池更准确和实用的数学模型，描述光伏模块；结合实测气象数据和每小时的符合数据，性能的风光互补发电系统15是确定一个小时的基础。Yang8开发了一种新的优化模型的混合太阳能风力发电系统。为了优化采用电池组的不同组成的风光互补发电系统，作者还计算电池的容量要求，从而获得能达到语气
14、水平的系统性能仿真模型。它支出，为实现高度的制动控制，必须有备份发电机，从而减少电池容量的负担。Hancock et al.61讨论了在生命周期成本上和计算最有系统的基础上实现优化风光互补发电系统和常规发电系统的方法。美国国家可再生能源实验室的的再生电力混合模型73已经被用作规模和优化的软件工具72。它包含了许多能源组件，并在成本和资源可获得的情况下评价合适的技术。分析HOMER要求信息资源，经济拮据，和控制方法。它也需要投入的组件类型，它们的数量，成本，效率，寿命，等。灵敏度分析可以做变量有一个范围值，而不是一个特定的数。4. 建立混合可再生能源系统组件的模型 资料显示，在过去的几十年里，H
15、RES应用在偏远的地区的迅速增长证明其有很强的竞争力。据观察，大约90%关于HRES的研究报道是在设计和经济方面的，只有一些研究报告时关于控制方面的。使用互动型HRES68还没有得到普及。据预计，在未来几年内HRES将和电网电源在大范围内形成竞争。因此，为了提高产品质量水平，有必要调查光伏和风力发电系统的潜力和性能计算。仿真结果证明了这个操作的原则，可行性和可靠性。太阳能风能混合发电系统已被运用于农村家庭和偏远地区的学校。4.1.建立光伏组件的模型太阳能转换器同依靠太阳能电池盒光伏组件。下面介绍太阳能-光伏发电系统的数学建模。太阳能电池的理想等效电路有一个电流源与二极管并联。电路的输出端子连接到负载。理想情况下，太阳能电池的电压，电流方程可表示为 （1） Iph为光电流（A），I0为二极管的反响饱和电流(A),q为电子电荷=1.6*10-19（C），k为波尔滋蔓常数=1.38*10-23（J/K）；T为电池温度（K）。太阳能电池的额输出功率表示为
