關(guān)于孤島分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究目錄TOC\o"1-3"\h\u27073關(guān)于孤島分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究 127852第1章孤島可再生能源供電模型的構(gòu)建 179921.1光譜輻射模型 1113901.2光伏模型 2208561.3風(fēng)力模型 332841.4電池模型 327088第四章孤島分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4153262.1不同電池容量下不同光伏功率對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響 420832.1.1光伏機(jī)組單位容量每小時(shí)發(fā)電量 491442.1.2可再生能源滲透率 5145212.1.3棄電量 6183442.1.4系統(tǒng)成本 6249502.2不同電池容量下不同風(fēng)機(jī)功率對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響 7283922.2.1風(fēng)電機(jī)組單位容量每小時(shí)發(fā)電量 7271182.2.2可再生能源滲透率 8130492.2.3棄電量 8319822.2.4系統(tǒng)成本 9300792.3風(fēng)光協(xié)同系統(tǒng)對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的影響 930574第3章孤島分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化 1386823.1優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化原理 13307373.2系統(tǒng)優(yōu)化步驟 143763.3優(yōu)化結(jié)果 15234503.2.1LCC與RP的原始數(shù)據(jù) 15236503.2.2LCC與RP以5：5比例優(yōu)化結(jié)果 1556233.2.3LCC與RP以7：3比例優(yōu)化結(jié)果 16146233.2.4LCC與RP以3：7比例優(yōu)化結(jié)果 17第1章孤島可再生能源供電模型的構(gòu)建本章分析了光譜輻射模型，光伏模型，風(fēng)力模型，以及電池模型。1.1光譜輻射模型整體光譜輻射Gg,t(W/m2)取決于水平輻射和表面定向輻射，它由電子束輻射Gb,t(W/m2)，散射輻射Gd,t(W/m2)和地面反射輻射Gr,t(W/m2)等三個(gè)部分組成。（1.1）根據(jù)Duffile理論，電子束輻射可以由整體水平輻射和散射水平輻射計(jì)算獲得，具體公式如下：（1.2）式中：?Gg,h是全球水平輻射(W/m2),?Gd,h是散射水平輻射(W/m2),?α是太陽高度角(°)，θ是入射角（°）入射角θ（°）是偏轉(zhuǎn)角δ（°），緯度φ（°），傾斜角β（°），方位角γ（°）和時(shí)角ω（°）的函數(shù)，可以根據(jù)DuffileandBeckman提出的方法進(jìn)行計(jì)算。散射輻射的計(jì)算表達(dá)式是:（1.3）地面反射輻射的計(jì)算表達(dá)式是:（1.4）式中ρg每小時(shí)的全球水平輻射和水平散射輻射都可以作為太陽輻射模型的輸入?yún)?shù)。1.2光伏模型光伏系統(tǒng)采用Duffile和Beckman的修正公式對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行逐時(shí)仿真。（1.5）式中：·PPV·μ是輸出功率的溫度系數(shù)(%/°C),·Ta是環(huán)境溫度(°C),·TSTC是標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的溫度(25°C),·v是風(fēng)速(m/s),·NOCT是標(biāo)準(zhǔn)工作單元的溫度(°C),·APV是在陣列功率峰值的PV陣列面積,·Gg,t是傾斜表面的全球太陽輻射(W/m2)。1.3風(fēng)力模型風(fēng)力模型實(shí)際風(fēng)電機(jī)組功率輸出PWT(kw)可表示為（1.6）式中：? vi,vr和vo是風(fēng)力特征曲線的切入、額定和切出特征速度(m/s),? ρ空氣密度(1.225kg/m3),? A轉(zhuǎn)子面積(m2),Cp動(dòng)力系數(shù),? v真實(shí)風(fēng)速(m/s),? PWT,r1.4電池模型電池模型分別根據(jù)以下兩個(gè)方程計(jì)算電池荷電狀態(tài)ADDINNE.Ref.{71B672FE-EA24-4E26-A225-6060623B81DF}[30]:充電：（1.7）放電：（1.8）式中,?t表示計(jì)算參數(shù)時(shí)的時(shí)間步長(h),?σsd?Pload?ηinv表示逆變器效率(%),?η表示電池組的效率(%)。第四章孤島分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章分析了光伏機(jī)組與風(fēng)機(jī)機(jī)組在不同容量下分別與可再生能源滲透率（Renewableenergypenetration，RP），棄電量，生命周期成本（Lifecyclecost，LCC）的變化關(guān)系，根據(jù)小島的負(fù)荷以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，將機(jī)組容量選在合理范圍。2.1不同電池容量下不同光伏功率對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響在本節(jié)，針對(duì)三種不同的可再生能源的配置進(jìn)行模擬：1.風(fēng)力發(fā)電為零，僅光伏發(fā)電的情況；2.光伏發(fā)電為零，僅風(fēng)力發(fā)電的情況；1.光伏和風(fēng)能結(jié)合的情況。在這些不同配置的情況下配置了不同的電池，并從“RP，棄電量，LCC”三個(gè)方面分析其影響。2.1.1光伏機(jī)組單位容量每小時(shí)發(fā)電量在僅有光伏發(fā)電的情況下，單位容量發(fā)電量與光照輻射強(qiáng)度有密切關(guān)系，全年單位容量每小時(shí)發(fā)電量為0.14587(kw·h)，夏季，單位容量每小時(shí)發(fā)電量可達(dá)到0.9(kw·h)；全年平均每天單位容量發(fā)電量為1.5(kw·h)，夏季一天內(nèi)單位機(jī)組容量發(fā)電量可達(dá)到1.8(kw·h)。圖2.1單位容量發(fā)電量與時(shí)間的關(guān)系2.1.2可再生能源滲透率圖2.2棄電量隨光伏容量的變化趨勢（風(fēng)力發(fā)電=0kw）如圖2.2所示，光伏發(fā)電容量（下文用PV表示）從0到1800kw，這取決于到島上居民的用電情況，以及單位容量的機(jī)組的發(fā)電量，經(jīng)估算光伏機(jī)組達(dá)到1800kw足以滿足小島的負(fù)荷。且經(jīng)過計(jì)算，光伏安裝最大面積為0.05km2。計(jì)算步驟如下：1800KW的占地面積=10MW光伏方陣用地面積×（1.8MW/10MW）查資料得到緯度為35°，效率為10%的下，10kV光伏方陣用地面積為28.534公頃。解得1800KW的占地面積為3.13612公頃，即0.05km2，遠(yuǎn)小于小島面積，故滿足條件。通常，若沒有電池容量，RP只能達(dá)到40%。隨著電池容量的增加，RP可增加到80%左右。但當(dāng)電池容量超過5000kw時(shí)，RP增長的速度會(huì)大大減小。2.1.3棄電量圖2.3棄電量隨光伏容量的變化趨勢（風(fēng)力發(fā)電=0kw）如圖2.3所示，PV從0到1800kw，由于太陽能和風(fēng)能隨時(shí)間的不平衡，能量儲(chǔ)存也是需要考慮的因素。顯然，在沒有電池的情況下，浪費(fèi)了很多能量。隨著電池容量從0到5000kw，棄電量迅速降低，隨后隨著電池容量的不斷增加，棄電量基本保持不變。（值得注意的是，在光伏容量為零時(shí)，棄電量為很微小的負(fù)值，是因?yàn)橛?jì)算棄電量時(shí)，棄電量為總可再生能源發(fā)電功率與柴油機(jī)發(fā)電功率之和再減去總負(fù)載，當(dāng)光伏容量為零時(shí)，風(fēng)力發(fā)電功率為零，柴油機(jī)發(fā)電功率小于總負(fù)載，故棄電量小于零。但棄電量值很小，這里當(dāng)作零處理。）2.1.4系統(tǒng)成本圖2.4LCC隨光伏容量的變化趨勢（風(fēng)力發(fā)電=0kw）評(píng)估系統(tǒng)成本，使用LCC來分析。如圖2.4所示，沒有電池組的情況下，純光伏的成本最低，隨著電池增加，成本相應(yīng)增加。另外，可以發(fā)現(xiàn)電池容量達(dá)到9000kw·h，LCC是電池容量為零時(shí)的4-5倍，因此，電池容量對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益影響很大。2.2不同電池容量下不同風(fēng)機(jī)功率對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響2.2.1風(fēng)電機(jī)組單位容量每小時(shí)發(fā)電量如圖2.5所示，在僅有光伏發(fā)電的情況下，風(fēng)機(jī)機(jī)組全年單位容量每小時(shí)發(fā)電量為0.09718kw·h，當(dāng)大風(fēng)天氣時(shí)，單位容量每小時(shí)發(fā)電量可達(dá)到1kw點(diǎn)h；全年平均每天單位容量發(fā)電量為2.33kw·h，當(dāng)大風(fēng)天氣時(shí)，一天內(nèi)單位容量發(fā)電量可達(dá)到2.7kw·h。圖2.5風(fēng)機(jī)單位容量發(fā)電量與時(shí)間的關(guān)系2.2.2可再生能源滲透率圖2.6可再生能源滲透率隨著風(fēng)機(jī)功率的變化趨勢（光伏發(fā)電=0kw·h）由于風(fēng)力發(fā)電受到大氣環(huán)境影響不如光伏發(fā)電穩(wěn)定，如圖2.6所示，當(dāng)電池容量為0kw·h、風(fēng)機(jī)功率增加到1800kw時(shí)，RP最高可為35%。隨著電池容量的增加，RP也相應(yīng)增加。當(dāng)電池容量增加到5000kw·h時(shí)，對(duì)RP的影響可忽略不計(jì)。同時(shí)，配備9000kw的電池，RP仍低于60%，這表明，與光伏相比，風(fēng)電整體的RP較低。2.2.3棄電量圖2.7棄電量隨著風(fēng)機(jī)機(jī)組容量的變化趨勢（光伏發(fā)電=0kw·h）對(duì)于可再生能源系系統(tǒng)，考慮棄風(fēng)現(xiàn)象是必不可少的。如圖2.7，分析了電池容量對(duì)棄風(fēng)的影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)組容量達(dá)到1200kw時(shí)，圖像斜率明顯增大。電池容量為0(kw·h)時(shí)棄能可達(dá)到1000MW·H。因此，與光伏相比，風(fēng)能利用率更低，棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。2.2.4系統(tǒng)成本圖2.8LCC隨著風(fēng)機(jī)功率的變化趨勢(光伏發(fā)電=0kw·h）如圖2.8，分析了幾種不同電池系統(tǒng)的。風(fēng)機(jī)功率對(duì)于LCC影響不大，電池容量的增加會(huì)引起LCC的增加。因此，適當(dāng)?shù)脑黾与姵厝萘縼砥胶怙L(fēng)能與成本是可行的。2.3風(fēng)光協(xié)同系統(tǒng)對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的影響通過分析六種不同的風(fēng)光組合，分析了光伏容量和風(fēng)機(jī)容量在不同電池容量條件下的RP，結(jié)果如圖2.9所示。若沒有電池所有系統(tǒng)的RP不超過50%。在僅光伏的系統(tǒng)中，電池組可以提高RP，而在純風(fēng)系統(tǒng)下電池組對(duì)RP提升不明顯。顯然，光伏風(fēng)電和電池的組合是優(yōu)化問題，要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。圖2.9可再生能源滲透率隨著光伏容量和風(fēng)機(jī)容量的變化趨勢在圖2.10中，對(duì)棄電量進(jìn)行了評(píng)估。在僅使用光伏或?qū)⒐夥c風(fēng)電組合的系統(tǒng)，仍有較大的棄電量，原因是沒有能量存儲(chǔ)來平衡能量的時(shí)間差。棄電量比具有風(fēng)能和電池的系統(tǒng)或具有光伏和電池的系統(tǒng)更多，可能由于發(fā)電量過高，電池電池容量過小，無法與大量發(fā)電相匹配。圖2.10棄電量隨著光伏容量和風(fēng)機(jī)容量的變化趨勢在圖2.11中的曲線根據(jù)趨勢自動(dòng)分為兩組。圖中較低的三個(gè)曲線反應(yīng)的是沒有電池的系統(tǒng)。顯然，帶電池的系統(tǒng)成本是不帶電池系統(tǒng)的成本的三倍，所以，為了設(shè)計(jì)，首要考慮電池系統(tǒng)的價(jià)格來控制LCC。圖2.11LCC隨著光伏容量和風(fēng)機(jī)容量的變化趨勢

第3章孤島分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化一般情況下，在設(shè)計(jì)混合再生能源系統(tǒng)時(shí)，如何同時(shí)獲得最低LCC和高RP是本文很關(guān)注的問題?？紤]到齋堂島可能的可再生能源安裝條件，光伏裝機(jī)容量限制在1800千瓦以內(nèi)，這取決于可用的光伏面積以及居民的用電負(fù)載情況。下面利用遺傳算法給出了齋堂島設(shè)計(jì)的最有目標(biāo)和約束條件。3.1優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化原理優(yōu)化目標(biāo)：RP最小，LCC最大。約束條件：光伏容量∈（100kw，1800kw），風(fēng)機(jī)容量∈（100kw，1800kw），電池容量∈（1000kw，9000kw）。我們的優(yōu)化目標(biāo)是提高系統(tǒng)的RP（%），同時(shí)盡可能的減少生命周期成本LCC（美元）。以下給出了計(jì)算RP和LCC的關(guān)系式：RP=Lt（2.2）?L?D?ICC是系統(tǒng)的初始資本成本（美元）?N是項(xiàng)目的生存期（年）?n是指項(xiàng)目的第n年（年）?dn是年折舊(US)?i是利率（%）?tr是稅率（%）?at是年度維護(hù)和運(yùn)營成本（美元）?r是指在項(xiàng)目生命周期內(nèi)以R總更換次數(shù)替換r?ICCc是要更換的組件c-th的投資成本(美元)?lc是要更換的c-th組件的使用壽命（年份）?s是殘值（美元）?ICCc和lc是c-th分量的矢量。替換R的總數(shù)是要更換的組件數(shù)的生命周期的函數(shù)，由光伏系統(tǒng)的以下方程給出：（2.3）其中，floor是Matlab的語言函數(shù)。其中，要更換的其他組件的R由以下方程給出：（2.4）3.2系統(tǒng)優(yōu)化步驟在此次研究中，所需要的優(yōu)化目標(biāo)的函數(shù)式關(guān)系式——RP和LCC；所需要的優(yōu)化目標(biāo)的約束條件，即光伏發(fā)電機(jī)組容量，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量和電池容量。隨后本文要確定決策變量，在本文中的決策變量有六個(gè)，即：①Tiltangle傾斜角度;②Azimuthangle阿齊穆特角度（方位角）;③PVratedpower光伏額定功率;④Towerheight塔高;⑤Windturbineratedpower風(fēng)力渦輪機(jī)額定功率;⑥Batterycapacity電池容量。這些變量決定著本文的目標(biāo)函數(shù)。通過約束條件，確定了本文的可行解。①然后在約束條件下，首先按一定的方法先得出一系列的候選解，也就是按一定方式建立的RP和LCC的相關(guān)的解的組合，這些解是通過本文的決策變量來決定的；②隨后通過函數(shù)運(yùn)算，本文來測試每一個(gè)解是否符合約束條件；③通過測試，本文可以舍去那些不符合條件的候選解；④然后以此類推進(jìn)行不斷的迭代運(yùn)算，從而得到本文所需要的優(yōu)化解。3.3優(yōu)化結(jié)果3.2.1LCC與RP的原始數(shù)據(jù)圖3.150組樣本優(yōu)化結(jié)果如圖3.1是利用遺傳算法得到的RP與LCC原始數(shù)據(jù)的圖像，可直觀的看出RP越大，相應(yīng)的LCC越大，與我們建模所分析的內(nèi)容一致，圖表中的橫縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的是五十組樣本通過遺傳算法得出的優(yōu)化結(jié)果，下文將對(duì)LCC與RP不同的