组合蓄能离网型光伏发电系统及其优化设计

摘要

由于能源危机和环境危机，新能源特别是太阳能和风能的开发和利用得到了世界各国的青睐。光伏发电系统是一种清洁的新能源发电装置，具有无污染、无噪声、安全可靠、环保美观、故障率低、寿命长的优点，从而得到了广泛的发展。离网型光伏发电系统在那些远离电网而又必需电力的地方应用较为经济和普遍。
　　 由于太阳辐射与用户负荷二者之间的供需失配，现阶段常规离网型光伏发电系统通常采用蓄电池作为能量缓冲装置，但蓄电池蓄能密度低，常规光伏发电系统往往由于蓄电池的能量缓冲容量不足而很难实现自治运行（即系统在只有光伏电能而无其他后备能源的前提下，能够满足用户需求，保证系统供电可靠）。虽然采用电解水制氢作为能量缓冲的氢气蓄能式光伏发电系统可以解决系统自治运行的问题，但是系统存在效率降低、单位成本较高以及燃料电池负载跟随性差等缺点。为了解决单一蓄能离网型光伏发电系统的缺点，采用蓄电池与电解水制氢相结合的组合蓄能光伏发电系统。组合蓄能的方式充分发挥了蓄电池效率高、动态响应快和氢气能量密度高、无泄漏、适宜长期储能的优点，形成了优势互补。本文的研究重点是在保证系统实现自治运行的基础上，对离网型组合蓄能光伏发电系统进行优化设计与成本分析。
　　 论文首先阐述了光伏发电的基本原理和发展现状，特别介绍了离网型光伏发电系统及其发展现状。另外还比较全面的介绍了光伏发电系统中所采用的各种储能方式，主要包括蓄电池、电解水制氢蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮蓄能、超导储能。
　　 其次，论文对常规系统和氢气蓄能式系统的优缺点进行了分析，并介绍了组合蓄能光伏发电系统及其组成和工作原理。在保证系统能够自治运行和效率最优的基础上，对组合蓄能光伏发电系统的控制策略和优化设计进行了分析研究。本文还提出了成本优化控制策略，即在牺牲一定效率的基础上（增加了太阳能电池板的尺寸），有效地降低系统储能元件（如电解水制氢装置，燃料电池等）的尺寸，从而系统总体成本下降。此外，还给出了光伏发电系统发电成本的计算方法。
　　 最后，根据本文所提出的优化设计方法和控制策略对组合蓄能系统进行了案例研究和仿真验证，研究了不同的控制策略和控制参数对组合蓄能光伏发电系统运行的影响。在保证系统自治运行的基础上，对成本最优控制策略的可行性进行了验证。仿真和计算的结果表明，在保证系统自治运行的基础上，本文所提出的系统优化设计方法能够比较准确地估算出系统尺寸，成本计算结果也较为合理，组合蓄能光伏发电系统具有良好的应用开发潜力。