陳星宇，劉 忠，寇攀高，鄒淑云，潘宜樺

（1長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙410114；2國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007）

目前，全球約有12億人缺少電力供應(yīng)，多達10億人沒有用上穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)[1]。中國有超過240萬個偏遠地區(qū)家庭存在電力短缺[2]。由于地理、經(jīng)濟等原因，在偏遠農(nóng)村建設(shè)大型電站和輸電線路很困難，這就使得離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)成為這些地區(qū)實現(xiàn)電氣化的唯一選擇[3]。

作為目前開發(fā)利用水平最高、技術(shù)最成熟的可再生能源，風(fēng)電和光伏發(fā)電被廣泛應(yīng)用于離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)。但風(fēng)能、太陽能具有明顯的隨機性和間歇性，其直接利用會對供電穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。作為物理儲能技術(shù)的一種，抽水蓄能具有技術(shù)成熟、效率高、容量大、儲能周期長等優(yōu)點[4]。關(guān)于離網(wǎng)型風(fēng)電、光伏發(fā)電與抽水蓄能的聯(lián)合運行研究，正受到人們越來越多的關(guān)注[5-6]。文獻[7]利用真實數(shù)據(jù)對偏遠島嶼上的風(fēng)電-抽水蓄能混合系統(tǒng)進行了設(shè)計、仿真和經(jīng)濟性分析，證明了聯(lián)合運行系統(tǒng)的可行性。文獻[8]對某偏遠島嶼的光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，預(yù)測出在偏遠地區(qū)利用可再生能源發(fā)電與抽水蓄能的聯(lián)合運行將比柴油發(fā)電更具競爭力和成本效益優(yōu)勢。文獻[9]提出了一個以水井作為抽水蓄能下水庫的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，有效地利用自然資源來滿足當?shù)鼐用竦挠秒娦枨?。文獻[7-9]都采用了傳統(tǒng)的聯(lián)合運行模式，即風(fēng)電、光伏發(fā)電供電給交流負載，過剩的電能通過抽水泵轉(zhuǎn)化為水的勢能；在負荷需求較高時，再利用水輪發(fā)電機組發(fā)出電能供給用戶端。但對于偏遠農(nóng)村地區(qū)，如果風(fēng)電、光伏發(fā)電直接供電給用戶，整個系統(tǒng)就需要增加DC/AC逆變器、控制器和控制電路等電氣設(shè)備，建設(shè)和維護成本以及難度會大幅增大。并且，由于偏遠農(nóng)村地區(qū)沒有大電網(wǎng)覆蓋，即使系統(tǒng)中的儲能設(shè)備能起到一定的緩沖作用，風(fēng)電與光伏發(fā)電直供用戶仍然很難保證輸出恒壓穩(wěn)定的電能。針對上述問題，文獻[2]提出了一種由光伏設(shè)備、太陽能水泵、開口水井和水輪發(fā)電機組組成的離網(wǎng)型光伏-抽水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需要過多的電氣設(shè)備就能保證電能輸出的恒壓穩(wěn)定性。但該系統(tǒng)對所在地區(qū)的太陽能輻射強度要求較高，且設(shè)計的上水庫占地面積過大，不適合太陽能輻射強度較弱或地理條件受限的偏遠農(nóng)村地區(qū)。

因此，本文提出了一種廣泛適用于風(fēng)能、太陽能資源貧乏、用電需求小且沒有大電網(wǎng)覆蓋的偏遠農(nóng)村地區(qū)的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，采用湖南省某偏遠農(nóng)村的真實數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)電能輸出特性進行了仿真分析。

1 離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點

本系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點及擬解決的關(guān)鍵問題如下文所述。

1.1.1 風(fēng)能、太陽能資源貧乏

湖南、湖北和川渝等地區(qū)屬于風(fēng)能、太陽能資源貧乏地區(qū)，年平均風(fēng)速小于4.4 m/s(10 m 高度)，年平均太陽能輻射量小于4400 MJ/m2，在這些地區(qū)開發(fā)大型風(fēng)電站、光伏電站難度很大。利用風(fēng)能與太陽能互補的特性，建立小型離網(wǎng)型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，可保證即使在風(fēng)能、太陽能資源貧乏地區(qū)的偏遠農(nóng)村，也能滿足當?shù)鼐用竦挠秒娦枨蟆?/p>

1.1.2 系統(tǒng)故障率高

電池儲能是目前常用的離網(wǎng)型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的儲能方式，但其故障率較高且每3～4年就需要更換一次[10]。因此，采用故障率更低的抽水蓄能代替電池儲能，延長了整個發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命周期。

1.1.3 系統(tǒng)經(jīng)濟性低

傳統(tǒng)的風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)由于其系統(tǒng)配置復(fù)雜，安裝建設(shè)成本較高，不適用于偏遠農(nóng)村地區(qū)。通過簡化系統(tǒng)配置和優(yōu)化發(fā)電模式，同時充分利用農(nóng)村常見的開口水井作為下水庫，可提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性，為當?shù)鼐用裉峁┑统杀镜碾娔堋?/p>

1.1.4 系統(tǒng)輸出電壓波動

在沒有光照且風(fēng)速很低的夜間，傳統(tǒng)的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)很難保證輸出恒壓穩(wěn)定的電能[9]。為解決這一問題，將風(fēng)力發(fā)電機組與光伏陣列僅供電給直流永磁無刷電機抽水泵，再由水輪發(fā)電機組供電給用戶端。采用這樣設(shè)計的原因如下：①由于風(fēng)電、光伏發(fā)電不直接供給用戶端，整個系統(tǒng)不需要DC/AC逆變器、控制器和控制電路等電氣設(shè)備，建設(shè)成本和難度大幅下降；②當不考慮水輪發(fā)電機組的效率變化時，整個系統(tǒng)的功率輸出僅取決于水輪機的水頭Hht以及進入水輪機水的流量Qht。要實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定輸出，就必須控制系統(tǒng)在運行過程中Hht與Qht的變化。在上水庫出口安裝控制閥使Qht一直保持為額定流量，同時，將上水庫的高度設(shè)計成小于所使用的水輪機最大、最小工作水頭的差值，這樣即使在太陽能輻射強度為零，且風(fēng)速較低的夜晚，也能保證Hht的變化量在工作水頭允許范圍內(nèi)。通過上述設(shè)計，就可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定電能輸出。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文提出的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機組、光伏陣列、抽水泵、水輪發(fā)電機組、開口水井、上水庫、溢流管和壓力水管等組成，如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)Fig.1 The off-grid wind-PV-PHES hybrid system with continuous power at constant voltage

其工作原理為：抽水泵通過一根壓力水管輸送井水至上水庫，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能。上水庫中的水通過另一根帶有控制閥的壓力水管向下沖轉(zhuǎn)水輪機組，將水的勢能又轉(zhuǎn)化為電能，再供應(yīng)給用戶端。井水在完成其能量傳遞過程后，又被排放回水井中。整個過程使用相同的水量反復(fù)循環(huán)(不考慮地下水滲透)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定恒壓供電。圓筒形上水庫建在水井附近，當上水庫中水位超過水庫允許的最大水位時，多余的水通過溢流管排回水井中。

由此可見，與傳統(tǒng)的風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)相比，本文提出的系統(tǒng)采用一種新穎的發(fā)電模式，即只通過水輪發(fā)電機組供電給用戶端，不需要使用逆變相關(guān)設(shè)備，就能實現(xiàn)恒壓穩(wěn)定供電，既簡化了系統(tǒng)配置，又降低了安裝建設(shè)成本。

2 系統(tǒng)建模

本文所提出的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)的主要部件為光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機組、抽水泵、水輪發(fā)電機組和上水庫。主要部件的數(shù)學(xué)模型如下。

2.1 光伏陣列

光伏陣列的輸出功率取決于太陽能輻射強度、環(huán)境溫度以及光伏電池特性等多種因素。在本系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)不直接供電給用戶端，因此忽略除太陽能輻射強度之外的影響因素。光伏陣列的輸出功率Ppv(W)可表示為

式中，ηpv為光伏發(fā)電的效率，一般取15.3%；Apv為光伏電池板的面積，m2；G 為太陽能輻射強度，W/m2。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機組

風(fēng)力機的軸功率Pwt(W)可表示為

式中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，一般取50%；ρa為空氣的密度，取1.29 kg/m3；R 為風(fēng)輪半徑，m；U為風(fēng)速，m/s；Ui與U0分別為風(fēng)力機的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速，m/s。

由于在風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)部的整流器和發(fā)電機存在電能損失，則風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率Pw(W)可表示為

式中，ηts為傳輸效率，一般取80%。

2.3 抽水泵

風(fēng)電和光伏發(fā)電輸入給抽水泵的總功率Php(W)為

抽水泵從水井中抽水至上水庫的流量Qhp(m3/s)為

式中，ηp為抽水泵的總效率，取60%；ρw為水的密度，取1000 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Hav為抽水泵的平均水頭，m。

2.4 水輪發(fā)電機組

水輪發(fā)電機組的輸出功率P0(W)可用下式求出

式中，ηtg為水輪發(fā)電機組的效率，一般取70%；Hht為水輪機水頭，m；Qht為進入水輪機水的流量，m3/s。

為了保持功率平衡，有功功率必須始終等于負載需求，但負載并不總是恒定的。為了保證負載平衡，以虛擬電阻性負載代替相應(yīng)的實際負載進行計算，則整個系統(tǒng)的輸出電壓可用下式計算

式中，V0為整個系統(tǒng)的輸出電壓，V；RL為電阻性負載，Ω。

2.5 上水庫

上水庫水位取決于其輸入流量Qhp與輸出流量Qht數(shù)值的大小關(guān)系。在任意時間段內(nèi)水輪機水頭Hht可用式(8)計算

式中，Hin為任意時間段開始時水輪機水頭，m；ΔT 為時間段長度，取為1 h；AUR為上水庫的底面積，m2。

圖2所示為本文所提出的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型圖。

圖2 系統(tǒng)的運行模型圖Fig.2 Operating model diagram of the proposed system

3 系統(tǒng)各部件參數(shù)設(shè)置和選擇

以湖南省某偏遠農(nóng)村的風(fēng)能和太陽能數(shù)據(jù)[11]為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)參數(shù)選擇與性能評估。圖3和圖4分別為該地區(qū)典型日的風(fēng)速和太陽能輻射強度的變化曲線。為了實現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，各主要部件參數(shù)的選擇與設(shè)計過程如下文所述。

圖3 風(fēng)速每小時的變化曲線Fig.3 Hourly average wind speed

圖4 太陽能輻射強度隨時間的變化曲線Fig.4 Hourly average solar irradiance

3.1 用戶負載

對于發(fā)展中國家的偏遠農(nóng)村地區(qū)居民，最主要的電力需求是生活照明與手機充電，每天最少需向每戶家庭提供3 W、5 h的穩(wěn)定電能[12]。結(jié)合我國的實際情況，擬向所研究地區(qū)的15戶家庭提供220 V、50 Hz、0.3 kW的單相交流電。

3.2 水輪發(fā)電機組

選擇單噴嘴斜擊式水輪機組作為抽水蓄能系統(tǒng)的發(fā)電部分。斜擊式水輪機是沖擊式水輪機的一種，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，適用于水頭較小的小型電力系統(tǒng)。根據(jù)3.1節(jié)確定的用戶負載參數(shù)，選取水輪機型號為XJ14-0.3DCT4-Z，與之匹配的發(fā)電機型號為SF0.3-4。

該型號水輪機最大工作水頭Hmax為14 m，最小工作水頭Hmin為12 m，已知水輪發(fā)電機組的輸出功率P0為0.3 kW，效率ηtg為70%，水輪機水頭Hht在系統(tǒng)啟動時與Hmax相等，由式(6)計算可得到進入水輪機水流量Qht應(yīng)保持在0.00312 m3/s。

3.3 抽水泵

由圖4 可知，所研究地區(qū)該日的光照時間為12 h，無光照時間為12 h。本文對抽水泵的選擇標準是基于其在有光照且風(fēng)速較快的12 h內(nèi)輸入至上水庫的水量能夠滿足用戶24 h的用電需求[2]。由3.2節(jié)已知Qht為0.00312 m3/s，運行24 h 后消耗的水量為270 m3，則抽水泵抽水至上水庫的流量Qhp為0.00625 m3/s。

抽水泵的平均水頭Hav由三部分構(gòu)成：①吸力水頭Hs：水井水位與抽水泵之間的垂直距離，本文取為1 m；②仰角水頭He：抽水泵與上水庫水位之間的垂直距離，其值一般比水輪機的最大水頭Hmax多0.5 m，故He取為14.5 m；③水頭損失：水頭損失一般為吸力水頭與仰角水頭之和的10%，在本文中即為1.5 m。綜上，抽水泵的平均水頭Hav取為17 m。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)和式(5)，可計算出抽水泵的輸入功率Php為1.74 kW。又根據(jù)式(4)可知，Php為風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率Pw與光伏陣列的輸出功率Ppv之和。本文在參數(shù)設(shè)計時取在有光照的12 h里Pw與Ppv的值相等。

3.4 光伏陣列

在有光照的12 h內(nèi)，所研究地區(qū)的平均太陽能輻射強度G 為407 W/m2，Ppv為0.87 kW，則由式(1)可得到所需的光伏電池板面積Apv為14 m2。

3.5 風(fēng)力發(fā)電機組

在有光照的12 h內(nèi)，所研究地區(qū)的平均風(fēng)速U為3.95 m/s，Pw為0.87 kW，則由式(3)可得到風(fēng)力機的轉(zhuǎn)輪半徑為4.2 m。

3.6 開口水井

開口水井需要滿足以下要求：①水井要有能夠滿足發(fā)電需求的水量，且能在水井內(nèi)適當位置安裝支撐抽水泵和水輪發(fā)電機組的支架；②因為本文所取的Hmax為14 m，則水井的水位深度應(yīng)選為12～15 m，且水位的季節(jié)性變化要盡可能??；③開口水井的位置應(yīng)選在開放區(qū)域，周圍沒有阻礙陽光照射的建筑和植被。

3.7 上水庫

圖5 水泵輸出流量與水輪機輸入流量的變化曲線Fig.5 Water output rate of the pump and water input rate of the turbine

在整個模擬時間段內(nèi)進入水輪機水的流量Qht和抽水泵輸水至上水庫的流量Qhp之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定輸出，Qht始終維持在0.00312 m3/s。而在0～6 h 和19～24 h這兩個時段內(nèi)，所研究地區(qū)的太陽能輻射強度為0，即Ppv=0，上水庫的進水量小于排水量，水位將持續(xù)下降。為了保證系統(tǒng)的不間斷運行，上水庫的容積應(yīng)被設(shè)計為與其在水位下降時段儲水的最大減少量相同。根據(jù)圖3的風(fēng)速數(shù)據(jù)，所研究地區(qū)在0～6 h時段的平均風(fēng)速為2.66 m/s，在19～24 h時段的平均風(fēng)速為2.75 m/s，故應(yīng)將0～6 h時段儲水的減少量作為上水庫的容積。經(jīng)計算可得，本文所選上水庫的容積為55 m3，水庫高度應(yīng)小于Hmax與Hmin的差值，取為1 m，則底面直徑為8.4 m。

表1 系統(tǒng)各部件參數(shù)表Table 1 Component specifications of the proposed system

綜上，本文所提出的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)各部件的參數(shù)選擇如表1所示。

4 模擬結(jié)果與討論

根據(jù)圖3～4和表1中的已知數(shù)據(jù)，并采用如圖2 所示的系統(tǒng)運行流程，在Matlab 中對建立的系統(tǒng)模型進行仿真運行，同時對系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性進行分析評估。系統(tǒng)的啟動時間設(shè)置為晚上0點，且初始時上水庫充滿水。

4.1 風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運行

當系統(tǒng)只考慮風(fēng)力發(fā)電與抽水蓄能時，此時系統(tǒng)的Php與Pw相等，圖6和圖7分別為該系統(tǒng)輸出功率和輸出電壓的變化曲線。在用電高峰時段8～22 h，整個系統(tǒng)的平均輸出功率為208.3 W，最大值為296.9 W，平均輸出電壓為156.8 V，與設(shè)計值(0.3 kW、220 V)的功率偏差為30.6%，電壓偏差為28.7%。在7～9 h和21～24 h兩個時段里，風(fēng)電-抽水蓄能系統(tǒng)的輸出功率和電壓均為0，這是由于風(fēng)速過低，抽水泵的輸入功率較小，導(dǎo)致上水庫液位降為0，系統(tǒng)無法再向用戶供電。

圖6 風(fēng)電-抽水蓄能系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.6 Wind-PHES hybrid system output power

圖7 風(fēng)電-抽水蓄能系統(tǒng)輸出電壓曲線Fig.7 Wind-PHES hybrid system output voltage

4.2 光伏-抽水蓄能聯(lián)合運行

當系統(tǒng)只考慮光伏發(fā)電與抽水蓄能時，此時系統(tǒng)的Php與Ppv相等，圖8和圖9分別為該系統(tǒng)輸出功率和輸出電壓的變化曲線。在用電高峰時段8～22 h，整個系統(tǒng)的輸出功率和電壓波動明顯，平均輸出功率為190.2 W，最大值為295.6 W，平均輸出電壓為142.9 V，與設(shè)計值的功率偏差為36.6%，電壓偏差為35.1%。盡管光伏-抽水蓄能系統(tǒng)在10～19 h時段內(nèi)由于光照充足，能輸出較為穩(wěn)定的電能，但在其余時段，系統(tǒng)無法實現(xiàn)穩(wěn)定電能供應(yīng)。

圖8 光伏-抽水蓄能系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.8 PV-PHES hybrid system output power

圖9 光伏-抽水蓄能系統(tǒng)輸出電壓曲線Fig.9 PV-PHES hybrid system output voltage

4.3 風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運行

圖10和圖11分別為風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)的輸出功率和電壓的變化曲線。在用電高峰時段8～22 h，整個系統(tǒng)的平均輸出功率為294.5 W，最大值為300 W，平均輸出電壓為217.8 V，與設(shè)計值的功率偏差為1.8%，電壓偏差為1%。與風(fēng)電-抽水蓄能系統(tǒng)的結(jié)果相比，功率偏差降低了28.8%，電壓偏差降低了27.7%；與光伏-抽水蓄能系統(tǒng)的結(jié)果相比，功率偏差降低了34.8%，電壓偏差降低了34.1%。由此可見，對于所研究的地區(qū)，本文提出的風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運行系統(tǒng)能實現(xiàn)晝夜連續(xù)穩(wěn)定運行，輸出功率幾乎保持與設(shè)計值相等的0.3 kW，輸出電壓也基本維持在220 V。

圖10 風(fēng)-光-抽水蓄能系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.10 Wind-PV-PHES hybrid system output power

圖11 風(fēng)-光-抽水蓄能系統(tǒng)輸出電壓曲線Fig.11 Wind-PV-PHES hybrid system output voltage

4.4 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

以市場價格調(diào)研和相關(guān)文獻為基礎(chǔ)[13]，并采用所研究地區(qū)的工況數(shù)據(jù)，對本文提出的離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性評估。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，將農(nóng)村常見的開口水井作為下水庫，降低了水庫建設(shè)成本；僅通過水輪發(fā)電機組供電給用戶端，不需要考慮逆變相關(guān)設(shè)備，這項成本可降低約8000元。

5 結(jié) 論

提出了一種離網(wǎng)型風(fēng)-光-抽水蓄能恒壓供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將風(fēng)電、光伏發(fā)電全部供給抽水蓄能系統(tǒng)中的抽水泵，而不是用戶負載，通過獨特的上水庫設(shè)計，向用戶端提供恒壓穩(wěn)定的電能。建立了所提出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對各部件參數(shù)進行了設(shè)計和選擇，并對模型進行了24 h的仿真模擬。結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，初始成本低等優(yōu)點，廣泛適用于風(fēng)能、太陽能資源貧乏的偏遠農(nóng)村地區(qū)，且與風(fēng)電-抽水蓄能和光伏-抽水蓄能系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)晝夜不間斷恒壓穩(wěn)定運行。

本文在進行系統(tǒng)模擬時，只針對了24 h的模擬時間段進行討論與分析。在今后的研究中，可以將此模擬時間段設(shè)置為72 h甚至更長時間。