畢業(yè)論文-獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級自動化4班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年5月23日第頁緒論1.1畢業(yè)設(shè)計的背景及目的隨著人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類對石油、煤炭等不可再生能源的需求日益加大，我們深刻意識到能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重，這促進(jìn)人們不斷對可再生能源的開發(fā)利用。能源是人類日常生活不可或缺的一部分，是保證國家經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)鍵。隨著經(jīng)濟(jì)的增長，我國對能源的需求也逐年加大，然而我國的能源構(gòu)成主要是煤炭。大量開采煤炭，不僅面臨著煤炭枯竭的困境，還對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。因此，能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展如何才能可持續(xù)的發(fā)展是我們亟待解決的問題。近幾年，國際環(huán)保組織加大對環(huán)境問題的關(guān)注力度，人們環(huán)保意識提高。在如此國際化形式下，新能源的研究與發(fā)展迎來了春天。其可靠的經(jīng)濟(jì)適用性，使得新能源技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電保持每年30%以上增速。就目前形式來看，新能源技術(shù)已日益成熟，已初步具備商業(yè)化應(yīng)用的條件。我國雖處于發(fā)展中國家，但我國的電力技術(shù)發(fā)展卻在發(fā)展中國家中，甚至發(fā)達(dá)國家中都相對突出。從我國當(dāng)今的發(fā)展現(xiàn)狀來看，是以電能取代不可再生能源的，因此經(jīng)濟(jì)增長對電能的依賴性很高。然而從我國的國情來看，目前中國沿海的海島電站多數(shù)采用柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)不僅發(fā)電效率低，而且排放的廢氣對環(huán)境造成了很嚴(yán)重的污染。并且因海島一般都離大陸很遠(yuǎn)，柴油機(jī)發(fā)電成本就水漲船高了，因而綜合環(huán)保經(jīng)濟(jì)等方面來看，柴油發(fā)電經(jīng)濟(jì)性不高；同樣占我國領(lǐng)土絕大多數(shù)面積的農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，那里的人民主要還是靠燃燒秸稈、柴火等物質(zhì)來提供能源，環(huán)境破壞更加嚴(yán)重。根據(jù)可靠的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國還有約2萬個村，約合800多萬戶農(nóng)民還處于落后的無電可用的生活條件下。因此，有效的結(jié)合當(dāng)?shù)氐挠欣麠l件開發(fā)建設(shè)新能源發(fā)電系統(tǒng)，是解決這些地區(qū)用電的唯一途徑，與此同時還可以促進(jìn)這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善，可謂是一舉多得。眾所周知，我國中西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村、東部沿海地區(qū)的海島上太陽能和風(fēng)能資源都很豐富。如果只是單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電或者太陽能發(fā)電，往往因天氣氣候的原因，會對發(fā)電產(chǎn)生巨大的影響，難以提供穩(wěn)定的電能。如遇到風(fēng)力太大或者太小天氣，夜晚期間或者陰雨天氣，這些難以避免的天氣因素都會對發(fā)電造成影響。往往白天太陽能資源豐富時，一般風(fēng)速較??；而在夜晚太陽能資源較弱時，一般風(fēng)速較大；往往在太陽能資源比較弱的冬天風(fēng)能資源卻很豐富，而在風(fēng)能資源較少的夏天太陽能資源卻很豐富。如此看來，如果能將太陽能資源和風(fēng)能資源有效的結(jié)合起來使用，兩者相輔相成，勢必能很大程度的充分利用太陽能和風(fēng)能資源。然而新能源混合發(fā)電系統(tǒng)就具備這樣的優(yōu)勢，它可以彌補(bǔ)兩者在時間上的互異性。同時利用清潔的可再生能源發(fā)電，不會對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成污染，而且還會降低發(fā)電成本。因此研究新能源混合發(fā)電系統(tǒng)對解決我國偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村和孤島的用電問題有著重要的意義。1.2國內(nèi)外風(fēng)能和太陽能發(fā)電現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國對不可再生能源的需求量越來越大，然而這些不可再生能源已經(jīng)快到瀕臨枯竭的地步，人們開始重視新能源的發(fā)展，利用風(fēng)能、太陽能發(fā)電的模式來取代利用不可再生能源發(fā)電的模式。專家預(yù)測，到2050年，全世界可再生能源供應(yīng)量在能源總量中的占比將超過50%。一些發(fā)達(dá)國家也表示將著手把可再生能源作為支持國家發(fā)展的新興能源。實際上，從20世紀(jì)末開始，全世界的火力，水力發(fā)電都發(fā)展得比較緩慢，核電的發(fā)展更是緩慢，但風(fēng)力發(fā)電卻在能源發(fā)電中嶄露頭角，發(fā)展得相當(dāng)快。下圖為近年來世界各國各地區(qū)的風(fēng)能裝機(jī)容量。表STYLEREF1\s1.SEQ表\*ARABIC\s11世界風(fēng)能裝機(jī)容量(MW)年份1995199619971998199920002001歐洲251832164766646993071297216363北美1676168116112010261926954440亞洲62689711491257140317952162中東及非洲1313242639141203南美/中美1132385287103103世界總量4844583975889814134551770623270在全世界大力發(fā)展新能源的勢頭下，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在國家政策的扶持下發(fā)展迅速，我國國內(nèi)已經(jīng)自發(fā)研制出大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。截止2001年底，我國建設(shè)投入使用的風(fēng)電場已經(jīng)有27座，遍布全國多個風(fēng)能資源豐富的省份。在如此發(fā)展勢頭下，我國未來風(fēng)電發(fā)展的年增長率將逐步提升有望達(dá)到20%左右的年增長，爭取半個世紀(jì)過后，我國的可再生能源發(fā)電在我國的發(fā)電總量中占比達(dá)到50%。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，2011年中國新增安裝風(fēng)電機(jī)組11409臺，裝機(jī)容量達(dá)17630.9MW，風(fēng)電機(jī)組累計安裝數(shù)45894臺，裝機(jī)總?cè)萘?2364.3MW，年增長率達(dá)39.4%，如圖1.1所示。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s112001-2011中國歷年新增及累計風(fēng)電裝機(jī)容量在現(xiàn)今全世界重視新能源發(fā)電以及國家政策大力支持下，新能源發(fā)電發(fā)展速度將以一種飛躍的姿勢逐年增長。有專家預(yù)測，保守估計未來幾十年后風(fēng)電可以實現(xiàn)上億千瓦的發(fā)電量，甚至可能超過核電成為第三主力電源，等到本世紀(jì)中葉，將有可能超越水力發(fā)電，躍居第二主力電源。可見未來新能源發(fā)電的發(fā)展前景一片光明。1.2.2太陽能發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀(jì)末開始世界各國不斷出臺相關(guān)政策，不斷地激勵光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直呈現(xiàn)高速的發(fā)展勢頭。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，21世紀(jì)初的前幾年，光伏電池產(chǎn)量都保持著每年40%的增速。有專家預(yù)測，等到2020年全球太陽能發(fā)電預(yù)計將達(dá)到70GW。近年及未來世界光伏發(fā)電裝機(jī)容量如表1.2所示。表STYLEREF1\s1.SEQ表\*ARABIC\s12光伏發(fā)電裝機(jī)容量(GW)年份200420102020日本1.24.830歐洲1.2341美國0.342.136中國0.0650.31.8其他1.1953.891.2世界4142002002年，為解決我國西部偏遠(yuǎn)山區(qū)無電鄉(xiāng)的用電難問題，國家提出了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”的政策。采用小型的太陽能、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，很好的解決了這些地區(qū)面臨的用電難問題。與此同時，這一政策也帶動了國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，2007年國家又提出了“大型并網(wǎng)光伏示范電站建設(shè)計劃”的政策，進(jìn)一步促進(jìn)我國太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展，加大對太陽能資源的利用，造福人民生活。我國地域面積廣闊，地理情況復(fù)雜，絕大多數(shù)地區(qū)的太陽能資源豐富，尤其是我國西藏地區(qū)的太陽能輻射總量更是排列世界第一。國家政府重視偏遠(yuǎn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提出了諸多惠民政策，這極大地刺激著太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，相信太陽能發(fā)電必然具有廣闊的發(fā)展前景。1.2.3獨(dú)立互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的提出風(fēng)能和太陽能資源受季節(jié)、氣候的影響較大，都隨氣候和季節(jié)的變化而變化。對于風(fēng)能而言，風(fēng)力不佳的情況下風(fēng)力發(fā)電表現(xiàn)不佳；對于太陽能而言，則主要在夜晚、陰天、雨天，冬季等太陽能資源不豐富的情況下，太陽能發(fā)電表現(xiàn)不佳。在農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于人煙稀少，如果只是通過電網(wǎng)覆蓋來解決這些地區(qū)用電問題，就往往會加大投入成本。在這種情況下，人們設(shè)計了獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)主要組成部件有:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池等。相較于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或者單獨(dú)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，新能源混合發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）同時利用風(fēng)能和太陽能，充分利用了資源，在不同的氣候條件下，風(fēng)能太陽能可以互補(bǔ)，大大提高系統(tǒng)發(fā)電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，以及可靠性。（2）同等容量配置條件下，混合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成本低于單獨(dú)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)和單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。極大地降低了系統(tǒng)發(fā)電成本。（3）根據(jù)不同條件，不同環(huán)境，系統(tǒng)可以因地制宜的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而獲得最優(yōu)的容量配置。這樣系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。1.3新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外新能源混合發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀上個世紀(jì)的90年代中期，國外開始研究混合發(fā)電系統(tǒng)，其中主要集中體現(xiàn)在大型并網(wǎng)發(fā)電場、獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制，目前新能源領(lǐng)域的研究在風(fēng)光混合發(fā)電控制方面的研究比較少。RoyBillintion等人研究獨(dú)立小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的擴(kuò)容方案，分析了互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)擴(kuò)容的必要性和可行性。RajeshKarki等人提出對小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)合理地配置容量可以降低發(fā)電成本、提高可靠性。RodolfoDufoLópez等人研究可以考慮花費(fèi)最小的成本獲取最大的電能，提出能夠根據(jù)負(fù)載和風(fēng)速、光照條件確定所需要的光伏陣列、蓄電池以及柴油機(jī)的類型和數(shù)量，運(yùn)用遺傳算法，可以設(shè)計出一套風(fēng)光柴混合發(fā)電的優(yōu)化系統(tǒng)，結(jié)果表明混合發(fā)電系統(tǒng)比任何一種獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)都更具經(jīng)濟(jì)可行性。E.Koutroulis等人研究基于遺傳算法對系統(tǒng)進(jìn)行最小運(yùn)行費(fèi)用的容量優(yōu)化配置，以發(fā)電場20年的費(fèi)用最小為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)果表明運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行時優(yōu)于其他的優(yōu)化算法，也表明了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)比任何一種獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢。1.3.2國內(nèi)混合發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀我國目前新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用還比較少，主要是在青藏高原、內(nèi)蒙等偏遠(yuǎn)西部地區(qū)，都采用獨(dú)立式發(fā)電。2004年華能南澳風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，標(biāo)志著我國首例投入商業(yè)化運(yùn)作的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)正式運(yùn)營，開創(chuàng)了我國新能源發(fā)電的先河。目前，我國新能源風(fēng)光混合發(fā)電的研究主要集中表現(xiàn)在底層設(shè)備的控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)的仿真這幾大方面。這之中研究突出的有：華南理工大學(xué)的楊蘋等人針對新型無刷雙饋發(fā)電機(jī)等實現(xiàn)最優(yōu)功率傳輸，并對能量管理系統(tǒng)開展了研究，研究開發(fā)一種實用的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。合肥工業(yè)大學(xué)茆美琴等根據(jù)負(fù)荷情況、風(fēng)速、太陽輻照量等自然資源以及相應(yīng)的成本和功率平衡，對設(shè)計出的風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。中科院電工研究所的許洪華等人利用遺傳算法研究得出系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，提出了一種能夠解決風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)非線性優(yōu)化的方案。北京理工大學(xué)的冬雷研究的分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要是采用直流母線和飛輪儲能，并提出根據(jù)模糊算法對系統(tǒng)的多目標(biāo)控制進(jìn)行優(yōu)化。為了實現(xiàn)供電端的負(fù)載平衡，通過改變風(fēng)能發(fā)電機(jī)組或者光伏發(fā)電面板單一的MPPT工作模式。李忠實等人使用ElectronicsWorkbench軟件，分析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)不同負(fù)載對蓄電池控制電壓的影響，使用不同的控制策略及控制電壓，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)從而得到蓄電池控制電壓及控制方案的最優(yōu)解。華南理工大學(xué)的吳捷等人提出了一種利用分級模糊算法控制風(fēng)光互補(bǔ)混合發(fā)電場的能量管理系統(tǒng)。盛戈皞等人考慮到在電力系統(tǒng)緊急情況下，為了有效地改善電壓調(diào)控能力，從而研究出多Agent的二級電壓控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作以及優(yōu)化控制策略。王新剛等人提出了一種基于小生境進(jìn)化的多目標(biāo)免疫算法，應(yīng)用到微電網(wǎng)中分布式電源出力的優(yōu)化管理。張淼等人針對混合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。還有針對風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制以及能量控制策略下的仿真軟件實現(xiàn)，提出了基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制方法：擾動觀測法、增量導(dǎo)納法等多種控制策略。1.4本文的主要內(nèi)容本文通過對風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電和蓄電池存儲構(gòu)成的新能源獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)研究，考慮各發(fā)電裝置的特性，通過實際情況下的風(fēng)能光能條件，進(jìn)行建模，提出方案以達(dá)到各裝置相互協(xié)調(diào)發(fā)電，綜合考慮運(yùn)行成本，系統(tǒng)成本等制約條件，然后運(yùn)用果蠅優(yōu)化算法對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)可以安全經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行，最終通過仿真以確定最終的設(shè)計方案。本文的章節(jié)安排如下：第一章介紹新能源混合系統(tǒng)發(fā)電當(dāng)中的風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電的研究背景，新能源互補(bǔ)發(fā)電的意義；以及國內(nèi)外風(fēng)能太陽能發(fā)電現(xiàn)狀，分析當(dāng)前國內(nèi)外混合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，最后對本文的主要內(nèi)容進(jìn)行簡單闡述。第二章介紹獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后分別對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的模型，最后對本章內(nèi)容作總結(jié)。第三章介紹果蠅優(yōu)化算法的基本原理，然后結(jié)合算法對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。并進(jìn)行實例設(shè)計，通過給定的風(fēng)力機(jī)組、光伏機(jī)組、蓄電池參數(shù)等一些實際數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定實例中的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果并加以分析。獨(dú)立新能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計建模2.1獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)集風(fēng)能、太陽能發(fā)電于一身，其大致結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。該系統(tǒng)能夠克服風(fēng)能、太陽能因天氣不佳，晝夜季節(jié)變化等因素造成的影響，在保證持續(xù)穩(wěn)定供電的前提下，大大降低系統(tǒng)儲能電池的容量以及系統(tǒng)的投入成本。該發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、柴油機(jī)、蓄電池、充電控制器、逆變器和交流直流負(fù)載等部分組成。光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油機(jī)組成了系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)；蓄電池主要作用是存儲系統(tǒng)的能量，平衡能量的供應(yīng)和負(fù)荷的需求兩者的關(guān)系；充電控制器和逆變器的主要作用是控制系統(tǒng)對電能分配，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全。將系統(tǒng)各部分有效的組合起來，從而獲得更具經(jīng)濟(jì)性的發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組AC/DC整流器光伏陣列AC/DC整流器智能控制器直流負(fù)載DC/AC逆變器交流負(fù)載蓄電池圖2.1獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組首先，風(fēng)能帶動葉片轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過充放電控制器將電能儲存入蓄電池中，或者通過整流逆變器系統(tǒng)直接對交/直流負(fù)載供電。(2)光伏發(fā)電機(jī)組首先，利用太陽能電池陣列的光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過充放電控制器將電能儲存于蓄電池中，或者通過逆變器系統(tǒng)對交負(fù)載供電。(3)控制器控制器的作用主要是檢測、控制電能，根據(jù)風(fēng)力大小、日照強(qiáng)弱以及負(fù)載的變化，調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組和太陽能光伏陣列的最大功率輸出，此外還對蓄電池組的充放電進(jìn)行管理。對蓄電池組工作狀態(tài)進(jìn)行實時轉(zhuǎn)變，當(dāng)發(fā)電量小于需求量時，控制器控制蓄電池組放電，對負(fù)載進(jìn)行供電；當(dāng)發(fā)電量大于需求量時，控制器將控制蓄電池組充電，把多余的電存儲在蓄電池中，從而提高了系統(tǒng)工作的可靠性。(4)逆變器通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏陣列產(chǎn)生的電能都是直流電，而負(fù)載不能直接用直流電進(jìn)行供電。逆變器就是將發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電逆變成交流電。同時逆變器還具備自動穩(wěn)壓的功能，有助于改善新能源發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。(5)蓄電池蓄電池組由多塊蓄電池串并聯(lián)組成，其主要起到穩(wěn)定系統(tǒng)、平衡負(fù)載的作用。如果系統(tǒng)供電供大于求，蓄電池將多余的電存儲起來，如果系統(tǒng)供電供不應(yīng)求，則蓄電池釋放出電能向負(fù)載供電，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的供電。(6)柴油機(jī)在發(fā)電系統(tǒng)遭遇因天氣氣候原因影響而發(fā)電量不足以提供負(fù)載需求時，柴油發(fā)電機(jī)作為備用能源對電網(wǎng)輸送電能供電，以保證整個發(fā)電系統(tǒng)的供電連續(xù)。2.2新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在對新能源混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，數(shù)學(xué)建模是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，下面將介紹發(fā)電系統(tǒng)中各部件的數(shù)學(xué)建模。2.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型人們平時所指的風(fēng)能變化極大，風(fēng)速一般隨著高度增加而增加。實際情況下我們得到的風(fēng)速是在系統(tǒng)安裝地測得的，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸處高度的風(fēng)速。因此需要將風(fēng)速進(jìn)行折算轉(zhuǎn)換，一般通過下面的公式來計算：(2.1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動需要一個最小的工作風(fēng)速來克服發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的摩擦力，我們稱作為切入風(fēng)速。只有自然風(fēng)速大于切入風(fēng)速才能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作，而提供發(fā)電。同樣，往往一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動葉片所承受的轉(zhuǎn)動應(yīng)力是有限的，一旦大于其承受最大值，將對發(fā)電機(jī)造成損壞。這一最大的承受風(fēng)力我們稱為切出風(fēng)速。在應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)電時，因根據(jù)使用地點(diǎn)因地制宜的選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型。一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是通過生產(chǎn)商提供的風(fēng)速功率特性曲線和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸處的風(fēng)速而確定的。當(dāng)自然風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不轉(zhuǎn)動，而不能工作。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始工作，產(chǎn)生電能，對蓄電池供電。當(dāng)自然風(fēng)速達(dá)到或者大于切出風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過極限控制作用下，停止運(yùn)行，保護(hù)發(fā)電機(jī)不遭到損壞。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為：(2.2)(2.3)其中，：參考高度；：參考高度處的風(fēng)速；：風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的高度；：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速；：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速；：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切出風(fēng)速；：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率。γ：是地面粗糙度因子，通常取1/7。2.2.2光伏發(fā)電模型一般情況下太陽輻射強(qiáng)度和溫度變化主要影響光伏電池的輸出功率，因此光伏電池輸出功率的數(shù)學(xué)模型計算表達(dá)式如下：（2.4）：光伏電池的額定容量；：降額因子，一般取0.8-0.95；：此時此刻電池的光輻射量；：標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻射量；：功率溫度系數(shù)；：標(biāo)準(zhǔn)條件下的測試溫度；：任意太陽輻射強(qiáng)度和任意溫度下光伏電池溫度，其計算表達(dá)式如下：（2.5）：安裝地點(diǎn)的溫度；NOCT：額定條件下的光伏電池溫度，通常為42℃—46℃。通常情況下通過表達(dá)式（2.3）計算出的輸出功率為單個光伏電池的，一般計算出來的值很小。在工程運(yùn)用中，一般將多個光伏電池串并聯(lián)組成光伏陣列來滿足負(fù)載需求的功率輸出。通常根據(jù)負(fù)載情況、光伏陣列的電壓、功率等條件來確定光伏電池串、并聯(lián)數(shù)情況。光伏電池串聯(lián)使用時，總輸出電壓是所有串聯(lián)的電池電壓之和，而總輸出電流是流經(jīng)單個電池的電流；光伏電池并聯(lián)使用時，總輸出電壓是單個電池兩端的電壓，總輸出電流是流經(jīng)所有并聯(lián)的電池電流之和。由此可確定，光伏陣列的串聯(lián)組件數(shù)可由以下計算表達(dá)式確定：（2.6）而并聯(lián)數(shù)則通過負(fù)載要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到。2.2.3蓄電池模型新能源混合發(fā)電系統(tǒng)會因為風(fēng)能、太陽能資源因天氣的的影響而引起瞬變，從而造成電源輸出功率的波動、引起系統(tǒng)電能質(zhì)量不穩(wěn)，需要配置一定容量的蓄電池。實際情況下，蓄電池的容量是不恒定的，總是在不斷變化。其容量跟蓄電池的利用程度有關(guān)。對于蓄電池的充放電過程，可用下式來計算t+1時刻的蓄電池電荷量：（2.7）：充放電效率；：直流總線電壓；：t時刻蓄電池的容量。在工程運(yùn)用中，一般將多個蓄電池串并聯(lián)組成蓄電池組來滿足大容量儲存的要求。蓄電池組的電壓為串聯(lián)蓄電池電壓之和，蓄電池組的容量為并聯(lián)蓄電池容量之和。在混合發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的串聯(lián)個數(shù)由以下計算表達(dá)式求得：（2.8）：串聯(lián)蓄電池個數(shù)；：單個蓄電池的額定電壓；：直流總線電壓。而并聯(lián)數(shù)則通過負(fù)載要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到。2.2.4柴油發(fā)電機(jī)模型在新能源混合發(fā)電系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，一旦出現(xiàn)混合發(fā)電系統(tǒng)無法提供足夠的負(fù)載需求情況，則柴油機(jī)發(fā)電向負(fù)載供電，同時對蓄電池充電。柴油發(fā)電機(jī)消耗的燃料費(fèi)用成本計算表達(dá)式為：(2.9)其中：為燃料價格；=0.246L/KWh、=0.0845L/KWh為成本曲線系數(shù)；為柴油發(fā)電機(jī)實際輸出功率；為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分。首先根據(jù)實際情況設(shè)計出獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖。然后，分別對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組、蓄電池、柴油機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模過程以及最終各自的數(shù)學(xué)模型?；旌习l(fā)電系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型的明確后，可以為下文中系統(tǒng)基于果蠅優(yōu)化算法優(yōu)化模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)?；诠壦惴ɑ旌习l(fā)電系統(tǒng)的容量配置設(shè)計獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置是一個非線性、多目標(biāo)的優(yōu)化問題，其優(yōu)化的目標(biāo)為系統(tǒng)既要供電可靠性，也要達(dá)到系統(tǒng)最根本的設(shè)計要求——最小的運(yùn)行成本。系統(tǒng)設(shè)計最終是要得到系統(tǒng)各發(fā)電部件的最優(yōu)組合，但由于混合發(fā)電系統(tǒng)控制量太多，采用傳統(tǒng)優(yōu)化算法達(dá)不到設(shè)計要求且系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定情況尤為嚴(yán)重。針對這一問題本文提出了基于果蠅算法來對系統(tǒng)進(jìn)行容量配置的設(shè)計方案，采用果蠅算法對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，它能快速的找到系統(tǒng)的最優(yōu)解。3.1果蠅算法3.1.1果蠅算法簡介果蠅優(yōu)化算法(FruitFlyOptimizationAlgorithm,FOA)是由動物群體覓食行為發(fā)展而來的，是一種群體智能算法，這種算法必須通過迭代的搜尋才能尋找到全局的最優(yōu)。果蠅的嗅覺和視覺比一般其他的動物都要好。果蠅靈敏的嗅覺器官可以快速地感受到彌漫在空氣里的氣味，甚至可以聞到數(shù)公里以外的食物氣味。然后，等其飛到食物附近后，就可以通過發(fā)達(dá)的視覺發(fā)現(xiàn)食物，然后往該位置飛去。依照果蠅覓食的方法，可以從果蠅群體迭代搜尋食物的過程，以此來得到果蠅優(yōu)化算法的優(yōu)化過程。3.1.2果蠅算法的原理如上所述，果蠅算法是一種群體智能算法，其對象是群體中的所有個體，其通過不斷迭代找到最終的最優(yōu)全局解。我們可以通過果蠅覓食的過程如圖3.1所示，得到果蠅算法的原理。具體步驟如下：食物食物Dist1Dist2果蠅2果蠅3果蠅1果蠅群體（X，Y）（X3，Y3）（X2，Y2）（X1，Y1）X-axisY-axisS1S2S3（0,0） 圖3.1果蠅搜尋食物的迭代過程步驟一：果蠅群體的所有個體位置初始化。InitX_axis；InitY_axis步驟二：給所有群體中果蠅個體賦予隨機(jī)方向和距離搜尋食物的能力。Xi=X_axis+RandomValueYi=Y_axis+RandomValue步驟三：起初是無法得到食物位置，需要先估計與原點(diǎn)之間的距離（Dist）,再計算味道濃度判定值（S），此值為距離之倒數(shù)。；步驟四：將味道濃度值（S）代入味道濃度判定函數(shù)以求出果蠅個體位置的味道濃度（）。步驟五：求出此果蠅群體中的味道濃度最高的果蠅。[bestSmellbestIndex]=min(Smell).步驟六：保留此時味道濃度值與此時的坐標(biāo)。Smellbest=bestSmell.X_axis=X(bestIndex).Y_axis=Y(bestIndex).步驟七：此時進(jìn)行果蠅迭代尋優(yōu)，重復(fù)執(zhí)行步驟二到步驟五，并不斷比較味道濃度是否高于前一次迭代的味道濃度，若是則執(zhí)行步驟六，若不是就再執(zhí)行迭代。3.2混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型的建立在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，為了保證混合發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的總成本最小，采用果蠅優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化系統(tǒng)，最終的優(yōu)化目標(biāo)是得到風(fēng)電機(jī)組、并聯(lián)的光伏電池串以及并聯(lián)的蓄電池組最優(yōu)數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)的成本計算，制定最佳方案，首先來討論確定系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。3.2.1混合發(fā)電系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的確定新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，主要為以下幾個部分：(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)、充電控制器、逆變器、風(fēng)電機(jī)組安裝塔的購買成本以及安裝成本。(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池組、風(fēng)機(jī)安裝塔在規(guī)定的使用期內(nèi)維修成本。(3)蓄電池和逆變器在規(guī)定的使用期內(nèi)系統(tǒng)的更換成本。(4)柴油發(fā)電機(jī)在規(guī)定的使用期內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本。(5)柴油發(fā)電機(jī)的燃料費(fèi)用成本。用數(shù)學(xué)公式描述如下：)（3.1）其中，、、分別是并聯(lián)光伏電池串、風(fēng)機(jī)和并聯(lián)蓄電池組數(shù)，它們是系統(tǒng)的優(yōu)化變量；、、：光伏電池、風(fēng)機(jī)、蓄電池組的類型總數(shù)；、、分別為光伏電池、風(fēng)機(jī)、蓄電池組的購買成本；、、分別表示對應(yīng)的每年的維修費(fèi)用；、分別表示風(fēng)電機(jī)組安裝塔的購買成本和每年的維修費(fèi)用；為蓄電池使用壽命期間更換次數(shù)；表示系統(tǒng)的安裝成本，包括系統(tǒng)所有各組件的安裝成本，并且包括充電控制器以及逆變器的購買成本。為第種類型的光伏電池的數(shù)目（其中為第種類型的光伏電池的串聯(lián)數(shù)，有公式可以直接計算得到，而為第種類型的光伏電池的并聯(lián)數(shù)，其為優(yōu)化變量之一）。為第種類型的蓄電池組的蓄電池的數(shù)目（其中為蓄電池的串聯(lián)數(shù)，同樣有公式直接計算得到，而為蓄電池的并聯(lián)數(shù)，其為優(yōu)化變量之一）。在此可以簡化上式，如果不考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池組的多類型情況，那么可以假設(shè)只是在某一特定的類型下，來尋找各部件的優(yōu)化數(shù)目。因此式(3.1)可化簡為：(3.2)為柴油機(jī)在規(guī)定的使用期內(nèi)的總成本，可用下式計算：(3.3)其中為柴油發(fā)電機(jī)的安裝成本；為柴油發(fā)電機(jī)每小時的維護(hù)費(fèi)用；為柴油發(fā)電機(jī)的購買費(fèi)用；為柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命；為柴油機(jī)運(yùn)行時每小時所消耗的燃料成本，可用公式(2.9)進(jìn)行計算。3.2.2系統(tǒng)最優(yōu)容量配置的約束條件進(jìn)行新能源混合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計時，目標(biāo)函數(shù)的約束條件是根據(jù)實際負(fù)載要求建立的。目的是保證系統(tǒng)所提供的功率能滿足負(fù)載需求，在啟用柴油機(jī)時，必須要求柴油機(jī)提供的功率達(dá)到系統(tǒng)所需。目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計的基本要素，而約束條件則是為了使優(yōu)化問題收斂所添加的，兩者缺一不可。約束條件因?qū)嶋H情況的不同而不同，沒有約束條件的優(yōu)化將不收斂，且得出的優(yōu)化結(jié)果沒有實際的意義。本設(shè)計的約束條件主要包括以下幾項內(nèi)容：(1)功率平衡：整個系統(tǒng)所提供的功率與負(fù)載所需功率相等。(3.4)(2)蓄電池的荷電狀態(tài)不能大于最大荷電量也不能小于最小荷電量。(3.5)（3）表示柴油發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量，其最高值不超過系統(tǒng)總電量的10%。 （3.6）(4)其他約束條件：(3.7)其中、、可分別根據(jù)光伏電池組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電池以及峰值負(fù)荷計算的。3.2.3獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計步驟利用果蠅算法對新能源混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要步驟如下：初始化果蠅算法參數(shù)，并計算味道濃度判定值，即NPV、NWT、NBAT。計算混合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量T，并比較發(fā)電量與負(fù)載功率PL的大小，若T>=PL，則計算目標(biāo)函數(shù)Function(Smell)；若T<PL，則不滿足約束條件，重新初始化算法參數(shù)。在果蠅種群中找到最小值，即成本最小（bestSmell）。比較bestSmell與Smellbest大小。若bestSmell<Smellbest,則更新結(jié)果并保留果蠅此時位置。若bestSmell>Smellbest,則無需更新結(jié)果，執(zhí)行下一步。直至迭代完畢?；旌习l(fā)電系統(tǒng)具體優(yōu)化設(shè)計流程圖如下：開始開始初始化FOA算法參數(shù)初始化FOA算法參數(shù)計算味道濃度判定值S，即NPV、NWT、NBAT計算味道濃度判定值S，即NPV、NWT、NBAT計算系統(tǒng)發(fā)電量T計算系統(tǒng)發(fā)電量TT>=PLT>=PLN計算目標(biāo)函數(shù)Function(Smell)Y計算目標(biāo)函數(shù)Function(Smell) 在果蠅種群中找出最小成本（bestSmell）在果蠅種群中找出最小成本（bestSmell）bestSmell<Smellbest bestSmell<SmellbestNY更新結(jié)果并保留果蠅當(dāng)前位置更新結(jié)果并保留果蠅當(dāng)前位置迭代完畢？迭代完畢？N結(jié)束Y結(jié)束 圖3.2混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計流程圖3.3混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計仿真及其結(jié)果為了簡化設(shè)計，前文提到本系統(tǒng)設(shè)計，只運(yùn)用到了一種類型的光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電池組以及額定功率為400kw的柴油發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池參數(shù)及其費(fèi)用如表1~3所示。假定光伏電池的使用壽命為20年，柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命為7000h。目前國內(nèi)柴油價格為8元/L，假定柴油機(jī)的維修成本為1元/小時，柴油機(jī)的購買成本為300000元。光伏電池與蓄電池串聯(lián)個數(shù)都是由系統(tǒng)直流總線電壓確定的，假定直流總線電壓為480V,則由公式（2.6）和公式(2.8）計算得到光伏電池串聯(lián)數(shù)為20個，蓄電池串聯(lián)數(shù)為40個。假定蓄電池的使用壽命為3年，則在使用年限20年內(nèi)，需要更換6次。因為隨著高度的增加風(fēng)速會越來越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝塔的高度對仿真結(jié)果有很大影響，本設(shè)計假定安裝塔的高度為25米，而安裝的風(fēng)速計高度假定為20米。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定功率（W）10000額定風(fēng)速（m/s）12切入風(fēng)速（m/s）3切出風(fēng)速（m/s）20購買成本（元）165180安裝成本（元）16578維護(hù)費(fèi)用（元/年）1657安裝支架購買成本（元）7410安裝支架安裝成本（元）741安裝支架維護(hù)費(fèi)用（元/年）74表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12光伏電池參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定功率（W）NCOT（℃）功率溫度系數(shù)（%/℃）降額因子購買成本（元）安裝成本（元）維護(hù)費(fèi)用（元/年）20045.5-0.350.8442442344表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13蓄電池參數(shù)參數(shù)額定容量（Ah）電壓（V）DOD（%）效率（%）購買成本（元）安裝成本（元）維護(hù)費(fèi)用（元/年）數(shù)值230128080265026527本設(shè)計假定用戶負(fù)載功率為100KW，在滿足給定的負(fù)載功率約束條件下，按照上述表3.1~3.3給定的風(fēng)機(jī)、光伏電池、蓄電池的購買成本、安裝成本、維修成本等參數(shù)，對系統(tǒng)構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行實時仿真，對混合發(fā)電系統(tǒng)的容量進(jìn)行配置，從而能夠達(dá)到預(yù)先提出的系統(tǒng)運(yùn)行成本最小的目標(biāo)。表3.4為系統(tǒng)仿真的優(yōu)化結(jié)果，圖3.3優(yōu)化過程仿真圖。圖3.3果蠅優(yōu)化算法的變化過程果蠅算法的優(yōu)化過程如圖3.3所示。由圖中可以得到，迭代過程在進(jìn)行到20次迭代以后，成本函數(shù)就趨于穩(wěn)定，可以說明：果蠅優(yōu)化算法是收斂的，并且具有快速收斂性。將得到的最優(yōu)容量配置結(jié)果應(yīng)用到獨(dú)立新能源混合發(fā)電系統(tǒng)中，就可以在滿足負(fù)載要求的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)總成本最低的設(shè)計目標(biāo)，并且系統(tǒng)還具備供電穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果如表3.4所示。表STYLEREF1\s3.4優(yōu)化結(jié)果系統(tǒng)總成本STC（元）11451167294結(jié)果表明，在給定的參數(shù)組件下，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)容量配置條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池組的最優(yōu)組合搭配數(shù)分別為1、1、45。經(jīng)過果蠅優(yōu)化算法優(yōu)化后的系統(tǒng)總成本為1167294元。經(jīng)過果蠅優(yōu)化算法優(yōu)化得到的結(jié)果唯一，實現(xiàn)了最低運(yùn)行成本的目標(biāo)。3.4本章小結(jié)本章主要介紹的是基于果蠅算法混合發(fā)電系統(tǒng)的容量配置。首先簡要介紹了果蠅算法，其實質(zhì)是一種群體智能算法，依照果蠅覓食的特點(diǎn)，通過果蠅群體迭代搜尋食物的過程，以此來清新還原得到果蠅優(yōu)化的過程。然后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)、充電控制器、逆變器、風(fēng)電機(jī)組安裝塔的購買成本、安裝成本、維修成本，蓄電池和逆變器在規(guī)定的使用期內(nèi)系統(tǒng)的更換成本等參數(shù)，構(gòu)造出混合發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，然后根據(jù)實際負(fù)載要求得到目標(biāo)函數(shù)的約束條件。于是就可以根據(jù)果蠅優(yōu)化算法對混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在得到具體的優(yōu)化過程設(shè)計后。最后就可以運(yùn)用matl