一种新型的风光互补发电系统优化设计

太阳能及风能均具有能量密度低、随机性强的特点,所以单独的光伏或风电系统难以提供稳定的电能输出,加入蓄能装置有助于改善这一缺陷,但又大大加大了系统的投资。如何使得光伏电池及风力发电机发挥最大的潜能,又避免过多的投资浪费是急需要解决的问题。如何合理的匹配设计是充分发挥风光互补发电优越性的关键。 目前,国内设计风光互补系统配置一般采用经验来估算,这往往会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象。风光互补独立供电系统的优化配置可看作一个多目标优化问题,两个冲突的目标是极大化供电可靠性和极小化成本。本文中,供电可靠性采用计算机软件模拟蓄电池组一年的每日的荷电状态值(SOC)来验算保证;成本的优化采用遗传基因算法动态搜索模式,搜索计算出最小化系统配置花费。 本文在设计风光互补独立供电系统时,系统中需要优化的不仅有光伏电池和蓄电池的容量,还应该有风力发电机种类和容量以及光伏电池的倾角。优化目标为系统安装成本,约束条件为供电可靠性。在成本(目标)函数的最小化计算中,用改进的适应性微观策略的遗传算法优化,随机搜索并采用选择、交叉、变异三种基本算子在全部组合中搜索最优化的配置。计算和验证表明本文采用的算法收敛,能同时优化风力发电机类型和容量、光伏电池的容量和倾角以及蓄电池的容量,并且计算效率高。 本文首先按光伏方阵、风力发电机、蓄电池、负载、优化指标的顺序建立了风光互补发电系统的数学模型。其中光伏方阵模型包括了太阳辐射模型及光伏模板的电流电压模型。风力发电机的模型由一分段能量函数表示,以便于仿真。储能单元中蓄电池模型直接采用了前人的工作成果。等效数学模型分析表明,超级电容器能够提升储能系统的峰值功率,优化蓄电池的充放电电流,使其工作在良好环境中。本文提出了一种无源式超级电容器和蓄电池混合储能结构,并应用于独立风光系统中,建立了相应的控制系统。仿真和实验结果表明,由于超级电容器的滤波作用,在光伏系统的输出功率和负载功率大幅波动时,蓄电池的充放电电流能够保持在较平滑的水平,避免了因充放电电流过大而引起的容量损失和过早失效。这在本文的设计中是一个创新。 本文最后还设计了以PIC16F877单片机为核心的控制系统的硬件电路和相关软件,可以实现在风光系统运行过程中相关参数的测量、显示、计算和通信等功能。