多能互补综合智慧能源发电系统设计与搭建技术研究

多能互补综合智慧能源发电系统设计与搭建技术研究

徐晓华

广东省广业集团有限公司广东广州510030

摘要：改革开放初期，我国电力缺口高达上千万千瓦，不少工厂被迫“停三开四”，居民用电也无法全部保证，“停电”成为一代人的记忆，煤荒、油荒也时有发生，能源短缺一度困扰着中国经济发展。与改革开放40年同步，我国风电、光伏等非水可再生能源产业走过了一条不平凡的成长之路。2018年，新增并网风电装机2059万千瓦，累计并网装机容量达到1.84亿千瓦。在建成有风电场项目升压变电站建筑物屋顶开发光伏发电的形式，太阳能光伏组件上方接收太阳能实现发电，能实现综合智慧能源系统搭建，构建友好型环保能源平台。

关键词：风电；光伏发电；多能互补；智慧能源；综合能源管理系统

一、引言

改革开放以来，我国的能源发展实现了前所未有的重大变化，取得了举世瞩目的历史性成就，能源生产和消费总量跃居世界首位，能源保障能力不断增强，能源结构不断优化，节能降耗成效显著，为我国经济持续快速发展、人民生活水平不断提高提供了坚实有力的基础保障。本文探索研究针对部分风电场地域及供电系统优势，在风电场内建立光伏发电系统，对运行模式以及建设方案进行研究和探索，实现“风光互补”的综合能源利用系统，实现经济效益与环境效益。

二、研究内容

2.1研究背景

风光互补综合能源利用系统是可以利用太阳能发电和风力发电机发电在季节上和时间上的互补性，即太阳能在夏季和白天的发电量大，风能在春季、秋季、冬季和夜晚的发电量大，与此同时，通过搭建“多能互补”综合智慧能源发电系统还具有以下优势：

2.1.1充分利用风电场供电系统，遵循就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能够降低用地成本及配套设施建设，有效解决电力在升压及长途运输中的损耗问题。

2.1.2电网为分布式电源接入提供便利。

2.1.3电网提供补助电量计量及补助资金结算等服务，带来可观的经济收益。

2.1.4污染小，环保效益突出。在利用清洁能源的时候，充分重视与周边风机的协调，实现能源综合利用系统。

2.2多能互补系统研究

2.2.1建模背景

本文通过对某个风电场进行建模和研究，通过在风电场升压站屋面建立光伏发电系统，包括光伏棚及光伏车棚、备品备件库、篮球场、设备房等屋面。

2.2.2设备选型

光伏组件的选择应在技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站周围的自然环境计施工条件的状况，选用行业内的主导光伏组件类型。根据电站所在地的光资源状况和所选用的太阳能光伏组件类型，计算光伏电站的年发电量，选择综合指标最佳的太阳能光伏组件。

商用的太阳电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。晶硅类电池又分为单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件。两种光伏组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，执行的标准也相同，在工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用，多晶硅与单晶硅比较见表2-1，综合考虑目前光伏光伏组件的制造水平、技术成熟程度、技术性能、场区光资源和价格等因素。本研究选用单晶硅光伏组件。

实际过程中，宜尽量采用高效组件，以及组件价格、效率、技术成熟性、市场占有率，以及采购订货时的可选择余地，本研究拟选用60片单晶硅太阳电池光伏组件，组件规格为295W。

光伏逆变器作为光伏发电系统的核心设备，对发电量、初始投资和运行成本、电能质量有至关重要的影响。集中式、组串式、集散式是目前主要采用的光伏逆变器类型，它们具有各自的特点和适应性，针对不同类型的光伏电站选择合适的逆变器类型才能得到最佳的投资回报率。本研究拟采用组串式逆变器。

2.2.3太阳能光伏组串布置方式

光伏回路的组件串联数量主要根据光伏组件参数、逆变器参数以及系统容量选取，按以下原则设计：1)光伏组串的最大开路电压应小于逆变器允许的最大直流输入电压；2)在运行环境下，光伏组串的最大工作电压应小于光逆变器MPPT电压最大值；3)在运行环境下，光伏组串的最小工作电压应大于逆变器MPPT电压最小值。在满足设计要求的条件下，光伏回路组件串联数量越多，支架和电缆耗材越少。

2.2.4方阵接线方案设计

本研究采用分块发电、集中并网方案，每个直流回路由24块光伏组件串联组成，每5路电池组串接入一台36kW型组串式逆变器，每4台逆变器接入1台4汇1的交流汇流箱，交流汇流箱经多回线路接入250kVA站用变低压侧构成光伏发电系统，光伏回路系统接线示意图如图2-2。

工程拟采用在建筑物屋顶开发光伏发电的形式，太阳能光伏组件上方接收太阳能实现发电，同时不影响建筑物的正常功能，实现一地两用，同时与风力发电相结合。白天，光伏发电系统通过站用变为站内负荷供电，消纳站用变负荷。晚上，光伏发电系统停止发电，由柴油发电机或站用变为站内负荷供电，形成屋顶光伏系统、升压站配电变压器、柴油发电机为一体的“多能互补”综合智慧能源发电系统。

2.2.6能源管理调配策略与运行模式

在保证风电场升压站能源系统的安全、经济、稳定运行前提下，能源管理技术根据能源负荷需求、发电情况、天气情况和电价等信息，以最小的运行成本、网损成本以及停电成本为目标，提供合理的参考运行点，统一协调设备负荷，以便达到经济运行，节能减排的目的。

相比较传统集中式电力系统，多能互补能源系统能够将具备互补性的能源集中起来，提升系统的稳定性和经济性，确保能源的充分利用。而在系统构建过程中，需要充分考虑区域经济发展情况和负荷需求，结合一体化运行模式，建立相应的能源综合管控中心和管理系统平台，在保证电力系统稳定可靠运行的基础上，通过分布式能源系统实现优化调度与多能互补，促进能源利用效率和经济效益的提高。

三、结语

当前，我国出台多项能源科技发展规划及配套政策，走出了一条引进、消化吸收、再创新的道路，能源技术自主创新能力和装备国产化水平显著提升。根据上述研究，搭建多能互补综合智慧能源发电系统，有利于提高能源供需协调能力，推动能源清洁生产和就近消纳，实现安全供能前提下的效益最大化，还能构建友好型环保能源平台。搭建多能互补综合智慧能源发电系统更是提高能源系统综合效率的重要抓手，对于建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。

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