Hybrid Vind-Solcelle Straumsystem Optimalisering: En Kompleks Designløsning for Off-Grid Anvendelser
Introduksjon og bakgrunn
1.1 Utfordringer ved enekildekraftsystemer
Tradisjonelle ståalene fotovoltaiske (PV) eller vindkraftsystemer har innebygde ulemper. PV-kraftproduksjonen påvirkes av døgnrytmer og værforhold, mens vindkraftproduksjonen er avhengig av ustabile vindressurser, noe som fører til betydelige fluktuasjoner i kraftutbytte. For å sikre en kontinuerlig strømlevering, er store batteribanker nødvendige for energilagring og balansering. Batterier som blir ofte lades og lastes, er imidlertid utsatt for å være underladed over lengre perioder under tøffe driftsforhold, noe som fører til en faktisk nytidsperiode langt kortere enn den teoretiske verdien. Mer kritisk er at de høye kostnadene for batterier betyr at deres totale livssykluskostnader kan nærme seg eller enda overstige kostnadene for selve PV-modulene eller vindturbinene. Derfor har utvidelse av batterilevetiden og reduksjon av systemkostnader blitt de sentrale utfordringene i optimalisering av ståalene kraftsystemer.
1.2 Betydelige fordeler ved hybrid vind-sol kraftgenerasjon
Hybrid vind-sol kraftgenerasjonsteknologi overkommer effektivt intermittensproblemet ved enkeltekilder ved å organisere kombinasjonen av to fornybare energikilder, nemlig solceller og vindkraft. Vind og solenergi viser naturlig komplementaritet i tid (dag/natt, sesonger): sterkt sollys om dagen ofte sammenfaller med potensielt sterkere vind om natten; gode solinnstråling i sommer kan kombineres med riktige vindressurser i vinter. Denne komplementariteten gjør det mulig:
Betydelig utvidelse av den effektive ladetiden for batterier, reduserer tiden de tilbringer i en underladet tilstand, noe som betydelig forlenger batteriets nytidsperiode.
Reduksjon av den nødvendige batterikapasiteten. Siden sannsynligheten for at både vind og sol samtidig ikke er tilgjengelig er lav, kan systemet ofte strømføre belastningen direkte, noe som tillater bruk av en mindre kapasitetsbatteribank.
Innenlandske og internasjonale studier bekrefter at hybrid vind-sol systemer overgår enekildekraftsystemer både i strømleveringsreliabilitet og livssykluskostnadseffektivitet.
1.3 Svakheter ved eksisterende designmetoder og foreslått løsning
Nåværende systemdesign står overfor utfordringer. Profesjonell simuleringsprogramvare fra utlandet er dyrt, og dens kjernemodeller er ofte fortrolige, noe som hindrer bred anvendelse. Samtidig er de fleste forenklete designmetoder utilstrekkelige—enten de er for avhengige av meteorologiske gjennomsnitt og ignorerer detaljer, eller de bruker lineære forenklet modeller som fører til begrenset nøyaktighet og dårlig anvendelighet.
Denne løsningen har som mål å foreslå et sett med nøyaktige og praktiske datamaskinstøttede designmetoder for å løse de nevnte problemene.
II. Systemoppbygging og kjernetekniske modeller
2.1 Systemarkitektur
Det hybrid vind-sol kraftgenerasjonssystemet som er designet i denne løsningen, er et helt ståalene off-grid system, uten reservestrukturer som dieselmotorer. De kjernekomponentene inkluderer:
Kraftgenereringsenhet: Vindturbin-generatorer, PV-array.
Energilagring og -administrasjonsenhet: Batteribank, laderegulator (for å administrere lading og lasting).
Beskyttelses- og konverteringenhet: Omledningsbelast (forebygger batterioverladning, beskytter inverter), inverter (konverterer DC til AC for å møte de fleste belastningskrav).
Strømforbrukingenhet: Belastning.
2.2 Nøyaktige kraftgenereringsberegningmodeller
For å oppnå optimalt design, har vi etablert nøyaktige timevis kraftgenereringsberegningmodeller.
PV-arraymodell:
Solstrålingsomforming: Bruker et avansert anisotrop himmel diffus modell for å nøyaktig omdanne horisontalt solstrålingsdata målt av værstasjoner til strålingen som treffer den skjeve flaten av PV-modulene, med full overveielse av direkte stråling, himmeldiffus stråling og jordreflektert stråling.
Modul karakteristikk simulering: Bruker en nøyaktig fysisk modell for å karakterisere de ikkelineære utgangskarakteristikken av PV-moduler, med full overveielse av effekten av stråling og ambients temperatur på modulens utgangsspennings- og strøm, for å sikre nøyaktighet i kraftgenereringsberegninger.
Vindturbinmodell:
Vindhastighet korrigering: Korrigerer referansekraft fra meteorologiske data til den faktiske hubhøyde vindhastighet basert på eksponentialloven for vindhastighetsvariasjon med høyde.
Kraftkurve fitting: Bruker en segmentert funksjon (forskjellige binomiallikninger for forskjellige vindhastighetsintervaller) for å oppnå høy-nøyaktig fitting av turbinens faktiske kraftutbytte kurve, som gjør det mulig å beregne timenøyaktig energi basert på vindhastighetsdata.
2.3 Batteri dynamisk karakteristikkmodell
Batteriet er den sentrale energilagringskomponenten, med dynamisk endrende tilstander. Modellen fokuserer hovedsakelig på:
Ladetilstand (SOC) beregning: Simulerer dynamisk batteriets lade- og lasteprosesser basert på forholdet mellom kraftgenerering og belastningsforbruk på hver tidssteg, nøyaktig beregner den gjenstående kapasiteten, med overveielse av praktiske faktorer som selvoppladningsrate, ladeeffektivitet og invertereffektivitet.
Lade-lastehåndtering: For å utvide batterilevetiden, defineres en rimelig SOC driftsområde (f.eks. begrenser maksimal nedlastingsdybde til 50%), og en modell som knytter flytladespenning til SOC og ambients temperatur etableres for å nøyaktig bestemme ladebetingelser.
III. Systemoptimalisering og størrelsesbestemmelsesmetodologi
3.1 Strømleveringsreliabilitetsindikatorer
Designet prioriterer å oppfylle brukerens spesifiserte strømleveringsreliabilitetskrav. Nøkkelinndikatorer inkluderer:
Tap av strømleveranse (LPSP): Forholdet mellom systemnedbruddstid og total evalueringstid, gir intuitiv innblikk i leveranskontinuitet.
Tap av belastningsannet (LLP): Forholdet mellom belastningsstrømkrevet som ikke dekkes av systemet til totalt behov. Dette er den mest kritiske kjernaindikatoren for systemoptimaliseringsdesign.
3.2 Trinn-for-trinn optimaliseringsdesignprosess
Denne løsningen bruker en systematisk optimaliseringsprosess, med mål om å minimere den initielle investeringskostnaden for utstyr for å finne den optimale konfigurasjonen.
Trinn 1: Optimaliser PV- og batterikonfigurasjon for fast vindturbinenkapasitet
Kjerneoppgave: Under forholdet at vindturbinmodellen og antallet er fast, finn kombinasjonen av PV-modulenkapasitet og batterikapasitet som oppfyller den forhåndsbestemte reliabilitetsindikatoren (LPSP) og resulterer i den laveste totale utstyrskostnaden.
Implementeringsmetode: Gjennom simuleringberegninger, plot "balanseringskurven" som representerer alle PV- og batterikonfigurasjoner som oppfyller den påkrevde reliabiliteten. Deretter, ved hjelp av kostnadstangentmetoden eller dataprogramvarebasert skjønn basert på enhetspris for utstyr, bestem den unike optimale kombinasjonen med den laveste kostnaden.
Trinn 2: Global optimalisering ved variasjon av vindturbinenkapasitet
Kjerneoppgave: Endre vindturbinenkapasitet eller antall, gjenta optimaliseringsprosessen fra trinn 1, og få en rekke optimale konfigurasjoner og deres tilhørende kostnader for ulike vindturbinenkapasiteter.
Sluttbeslutning: Sammenlign totalkostnadene for alle kandidatløsninger og velg vind-PV-batterikombinasjonen med den globalt laveste kostnaden som den endelige optimaliserte systemkonfigurasjonen.
3.3 Systemprestasjonssimulering og utdata
Etter å ha bestemt den optimale konfigurasjonen, kan systemets årlige drift simuleres time for time, genererer detaljerte rapporter som inkluderer:
Tidsdimensjon: Timevis batteriladetilstand, systemenergibalansering.
Statistisk dimensjon: Daglig/månedlig/årlig ubestruket belastningsenergi, reliabilitetsindikatorer (LPSP, LLP), vind/sol kraftgenerasjonsandel, energioverskudd og -underskudd situasjoner, etc.
IV. Konklusjon
Den foreslåtte optimaliseringsdesignmetoden for hybrid vind-sol kraftgenerasjonssystemer, basert på omfattende matematiske modeller og nøyaktige lokale meteorologiske data, kan unikt bestemme systemkonfigurasjonen med den laveste initielle utstyrsinvesteringskostnaden, samtidig som den oppfyller spesifikke brukerstrømkrevet og strømleveringsreliabilitetskrav. Denne metoden løser effektivt svakheter ved enekildekraftsystemer, overvinner begrensningene ved eksisterende designtilnærminger, og gir et kraftig verktøy for vitenskapelig, effektiv og økonomisk design av hybrid vind-sol kraftgenerasjonssystemer, med betydelig verdi for ingeniøranvendelser.
