风光互补发电潜力与系统优化设计研究

风光互补发电潜力与系统优化设计研究

刘传

身份证号码：440882198910020032

摘要：本文对我国风光互补发电潜力进行评估，分析了风能与光能资源的分布特性并探讨了风光互补发电系统的优化配置与协调控制策略，提出新型海上最小风光融合系统，通过合理的容量配比和先进的控制技术提高了系统的经济性和可靠性，研究指出针对不同地区的资源特性采用定制化的优化方案对提升风光互补发电系统的整体性能具有重要意义。

关键词：风光互补；发电潜力；系统优化；海上最小风光融合系统

引言：

随着可再生能源技术的进步，风光互补发电系统得到了广泛的研究和应用，但是受资源条件和系统设计的限制我国不同区域风光互补发电规模化发展还面临一定的制约，为实现风光互补发电的高效利用需要对不同区域的风光资源进行评估，同时针对风光互补多源系统的特点采用合理的配置方案和控制策略以提高系统性能。

一、我国风光互补发电潜力评估

（一）风资源分布及特性分析

我国风能资源丰富，主要分布在三北（内蒙古、宁夏、甘肃、青海）、东北（黑龙江、吉林、辽宁）和西北（新疆北部、甘肃河西走廊、青藏高原）地区，年均风速5.0-8.0m/s，显示出良好的风力资源潜力，内蒙古预计2030年风电装机容量将超3亿千瓦，表明其风电开发潜力巨大，风速日变化在三北地区较大，东北夏季风速高，西北夜间风速显著，海上风电资源则集中在东南沿海（福建、广东）及山东半岛风速可达7.0-9.0m/s，条件优越，综合来看内蒙古、新疆、吉林、辽宁、山东、广东、福建等省份是风电资源丰富的区域，具备陆上和近海风电开发的高潜力，但风能资源的时空分布特性要求开发时采取区域性策略以确保资源的高效利用。

（二）光资源分布及发电潜力分析

我国光伏发电潜力分布不均，海上光伏资源丰富然而尚未有效开发，陆上西北省区如新疆、内蒙古、青海、甘肃、宁夏年均总辐射量高，达1700-1900kWh/m²，成为发展光伏发电的优势区域，相比之下东北和华北地区年均总辐射量较低，仅为1200-1400kWh/m²，大部分地区冬季辐射量少夏季辐射量多，特别是西北地区冬春辐射强，有利于光伏发电，东部地区夏季因季风云量大，辐射受影响，高原和盆地日照充足，辐射强，适宜光伏项目。分布式光伏在工商业区、城市屋顶及农村有广阔发展前景，当前晶硅光伏技术广泛应用但需提高转换效率，而薄膜光伏和高效光伏技术正逐步降低成本，新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等西北地区光伏发电具有显著潜力，东部和中部地区随技术进步也显示出发展前景，提高光伏转换效率和优化风光互补系统配置以及储能技术的发展对提升光伏发电规模至关重要。

二、风光互补发电系统优化配置

（一）风电与光伏容量优化

风电与光伏发电单独规模化发展存在一定问题，风电受风资源时空变化的影响发电动态性差，光伏发电受天气变化影响发电随机性大且峰谷差异化严重，将两种可再生能源結合起来进行风光互补规划可以提高系统整体功率调峰能力和经济性，风光互补容量配置的优化目标主要考虑系统长期平均发电量最大化、变动系数最小化以及系统成本最小化，针对不同区域的风资源和光资源分布条件需要采用不同的风电与光伏优化容量配比，例如资源条件优越的新疆地区可考虑风电与光伏容量比例为2：1；资源条件较好但风电资源稍逊的内蒙古地区可考虑风电与光伏容量比例为1：1，东北等光资源较丰富地区可将光伏容量稍大于风电容量，通过合理优化风电与光伏的容量配比可以提高系统全年平均发电量并使功率曲线变动系数最小化，有助于改善系统整体发电动态性能[1]。此外还需要考虑不同类型风电机组与光伏组件的技术经济参数，计算系统投资成本和运行成本以实现风光互补系统整体成本的最小化，可以建立考虑多目标约束的风光容量优化模型，采用智能优化算法求解，获得指定优化目标下的风光优化配置方案，风电机组类型的优化选择也会影响系统经济性，可选择适合本地风资源特性的风电机型，光伏组件技术进步也将推动转换效率提升和系统成本下降，因此风光互补容量优化需考虑多方面因素并动态调整才能实现系统长期经济效益最大化。

（二）储能容量优化

风光互补系统由于受资源时空变化的影响，其输出功率随风速和光照强度的波动而发生变化，给电网安全稳定运行带来挑战，加入储能系统可以对风电和光伏发电的随机性进行平滑，提高系统负荷跟踪能力，针对不同的风光互补配置方案优化设定储能容量及充放电策略可以有效减少系统功率波动，提高可靠性，在确定风光互补发电容量规模的情况下可以根据历史风电、光伏功率数据采用多目标算法建立储能容量优化模型，典型的优化目标包括最小化系统功率波动、最大化储能使用寿命和最小化系统成本，优化后的储能容量需综合考虑这些指标，一般来说储能容量过小将限制平滑控制能力，过大将增加系统成本，优化模型可以确定在技术经济条件允许的范围内的最佳储能配置方案。与此同时储能的充放电控制策略也会影响优化效果，需针对系统负荷情况合理制定，不同类型储能技术参数及成本进展会影响选择如锂电池、液流电池、压缩空气储能等在大容量应用中具有不同优势

[2]。

（三）海上最小风光融合系统构建

中国海域辽阔，海风资源丰富，且海面开阔无遮挡，加上日照时间长且有水面反射光，海上光伏发电量较地面光伏可以高出5%-10%，风电光伏入海是未来的发展趋势。虽然海上风电近年规模迅速扩大，但是海上光伏面临案例经验少、配套政策不足等用海问题，以及海洋环境风险带来的技术、经济等多重挑战，目前仍处于行业发展初期阶段，海上风光两者互补更是屈指可数。

而随着海上风力发电机组的大型化和智能化，风力发电机组本身自耗电愈加增多，导致风电并网功率降低。特别是采用双馈、半直驱的海上机组，由于存在齿轮箱、主轴承等需要经常润滑的部件，其维护系统运作的损耗增加更多。在海上风电与海上光伏两者当前难以互补的情况下，构建一种以海风为主、海光为辅的系统。在海上风力发电机组机顶安装光储系统，该光储系统接入风电机组的自身负荷电路，形成海上最小风光融合系统，为风电机组的自身大负荷供应能量。得以降低建筑自身的能耗与碳排放量[3]，提高风力发电机组的并网功率，两者互补更具备经济性和环保性。

图1  海上最小风光融合系统

三、风光互补发电系统协调控制策略

（一）功率平滑控制

风电和光伏发电输出功率受气象条件影响存在随机波动，给电网安全运行带来影响，采用合理的控制策略平滑风光互补系统功率波动对提高系统稳定性非常重要，常见的平滑控制策略包括风电机组功率限制控制、光伏并网逆变器功率限制控制、储能充放电控制等，针对风电的特点可以采用桨距控制、减载或制动电阻等方式来限制风电机组的最大输出功率。对于光伏发电，逆变器可以设置最大功率跟踪控制，当输出功率超过设定值时限制在该水平，储能系统出力功率也可根据风电、光伏与负荷功率差异进行充放电控制，起到平滑作用，这些控制手段协调使用充分利用各自的调节特点，可以有效抑制风光互补系统功率波动。同时预测控制是提高平滑效果的重要手段，基于气象预测、风电与光伏功率预测结果可提前进行充放电规划，进一步提高平滑控制的动态响应能力，同时考虑经济性目标合理制定储能充放电策略，避免低效率的频繁充放电过程以延长使用寿命，除设备层面控制外通过与负荷侧需求响应措施结合，提高负荷调节参与度也可以增强系统功率平滑能力，综合利用多种控制资源、建立优化的协调控制策略可显著提升风光互补系统的稳定性和经济性。

（二）频率调节控制

电网频率稳定对系统安全运行至关重要，大规模风电和光伏并网会对电网频率调节带来影响，因此研究风光互补参与主动频率调节的控制策略也很必要，风电机组可通过风电机组惯性控制、桨距控制等快速调节机械功率，参与系统初级频率调节，光伏并网逆变器也可通过逆变控制实现对频率变化的快速响应，常见的控制模式有减功率控制、增功率控制和组合控制等，同时储能系统响应速度快，可为频率调节提供有力支持，充电-放电转换控制和风光储能协调控制都可以实现储能频率调节[4]。除设备层面外还可以建立电力市场机制，让风电、光伏企业主动参与调频竞价交易，通过科学的控制策略设计和经济激励措施可以提高风光互补发电系统的主动频率调节能力，增强对电网频率稳定的有效支持，实现经济、安全的协调控制。

结束语

通过深入研究风光互补发电系统的发展潜力与优化设计本文提出了有效的评估方法和控制策略，合理配置和精准控制对于提升系统经济性和可靠性至关重要，未来研究应进一步探索多目标优化模型以实现风光互补系统在不同区域和电网环境下的最优设计和运行，尤其是尚未有效开拓海上风光互补项目。

参考文献

[1]苗效瑞.风光互补发电系统运行优化控制原则和策略[J].光源与照明,2023,(12):83-85.

[2]杨尚骏.风光互补发电系统控制仿真研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2022,40(05):20-24+38.

[3]袁磊,卓献荣.装配式民宅加装光伏板屋顶空间设计[J].科技创新与应用,2023,13(29):107-110.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.29.026.

[4]邢立强.风光互补发电系统混合储能的优化控制研究[D].新疆大学,2020.