研究与开发 楼宇风光储联合发电系统容量优化配置 林世宇 翁桂萍２ （１．福州振源科技开发有限公司，福州 ３５０００８； ２．福州大学电气工程与自动化学院，福州 ３５０１１６） 摘要本文针对福州地区某个前期已安装２０ｋＷ光伏的屋顶发电项目，利用美国ＮＡＳＡ气象 网站的气象数据，应用ＨＯＭＥＲ软件和Ｍａｔｌａｂ仿真生成该地区的全年风速和太阳光照强度曲线， 考虑离网和并网两种情况，配置了垂直轴风机和蓄电池容量，为该楼宇风光储联合发电系统的规 划提供参考。 关键词：楼宇风光储；容量优化配置；离网；并网 Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ＣＯｎＩ ｇｕｒａｔｉ０ｎ ｆｏｒ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｗｉｎｄ／ＰＶ／Ｓｔｏｒａｇｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌｉｎ Ｓｈｉｙｕ Ｗｅｎｇ Ｇｕｉｐｉｎｇ： （１．Ｆｕｚｈｏｕ Ｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００８； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１６） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ２０ｋＷ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｅ０ｒｏｌ０ｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｏｆ ＮＡＳＡ’Ｓ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｉｔｅｓ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＨＯＭＥＲ ａｎｄ Ｍａｔｌａｂ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａｎｎｕａｌ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ａｎｄ ｏｎ—ｇｒｉｄ ｔｏ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｎｄ／ＰＶ／ｓｔｏｒａｇｅ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｎｄ／ＰＶ／ｓｔｏｒａｇｅ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ｏｆｆ－ｇｒｉｄ：ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ 当前，以能源多元化、清沽化为方向，以优化 能源结构、推进能源战略转型为目标，以清洁能源 没有光照则不发电。配置储能虽然可以解决用户晚 上用电的问题，但是这将投资很大的储能容量，使 得项目造价过高。项目所在地白天风速低，晚上风 速高，与太阳辐射形成互补。结合项目所在地的气 象条件，将风力发电和太阳能光伏发电结合在一起 组成一套楼宇风光储联合发电系统，不仅具有建筑 节能等优点，还可以提高联合系统的发电稳定性和 供电稳定性。 和智能电网为特征的新一轮能源变革正在全球推进［１］。 太阳能和风能是取之不尽、用之不竭的清洁可再生 能源，因此风力发电和光伏发电是２１世纪重要的后 续能源，将为改善能源消费结构、保护生态环境做 出巨大贡献 Ｊ。 根据国家统计局公布的２０１２年全国城镇人口 和农村人口，按照当年城镇及农村人口人均住房建 筑面积，可以估算出我国住宅屋顶分布式光伏装机 技术潜力为４．３亿ｋＷ，潜在发电量为４２７６亿ｋＷ．ｈ。 ｌ 设计依据 该项目前期已安装屋顶光伏容量２０ｋＷ，现拟 根据已安装的光伏容量配置垂直轴风机和蓄电池容 量，组成一套楼宇风光储联合发电系统供该楼负载 使用。 １．１地理条件 该项目位于福建省福州市城区（北纬２６．０８。， 其中福建城市居民建筑光伏装机潜力为２２０万ｋＷ，发 电量潜力为２２．０～２５．６亿ｋＷ．ｈ １。近几年来，在 国家的支持下，以屋顶为载体的分布式光伏发 电项目已经成为光伏装机容量增长的一个主要方向［４１。 光伏只有在白天有光照的时候发电，晚上由于 ２６ Ｉ ｑｌｍｌ￣ｌｔｔ ２０１６年第５期 研究与开发 网点电压偏差和电压波动两方面进行分析。由于风 光发电系统输出的有功功率远大于其输出的无功功 率，因此可以忽略无功功率的影响，只考虑有功功 安全容量上限时仍有多余电能，则多余电能馈入电 网。若由于馈入电网的电能过大而引起并网点电压 偏差和电压波动越限，则通过卸荷器将多余能量释 率。本文基于该假设对并网点的电压偏差和电压波 动进行分析。 （１）电压偏差［ 】（Ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ） 并网点的电压偏差６ 是指并网点的电压测量 值 。与并网点标称电压 之差对并网点标称电压 的百分数，其数学表达式为 ｒ ｒ ｒ ６Ｕ： ！！二 ×１００％ （１） ＵＮ 由电力系统知识可知并网点的电压偏差与交换 功率的关系为 ＰｇｒｉｄＲ ：一（２） Ｓ 式中，Ｐ 州为联合系统与电网问的交换功率，ｋＷ； 尺为系统电阻， ； 为短路容量，ｋＶＡ。 （２）电压波动［ ］（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｌａｃｔｕａｔｉｏｎ） 电压波动是指电压方均根值一系列相对快速变 动或连续改变的现象。通常以额定电压的相对百分 数来表示电压变动值，相对电压变动值为 ： ×１００％ （３） Ｎ 由电力系统知识可知电压波动ｄ与功率波动ＡＰ 的关系为 ｄ：＿．－ＡＰＲＡＰ （４） ＝—＿：＝—— —Ｌ４ Ｊ 式中， 为分布式电源所接入配电网的电压等级。 通过查询电源接入配电网的电压等级即可获得 该电压等级所允许的最大电压偏差和电压波动，再 根据式（２）和式（４）就可以算出该电压等级所允 许的最大传输功率和最大功率波动值。 ２）能量调度策略 该楼宇风光储联合发电系统并网运行时的能量 调度策略如图４所示。 联合系统首先判断当前风光出力之和（尸。 ＋ＪＰ ） 是否满足负荷Ｐ１。 ｄ的需求，若不满足，则储能放电。 当储能放电至安全容量下限时仍不能满足负荷需 求，此时的不足功率由电网提供。若由于负荷缺额 功率过大而导致并网点电压偏差和电压波动越限， 则对系统切负荷，以使系统功率平衡；若当前风光 出力满足负荷需求，则对储能充电。当储能充电至 ２８ Ｉ电气技玳 ２０１６年第５期 放，以使系统功率平衡。 图４ 楼宇风光储联合发电系统能量调度策略 ３．３ 设备选型 考虑屋顶承重及该地区的风速特性，选择启动 风速低、单机重量小的垂直轴风机；蓄电池采用技 术成熟、性价比高的阀控密封铅酸蓄电池。垂直轴 风机和蓄电池的型号及其主要参数见表３和表４。 表３ 垂直轴风机型号及其主要参数 参数 数值 参数 数值 型号 ＣＸＦ３００Ａ 起动风速 １．３ｍ／ｓ 额定功率 ３Ｏ０Ｗ 切入风速 ３ｍ／ｓ 重量 ２７ｋｇ 额定风速 １２ｍ／ｓ 控制器输出电压 ２４Ｖ 切离风速 １５ｍ／ｓ 使用年限 ２０ａ 极限风速 ６５ｍ／ｓ 表４蓄电池型号及其主要参数 参数 数值 参数 数值 型号 ＬＣＰＡ１Ｏ０—１２ 容量 １００Ａｈ 尺寸 （４０７ｘｌ７４）ｍｍ 额定电址 ｌ２Ｖ 重量 ３２．２ｋｇ 使 年限 ６ａ ３．４基本负荷 当楼宇风光储系统脱离电网，即发生孤岛情况 时，发电系统必须保证系统内基本负荷的正常供电。 本文假设系统的离网基本负荷为５０．１５ｋＷ．ｈ，并假 设该基本负荷全天２４ｈ运行，可得负荷的平均功率 为２．１ｋＷ。 ３．５配置方法 为精确配置垂直轴风机和蓄电池容量，本文采 用遍历搜索法进行求解，主要步骤如图５所示。其 中，虚线框内的过程为并网配置中并网点电压偏差 和电压波动的约束。 读入系统的相关参数，以及单位数量 风机、２０ｋｗ光伏和负荷的全年功率数据 ｒ ｌ设定风机数量上、下限ｌ １负荷的全年功率数据，计算风光系统与 不匹配功率尸Ｉｏａｄ 户广ｌ Ｙ Ｎ ＼ 孽兰 越限功率为零，并以此 作为当前时刻风光系统 与负荷的不匹配功率 ｌｌ与负荷的不匹配功率 募彗嚣醇翥氨荛檗 Ｎ ｌ更新全年不匹配功率ｌ ｒ 计算不匹配功率连续小于０或 连续大于Ｏ的数值，选择二者 中的最大值作为储能容量 一输出所有风机数量／ 一枷卜 蓄电池容量组合 图５垂直轴风机／蓄电池容量配置流程图 本文在配置离／并网两种情况下的储能容量时 采用如下原则： １）离网情况下，为了保证负荷的可靠供电和储 能装置的安全可靠使用，此时储能容量的配置必须 考虑风光发电功率不满足负荷需求的情况以及风光 发电功率超过负荷需求的情况。离网情况下的储能 容量配置原则为：分别计算风光发电功率连续不满 足负荷需求的最大缺额容量和风光发电功率连续超 过负荷需求的最大剩余容量，选择二者中的最大容 量作为储能最大容量。 研究与开发 ２）并网情况下，当联合系统接入使得并网点电 压偏差或电压波动越限时，需要通过储能充放电来 补偿或吸收额外的功率，从而使入网功率满足并网 要求。 ４优化配置结果与分析 根据所选垂直轴风机、蓄电池以及项目前期已 安装的２０ｋＷ光伏，结合系统基本负荷对该楼宇风 光储发电系统做离网容量优化配置和并网容量优化 配置。仿真计算过程中，风光发电系统效率取０．８５， 储能充放电效率取１。 ４．１离网优化配置 图６所示为联合系统离网优化配置结果。从图 ６可以看出，随着垂直轴风机数量的增加，储能容 量先减少后增加，存在一个储能容量最低点。这是 因为前期风机数量少的时候，风光发电功率不能满 足负荷需求，此时需要储能系统释放能量进行补偿。 风机数量越少，储能系统释放的能量也就越大，即 储能容量越大。由于光伏发电功率固定，随着风机 数量的增加，风光出力之和逐渐增大并不断满足负 荷需求，此时储能容量也随之减少；当风机数量超 过一定值后，储能容量又随之逐渐增大，这是因为 随着风机数量的增加，风光发电功率不断超过负荷 的需求，系统剩余能量越来越多，此时所需的储能 容量也就逐渐增大。 风机数量／台 图６ ＣＸＦ３００Ａ风机与储能配置 由于储能设备受运行环境影响较大 ］，其实际 使用寿命较短，为了降低系统投资成本，需减少储 能投资成本。从图６可以看出，在风机数量为９时 储能容量最小，约为１０２．６ｋＷ．ｈ，则联合系统的离 网容量配置结果见表５。 表５离网容量配置结果 垂直轴风机／台 蓄电池／节 ９ ８６ ２ｏ１６年第５期电 藏贰ｌ ２９ 研究与开发 ４．２并网优化配置 不同系统短路容量（并网点）下联合系统的容 量配置不同。本文取５０ｋＶＡ至１０ＭＶＡ的系统短路 容量进行配置，配置结果见表６。其中，当接入风 机数量少于表中所列数量时无需配置储能。 表６不同短路容量下垂直轴风机／蓄电池配置结果 短路容量／ｋＶＡ 蓄电池／节 风机数量／台 ５０ ５４ ７ １００ ３８ ７ ２００ ８ ７ · ５００ １ ５７ ｌ０００ ｌ １１５ ２０００ ｌ ２３３ ５０００ ｌ ５８６ ｌ００００ ｌ １ｌ７４ 以５００ｋＶＡ的系统短路容量为例，可知当风机 数量小于５７台时，联合系统无需配置储能。这是由 于风机接入数量小于５７台时，联合系统与电网之间 的交换功率和功率波动在允许范围之内，此时风光 发电系统接入对并网点的电压偏差和电压波动没有 影响。 此外，从表６可以看出，系统短路容量越大， 电网允许接入的风机数量也越多。这是由于随着系 统短路容量的增大，联合系统与电网之间的交换功 率和功率波动限值也就越大，在光伏发电功率固定 情况下，允许接入的风机数量也就越多。考虑屋顶 面积和承重，针对不同系统短路容量可以选择 对应的风机接入数量。 ５ 结论 本文针对福州地区某个前期己安装２０ｋＷ光伏 的屋顶发电项目，利用ＮＡＳＡ提供的目照辐射和风 速资料，应用ＨＯＭＥＲ软件和Ｍａｔｌａｂ仿真生成该地 区全年风速和太阳光照强度曲线，考虑离网和并网 两种情况，配置了垂直轴风机和蓄电池容量。仿真 ３０ Ｉ ｑ＝ｌＨ／Ｉｔ ２０１６－￣５ 结果表明：①离网情况下，垂直轴风机和蓄电池容 量存在一个最低点，该点下的蓄电池容量最小，可 作为离网参考配置；②并网情况下，并网点短路容 量越大，电网允许接入的垂直轴风机数量也越大， 同时所需的蓄电池数量也越小。根据本文的配置结 果，可以为该楼宇风光储联合发电系统的规划提供 参考。 参考文献 【１］ 国家电网公司“十二五”电网发展规划． ［２］张伯泉，杨宜民．风力和太阳能光伏发电现状及发 展趋势［Ｊ］．中国电力，２００６，３９（６）：６５－６９． 【３］能源观察网．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｉｎａｅｒｏ，ｃｏｒｎ．ｃｎ／ｚｘｄｔ／ｄｊｘｘ／ ｙｃｗｚ／２０１５／０１／１４７４２７．ｓｈｔｍｌ；２０１５．１．２０． ［４］ 李思岑，杜威，严中亮．１ＭＷｐ屋顶光伏并网系统设 计与分析［Ｊ】．山西电力，２０１３，４（４）：４－８． ［５】 Ｂｏｒｏｙｅｖｉｃｈ Ｄ，Ｃｖｅｔｋｏｖｉｃ Ｉ，Ｄｏｎｇ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｆｕｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａ ｃｏｎｔｅｍｐｌａｔｉｖｅ ｖｉｅｗ一２０１０［Ｃ］／／Ｔｈｅ １２ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ２Ｏ１Ｏ：１３６９．１３８０． 【６］ Ｙａｎｇ Ｈｏｎｇｘｉｎｇ，Ｌｕ Ｌｉｎ，Ｚｈｏｕ Ｗｅｉ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｉｚｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｓｏｌａｒ－ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ，２００７，８１（１）：７６— ８４． ［７］梅生伟，王莹莹，刘锋．风一光一储混合电力系统的博 弈论规划模型与分析［Ｊ］．电力系统自动化，２０１１， ３５（２０）：１３—１９． ［８］ 肖湘宁，韩民晓，徐永海，等．电能质量分析与控制 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１０． 【９】Ｄｕｆｏ—Ｌ６ｐｅｚ Ｒｏｄｏｌｆｏ，Ｌｕｊａｎｏ—Ｒｏｊａｓ Ｊｕａｎ Ｍ，Ｂｅｒｎａｌ— Ａｇｕｓｔｉｎ Ｊｏｓ６ Ｌ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅａｄ－ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｎｄ·ａｌｏｎｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ， ２Ｏ１４．１１５：２４２．２５３． 作者简介 林世宇（１９７９．），男，福州振源科技开发有限公司工程师，从事配 电自动化系统、新能源监测等工作。
