淺談風力發電與光伏發電儲能係統優化設計

hth下载地址 陳聰

摘要：本文針對風力發電和光伏發電的儲(chu) 能係統進行了優(you) 化設計研究。主要從(cong) 容量匹配、運行策略和經濟性評估三個(ge) 方麵進行分析。結果表明，合理設置儲(chu) 能係統容量並優(you) 化運行，可以提高風電光伏發電的平滑性，為(wei) 電網提供調峰服務，並具有較好的經濟效益。本文為(wei) 風光發電儲(chu) 能係統的優(you) 化利用提供了參考。

關(guan) 鍵詞：風力發電；光伏發電；儲(chu) 能；經濟性

0引言

隨著全球能源結構的調整和清潔能源的快速發展，新能源發電方式的比重不斷提高。風力發電和光伏發電作為(wei) 清潔可再生能源的主要形式，在可再生能源發電結構中占有重要地位。但是，風力發電和光伏發電也存在間歇性強、調峰能力差等問題。為(wei) 了提高風力發電和光伏發電的係統穩定性、經濟性以及電網適應性，搭建儲(chu) 能係統對其發揮重要作用。本文針對風力發電與(yu) 光伏發電儲(chu) 能係統的匹配設計、運行策略和經濟性進行綜合分析，以期為(wei) 風力和光伏發電儲(chu) 能係統的規劃設計和效益評估提供參考。

1風力發電和光伏發電儲(chu) 能係統基本概述

1.1　風力發電儲(chu) 能係統

風力發電儲(chu) 能係統由風力機組、功率電子裝置、儲(chu) 能裝置組成。風力機組采用變槳距、變槳角風力機，機組容量一般在1-3MW。儲(chu) 能係統常采用鉛酸蓄電池或鋰電池，考慮到成本效益兼顧，蓄電池容量約為(wei) 風機額定功率的20-40%。以2MW風機與(yu) 0.5MW/1MWh鋰電池組為(wei) 例，充電時風機額定輸出2MW送入電池充電，電池提供0.5MW功率、可儲(chu) 存1MWh能量。放電時，電池可以提供0.5MW功率，可持續輸出2小時。充放電過程中，通過雙向DC/DC轉換器連接風機發電機側(ce) 直流母線與(yu) 電池，並通過控製器協調風機、電池、DC/DC的功率分配。放電時，先從(cong) 電池提供功率，不足部分從(cong) 風機補充。光伏發電儲(chu) 能係統控製策略優(you) 化可以提高係統經濟性，延長電池壽命。

1.2　光伏發電儲(chu) 能係統

光伏發電儲(chu) 能係統主要由光伏數組、逆變器、儲(chu) 能裝置組成。光伏組件選用單晶或多晶矽組件，轉換率18%以上，組件容量一般在300-400W。逆變器采用並網型逆變器，效率在98%以上。儲(chu) 能裝置常用鋰電池，也可采用鉛酸蓄電池或電容。儲(chu) 能容量設計考慮發電容量、用電負荷情況、調峰需求等，一般取光伏容量的20-30%。例如100kW光伏係統配備20kW/50kWh鋰電池組，充電時光伏發電100kW，20kW直接為(wei) 負荷供電，餘(yu) 80kW充電；放電時先從(cong) 電池供電20kW，不足部分從(cong) 光伏發電補充。逆變器與(yu) 電池通過DC/DC調壓器連接，控製充放電過程中的功率分配。因此，光伏發電儲(chu) 能係統優(you) 化控製策略，既考慮經濟性，也要兼顧電池充放電對壽命的影響。

2風力發電和光伏發電儲(chu) 能係統優(you) 化設計

2.1儲(chu) 能係統的容量與(yu) 功率匹配

儲(chu) 能係統的容量和功率匹配設計對係統的經濟技術性能有直接影響，應該根據發電側(ce) 的配置、用戶側(ce) 的負荷曲線以及調峰需求來進行匹配設計。例如，如果一個(ge) 風電場配置了3台2MW的風力發電機組，用戶側(ce) 的負荷需求峰穀差為(wei) 1MW，那麽(me) 儲(chu) 能容量應設計為(wei) 2MWh，功率為(wei) 1MW，以滿足需求。同時，考慮到係統損耗和儲(chu) 能效率，可以適當加大10-20%的容量和功率。另一個(ge) 例子是一個(ge) 100kW的光伏發電站，配備了30kW/60kWh的鋰電池組。光伏每天發電量約為(wei) 400kWh，用戶大負荷約為(wei) 50kW。通過模擬光伏輸出曲線和用戶負荷曲線，可以得到直接供負荷電量約為(wei) 200kWh，需要儲(chu) 存入電池的電量約為(wei) 200kWh。針對用戶負荷的早晚峰值，電池容量60kWh可以滿足約2h的早晚尖峰需求。考慮到電池組的充放電損耗和轉換效率，配備30kW功率的電池組基本能滿足尖峰填平需求。通過具體(ti) 案例分析，綜合考慮發電側(ce) 配置、用戶側(ce) 負荷情況、儲(chu) 能效率等因素，可以合理匹配設計儲(chu) 能係統的容量和功率，以滿足係統需求，同時也要考慮經濟性。

2.2　儲(chu) 能係統的運行策略優(you) 化

儲(chu) 能係統的運行策略對其經濟性和儲(chu) 能設備的使用壽命具有重要影響。因此，需要對充放電策略、SOC（StateofCharge，電池荷電狀態）維持策略等進行精細的優(you) 化。具體(ti) 來說，充電策略應考慮風電或光伏的預測輸出情況、電網負荷需求狀況、電價(jia) 信號等因素，以便合理製定儲(chu) 能係統的充電時段和充電功率。這樣可以避免過充過放的情況，同時優(you) 化經濟效益。放電策略則需要根據負荷需求曲線、電價(jia) 差異等條件，優(you) 先利用儲(chu) 能電量提供功率支持，實現峰穀調節、電費套利等目標。

以一個(ge) 2MW/5MWh的鋰電池組風電場為(wei) 例，可以將SOC操作範圍設置為(wei) 20%-90%。在充電時，需要考慮風機的實時輸出和電網負荷需求，在風電低穀時限製充電功率，以防止過充。在放電時，應優(you) 先從(cong) 儲(chu) 能中提供功率，以抵消風電的波動。具體(ti) 的充放電功率將根據實時數據進行動態調整，以維持合理的SOC水平。這樣的策略不僅(jin) 可以延長電池壽命，還可以實現經濟調節。另外，對於(yu) 一個(ge) 100kW/60kWh的光伏電池組，充放電策略將根據當日光伏發電預測和用戶負荷預測進行優(you) 化，以保證SOC的合理化，防止電池過充過放。在放電時，應優(you) 先從(cong) 電池供電，然後補充光伏，以平滑輸出。同時，運行策略需要根據電池的健康狀態和使用數據進行動態調整更新，以保證優(you) 質效果。綜上所述，通過全麵優(you) 化儲(chu) 能係統的運行策略，可以顯著提升其技術經濟效益。

2.3　儲(chu) 能係統的組件選擇與(yu) 布局

儲(chu) 能係統組件的合理選擇和布局直接影響係統性能和經濟指標，需要考慮以下幾個(ge) 關(guan) 鍵方麵：一，根據係統容量需求、電氣特性參數、自放電率、使用環境條件等因素，選擇合適的儲(chu) 能設備。例如對於(yu) 大容量風電係統，可以考慮使用成本較低的鉛酸電池；對於(yu) 配備光伏的家庭微電網係統，則可以選擇長壽命、高安全性的鋰電池。在選擇具體(ti) 產(chan) 品時，需要匹配其電壓電流參數、容量大小、允許充放電次數等指標，確保其滿足係統運轉的需求。二，需要選擇高效率、損耗小的電力電子變流設備，確保其電壓等級和功率大小匹配係統的具體(ti) 需求。例如對於(yu) 幾百KW級的風電光伏係統，可以選擇采用IGBT變流器；如果係統功率達到幾百MW級，則需要考慮采用更高功率等級的碳化矽變流設備。另外，關(guan) 鍵部位需要設置合理的冗餘(yu) 變流設備，以提升係統的可靠性。三，不同的拓撲結構關(guan) 係到後續的係統控製策略選用。例如，公共DC母線的結構有利於(yu) 風電和光伏向儲(chu) 能係統進行統一供電，便於(yu) 實施風光互補的控製策略；而獨立的DC-AC結構則可以實現兩(liang) 者的隔離控製。因此，需要根據工程的具體(ti) 設計目的，合理選擇係統拓撲結構。四，要優(you) 先選擇通信協議開放、功能可擴展的能量管理係統，以實現對各類儲(chu) 能設備、變流設備的狀態監控，並根據設備運行數據和需求負荷，製定出優(you) 化的係統控製策略。五，根據對用戶側(ce) 負荷需求分析、儲(chu) 能容量需求評估等，來合理確定光伏發電、風電發電、儲(chu) 能設備等的具體(ti) 容量配置方案。設備布局時，要注意強弱電的分離、防潮、設備熱管理等多個(ge) 方麵。綜上，通過對係統關(guan) 鍵設備及拓撲結構的精細化比選和設計分析，可以獲得技術指標高且經濟性好的儲(chu) 能係統解決(jue) 方案。

表1　儲(chu) 能係統優(you) 化設計關(guan) 鍵措施

3風力發電和光伏發電儲(chu) 能係統經濟性分析

3.1儲(chu) 能係統的成本與(yu) 效益評估

儲(chu) 能係統的成本主要分為(wei) 設備購置成本、運維成本以及係統電能損耗成本。在評估其效益時，需要考慮儲(chu) 能係統在改善電網調峰性能、減少備用容量、延長相關(guan) 設備使用壽命等方麵的經濟價(jia) 值。可以通過具體(ti) 案例進行成本效益分析，例如某風電場配備了2MW/5MWh的鋰電池儲(chu) 能係統，設備購置成本為(wei) 120萬(wan) 元，10年使用期，年運維費用為(wei) 6萬(wan) 元。該係統通過峰穀切換，可幫助風場減少約10%的棄風量，據測算每年可增加發電收入約18萬(wan) 元。同時作為(wei) 頻率調節儲(chu) 備，可額外獲得約10萬(wan) 元的調峰補償(chang) 收入。另外，係統吸收湧餘(yu) 功率，可減少機組機械應力，延長逆變器使用壽命約10%，每年節約維護成本約5萬(wan) 元。扣除運維成本後，該儲(chu) 能係統10年內(nei) 的效益約為(wei) 330萬(wan) 元，投資回收期小於(yu) 5年。另一個(ge) 案例是某光伏電站配備100kW/200kWh的電池組進行峰穀填平，同樣可以獲得良好的經濟效益。因此，在評估儲(chu) 能係統的效益時，除了考慮經濟效益外，還需關(guan) 注其在提高電網穩定性、減少調峰輪備容量等方麵的技術價(jia) 值，以及減少棄風棄光對環境的影響等全麵效益。通過綜合技術經濟效益分析，可以更全麵地評估儲(chu) 能係統的合理性。

3.2儲(chu) 能係統對電網的價(jia) 值分析

儲(chu) 能係統通過充放電調節，能夠為(wei) 電網提供各種服務，提升電網供電的可靠性、經濟性和靈活性。具體(ti) 表現在以下幾個(ge) 方麵：一是提高電源調峰能力。儲(chu) 能係統能夠快速響應需求變化，實現充電儲(chu) 能和峰穀調節，降低對調峰發電機組的依賴，從(cong) 而降低調峰成本。二是減少備用容量需求。儲(chu) 能係統可作為(wei) 容量備用，降低電網準備的備用容量。例如，10MW儲(chu) 能係統可以減少約5MW的備用容量。三是提高電網靈活性。儲(chu) 能係統增強電網吸收新能源等不穩定源的能力，同時在黑啟動時為(wei) 係統供電。四是提高電力質量。儲(chu) 能係統能夠平滑電源波動，控製充放電參與(yu) 電壓/頻率調節，提高電力質量。五是節約用戶電費。儲(chu) 能係統實現峰穀時間電價(jia) 套利，充電存儲(chu) 夜間低穀電價(jia) 電量，放電減少高峰用電，降低用戶電費支出。具體(ti) 經濟效益可以進行測算，例如，在某地區建設100MW/400MWh儲(chu) 能電站，可減少該地約40MW備用容量，同時參與(yu) 頻率調節獲得電費補償(chang) 約300萬(wan) 元/年，用戶通過夜間充電可節約電費100萬(wan) 元/年。該儲(chu) 能係統投資在8年內(nei) 收回。綜上所述，儲(chu) 能係統通過多種方式提升電網可靠性、靈活性、經濟性，成為(wei) 電網的重要支撐技術裝備。

3.3經濟性指標的計算與(yu) 比較

對儲(chu) 能係統的經濟性指標進行計算與(yu) 比較，可以評估不同方案的經濟效益。主要的經濟性評價(jia) 指標包括：

1. 投資回收期。根據總投資成本、年運行維護費用及係統收益，計算投資回收所需要的時間，一般要求投資回收期在項目使用壽命1/3以內(nei) 。

2. 遞增係統效益與(yu) 遞增成本比。評估增加儲(chu) 能容量對係統效益提升的貢獻與(yu) 成本增加的比值，選擇優(you) 解。遞增係統效益與(yu) 遞增成本比計算公式：比值=ΔE/ΔC；式中，ΔE為(wei) 係統效益的遞增量，ΔC為(wei) 係統成本的遞增量。

3. 淨現值（NPV）。估算項目的收益現值與(yu) 成本現值之差，NPV大於(yu) 0表示項目經濟可行。NPV計算公式：NPV=∑（t=1）n（R-C）/（1+r）t；式中，R和C分別為(wei) t年的收益和成本，r為(wei) 貼現率，n為(wei) 項目使用壽命。（4）

4. 內(nei) 部收益率（IRR）。計算項目收益所對應的複利回報率，IRR高於(yu) 銀行*款利率表示項目價(jia) 值高。IRR滿足等式：∑（t=1）n（R-C）/（1+IRR）t=0。

具體(ti) 計算可基於(yu) 特定案例，例如某風電場考慮增設2MW/5MWh儲(chu) 能係統，成本為(wei) 120萬(wan) 元，使用壽命為(wei) 10年。經過測算，該儲(chu) 能係統的投資回收期為(wei) 4.5年，淨現值（NPV）為(wei) 260萬(wan) 元，內(nei) 部收益率（IRR）為(wei) 16.5%，符合經濟效益要求。同時，也可以通過比較不同儲(chu) 能容量方案的經濟性評價(jia) 指標，選擇優(you) 解。通過定量經濟性分析，我們(men) 可以比較不同儲(chu) 能配置方案的可行性，並選擇經濟效益較佳的儲(chu) 能係統解決(jue) 方案，結合技術指標評估，我們(men) 可以實現技術經濟兼優(you) 的儲(chu) 能係統設計。

4hth下载地址Acrel-2000MG微電網能量管理係統

4.1概述

Acrel-2000MG儲(chu) 能能量管理係統是hth下载地址專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能電站研製的本地化能量管理係統，可實現了儲(chu) 能電站的數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、曆史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控製策略選擇，包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製、防逆流等。該係統不僅(jin) 可以實現下級各儲(chu) 能單元的統一監控和管理，還可以實現與(yu) 上級調度係統和雲(yun) 平台的數據通訊與(yu) 交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監控與(yu) 運維，確保儲(chu) 能係統安全、穩定、可靠、經濟運行。

4.2應用場景

適用於(yu) 工商業(ye) 儲(chu) 能電站、新能源配儲(chu) 電站。

4.3係統結構

4.4係統功能

（1）實時監管

對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對係統環境、光伏組件、光伏逆變器、風電控製逆變一體(ti) 機、儲(chu) 能電池、儲(chu) 能變流器、用電設備等進行實時監測，掌握微電網係統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發電係統進行短期、超短期發電功率預測，並展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

實現整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，並對電壓、電流瞬變進行監測。

（5）可視化運行

實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與(yu) 設備進行不間斷監控。

（6）優(you) 化控製

通過分析曆史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，並結合分布式電源出力與(yu) 儲(chu) 能狀態，實現經濟優(you) 化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(ye) 綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chu) 能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時可以切換年報查看每個(ge) 月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲(chu) 能設備的發電效率、轉化效率，用於(yu) 評估設備性能與(yu) 狀態。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網係統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製、新能源消納、逆功率控製等。

5硬件及其配套產品

6結論

隨著可再生能源比重的不斷提高，風力發電和光伏發電的間歇性和波動性對電網穩定運行提出挑戰。儲(chu) 能係統作為(wei) 有效解決(jue) 新能源規模化利用的關(guan) 鍵技術，發揮著不可替代的重要作用。本文針對風電和光伏發電的儲(chu) 能係統進行了係統研究，重點對儲(chu) 能係統的優(you) 化設計、運營策略和經濟性評估進行了探討。研究表明，合理規劃儲(chu) 能係統容量配置與(yu) 控製策略，不僅(jin) 能提高風電和光伏發電的可靠性、經濟性，也可以減少其棄風棄光量，提供調峰備用等多種電網服務，具有良好的技術經濟效益。總體(ti) 而言，儲(chu) 能技術與(yu) 風電、光伏發電深度融合，是實現可再生能源大規模利用的重要途徑之一。未來的研究可繼續關(guan) 注如何利用儲(chu) 能技術提高新能源並網規模，實現可再生能源與(yu) 電網的協調優(you) 化及互利共贏。

參考文獻

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[3]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022年05版

[4]林振.風力發電與(yu) 光伏發電儲(chu) 能係統優(you) 化設計及經濟性分析