风光互补系统设计方法

摘要

本发明涉及新能源技术与风光互补发电系统技术，具体为一种风光互补系统设计方法，包括如下步骤：（1）测量风光互补系统部署地的支撑负载的能耗数据；对风光互补系统部署地的太阳辐射强度、温度、以及风力数据进行统计，能够得到[0,T]时间内的日照强度函数S(t)和温度函数T(t)和风速函数v_w(t)；根据风光互补系统部署地的支撑负载的能耗数据、风光互补系统部署所在地的日照强度S(t)和温度T(t)，得到[0,T]时间内负载子系统的能耗均值和能量消耗率μ_e，其中，T以天为单位。本发明设计合理，目的在于降低能量中断概率p_outage、弃风/弃光率p_discard，保证电池组工作在浅放浅充的最佳工作状态的前提下，确定最优化风光互补系统的所需成本。

主权项

一种风光互补系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)测量风光互补系统部署地的负载的能耗数据；对风光互补系统部署地的太阳辐射强度、温度、以及风力数据进行统计，能够得到[0,T]时间内的日照强度函数S(t)和温度函数T(t)和风速函数v_w(t)；根据风光互补系统部署地的负载的能耗数据、风光互补系统部署所在地的日照强度S(t)和温度T(t)，得到[0,T]时间内负载子系统的能耗均值和能量消耗率μ_e，其中，T以天为单位；(2)、根据负载能耗计算所需配置锂电池组容量：在[0,T]时间内，电池释放的总能量E_discharge由式(1)表示式(1)中，第I部分表示[0,T]时间内由负载引起的电池组能量消耗，第II部分表示由电池非线性特性而引起的能量消耗，其中，β表示锂电池的扩散率；θ表示误差因子，取值范围为1～10；根据系统的可靠性要求，则锂电池组容量C由式(2)表示其中，N表示在风光互补系统部署地一年内连续无有效利用风能并且无有效利用太阳能的最大天数；d表示电池组放电深度；(3)、结合步骤(1)中测量得到的负载能耗和步骤中(2)中所计算得到的配置电池组容量，设计所需配置的半径为R的风力发电机数量N_w和太阳能电池板面积A；具体步骤如下：a、太阳能电池板的输出功率：在任意辐射强度和温度的条件下，太阳能电池板的输出功率可由式(3)计算得到其中，P_{max_ref}为标准测试条件下，即太阳辐射强度S_ref＝1000W/m²，环境温度T_ref＝25℃，的最大输出功率；S(t)和T(t)分别为不同测量时间的太阳辐射强度和温度，参数a，b，c分别为0.0025(℃)^‑1，0.0005(W/m²)^‑1，0.00288(℃)^‑1；A表示太阳能电池板面积m²；e为欧拉数；b、风力发电机输出功率：半径为R的风轮机的机械输出功率由式(4)计算得到其中，v_l和v_h分别为风力发电机的启动风速和安全风速；ρ为空气密度kg/m³；v_w(t)为风速m/s；R为风力发电机的风轮半径m；风能利用系数C_p＝0.48；风力发电机的输出功率由式(5)计算得到P_w(t)＝η×P_m(t)…………………………………………………….(5)其中，η表示风力发电机的能量转换效率；c、发电子系统的能量采集率λ_e：发电子系统的能量采集率λ_e是指单位时间内发电子系统转化的电能量，根据太阳能电池板和风力发电机的功率输出特性，发电系统在[0,T]时间内的能量采集率λ_e由式(6)计算得到其中，其中，N_w表示半径为R的风力发电机的数量；d、将发电子系统的能量采集过程拟合为参数为λ_e的泊松过程，则单位能量消耗时间内，发电子系统采集k个单位能量的概率由式(7)计算得到其中，t_e表示消耗单位电能的时间，其概率密度函数为f(t_e)；在消耗第i个单位能量时，电池组中存储的能量n_i，其中0≤n_i≤C‑1，由式(8)计算得到其中，h_i表示在消耗第i个单位能量时系统采集的单位能量数；在此，定义p_d,k表示某单位能量离开时，电池组中存储的k个单位能量的概率，其中，k＝0,…,C‑1；状态转移概率p_d,jk表示在消耗某单位能量时，电池中能量由j转变到k的概率，即p_d,jk＝P{n_i＝kn_i‑1＝j}，0≤j,k≤C‑1；p_d,jk由式(9)计算得到通过状态平衡方程和正则性条件得到概率p_d,k；根据PASTA特性，在发电系统能量采集率为λ_e，负载系统能量消耗率为μ_e的情况下，电池组中存储能量为k的概率p_e,k，k＝0,1,…,C，由式(10)计算得到e、在无风、无光的极端条件下，显然，当电池组中存储的能量小于C×(1‑d)时，负载子系统将无法正常工作，因此，能量中断概率p_outage可由式(11)计算得到而当电池组荷电状态为100％时，太阳能电池和风力发电机所产生的电能将无法存储在电池组中，系统的弃风光率p_discard由式(12)计算得到在发电系统能量采集率为λ_e，负载系统能量消耗率为μ_e的情况下，电池组中存储能量的均值为因此，电池组容量利用率为f、风光互补系统最优化设计：建立优化问题，如式(13)：min g(R)×N_w×R+g(A)×As.t.p_outage≤ε_outage,p_discard≤ε_discard,γ_l≤γ≤γ_h.…………………………………….(13)其中，ε_outage和ε_discard分别为所设计风光互补系统允许的能量中断概率、弃风或者弃光率；[γ_l,γ_h]为电池放电率的最佳工作区间；g(R)为与风力发电机半径R相关的投资成本函数；N_w表示半径为R的风力发电机数量；g(A)为与太阳能电池面积A相关的投资成本函数；因此，式(13)确定达到最优成本时的风力发电机数量N_w和太阳能电池板面积A。