Hybrid Vind-Solcelle Strømsystem Optimering: En Komplet Designløsning til Off-Grid Anvendelser

1. Introduktion og baggrund

1.1 Udfordringer ved enkeltkilde strømforsyningssystemer

Traditionelle selvstændige fotovoltaiske (PV) eller vindstrømforsyningssystemer har indbyggede ulemper. PV-strømforsyningen påvirkes af daglige cyklusser og vejrforhold, mens vindstrømforsyningen er afhængig af ustabile vindressourcer, hvilket fører til betydelige fluktuationer i strømproduktionen. For at sikre en kontinuerlig strømforsyning er store kapacitets batteribanker nødvendige til energilagring og balance. Batterier, der undergår hyppige opladnings- og afladningscyklusser, er imidlertid ofte i en underladet tilstand i lang tid under hårde driftsforhold, hvilket resulterer i en praktisk servicelevetid, der er meget kortere end den teoretiske værdi. Endnu kritiskere er, at de høje omkostninger ved batterier betyder, at deres samlede levetidsomkostninger kan nærme sig eller endda overstige omkostningerne til selve PV-modulerne eller vindturbinerne. Derfor er forlængelse af batterilevetiden og reduktion af systemomkostninger blevet de centrale udfordringer i optimering af selvstændige strømsystemer.

1.2 Betydelige fordele ved hybrid vind-sol strømforsyning

Hybrid vind-sol strømforsyningsteknologi overvinder effektivt intermittensen ved enkeltenergikilder ved organisk at kombinere PV og vindstrøm, to fornyelige energikilder. Vind og solenergi viser en naturlig komplementaritet i tiden (dag/nat, sæsoner): stærkt sollys om dagen falder ofte sammen med potentielt stærkere vind om natten; god solstråling i sommer kan kombineres med rigelige vindressourcer i vinter. Denne komplementaritet gør det muligt:

• Betydelig forlængelse af den effektive opladningstid for batterier, reduktion af tiden, de tilbringer i en underladet tilstand, hvilket betydeligt forlænger batteriets servicelevetid.
• Reduktion af den nødvendige batterikapacitet. Da sandsynligheden for, at både vind og sol er utilgængelige samtidig, er lav, kan systemet ofte strømforsyningen direkte, hvilket gør det muligt at bruge en mindre kapacitets batteribank.
• Indenlandske og internationale studier bekræfter, at hybrid vind-sol systemer overgår enkeltekilde strømforsyningssystemer i både strømforsyningens pålidelighed og levetidsomkostningseffektivitet.

1.3 Ulemper ved eksisterende designmetoder og den foreslåede løsning

Nuværende systemdesign står over for udfordringer. Professionel simuleringssoftware fra udlandet er dyr, og dens kerne modeller er ofte fortrolige, hvilket hindrer bred anvendelse. Samtidig er de fleste forenklet designmetoder utilstrækkelige - enten de er for afhængige af meteorologiske gennemsnit, ignorerer detaljer, eller de bruger lineære forenklet modeller, hvilket føder til begrænset præcision og dårlig anvendelighed.

Denne løsning sigter mod at foreslå en række præcise og praktiske computerbaserede designmetoder for at tackle de ovenstående problemer.

II. Systemkomposition og kerne tekniske modeller

2.1 Systemarkitektur

Det hybrid vind-sol strømforsyningssystem, der er designet i denne løsning, er et helt selvstændigt off-grid system uden backup strømforsyninger som dieselgeneratore. De kernekomponenter inkluderer:

• Strømproduktionsenhed: Vindturbin generatorer, PV-array.
• Energilagring og -administration enhed: Batteribank, ladningskontroller (til administration af opladning og afladning).
• Beskyttelses- og konverteringsenhed: Afledningsbelast (forebygger batterioverladning, beskytter inverter), inverter (konverterer DC til AC for at opfylde de fleste belastningskrav).
• Strømforsyningseenhed: Belastning.

2.2 Præcise strømproduktionsberegningmodeller

For at opnå en optimal design har vi etableret præcise timepræcise strømproduktionsberegningmodeller.

• PV-array model:
1. Solstrålings transformation: Bruger en avanceret anisotropisk sky diffuse model til præcis at transformere horisontal solstrålingsdata målt af vejrstationer til strålingen, der rammer den skrå overflade af PV-moduler, og tager fuldt højde for direkte stråling, sky diffuse stråling og jordreflekteret stråling.
2. Modulkarakteristisk simulation: Anvender en præcis fysisk model til at karakterisere de ikke-lineære produktionskarakteristikker af PV-moduler, tager fuldt højde for effekten af stråling og omgivende temperatur på modulspænding og -strøm, og sikrer præcisionen i strømproduktionsberegninger.
• Vindturbinmodel:
1. Vindhastigheds korrektion: Korrigerer referencenhøjden vindhastighed fra meteorologiske data til den faktiske hubhøjde vindhastighed baseret på eksponentialloven, der styrer vindhastighedsvariation med højde.
2. Kraftkurve fitting: Bruger en segmenteret funktion (forskellige binomial ligninger for forskellige vindhastighedsintervaller) til at opnå højkvalitativ fitting af turbinens faktiske kraftproduktionskurve, hvilket gør det muligt at beregne timewise energi præcist baseret på vindhastighedsdata.

2.3 Batteri dynamisk karakteristisk model

Batteriet er den kerne energilagringskomponent, med dynamisk ændrende tilstande. Modellen fokuserer primært på:

• Tilstands beregning (SOC): Simulerer dynamisk batteriets opladnings- og afladningsprocesser baseret på forholdet mellem strømproduktion og belastningsforbrug ved hver tidssteg, beregner præcist den resterende kapacitet, og tager højde for praktiske faktorer som selvafslipningsrate, opladningseffektivitet og invertereffektivitet.
• Opladnings- og afladningsadministration: For at forlænge batterilevetiden defineres et rimeligt SOC driftsområde (f.eks. begrænsning af maksimal dybde af afladning til 50%), og en model, der forbinder flydende opladningsspænding med SOC og omgivende temperatur, er etableret for at præcist fastlægge opladningsbetingelser.

III. Systemoptimering og størrelsesbestemmelsesmetode

3.1 Strømforsyningens pålidelighedsindikatorer

Designet prioriterer at opfylde brugerens specifikke strømforsyningens pålidelighedskrav. Nøgleindikatorer inkluderer:

• Tab af strømforsyningssandsynlighed (LPSP): Forholdet mellem systemnedbrudstid og total evalueringstid, intuativt reflekterer leverandørens kontinuitet.
• Tab af belastnings sandsynlighed (LLP): Forholdet mellem belastnings strømkraftbehov, der ikke opfyldes af systemet, til det samlede behov. Dette er den mest kritiske kerneindikator for systemoptimeringsdesign.

3.2 Trin-for-trin optimeringsdesignproces

Denne løsning anvender en systematisk optimeringsproces, med henblik på at minimere den initielle investeringsomkostning for udstyr for at finde den optimale konfiguration.

1. Trin 1: Optimer PV- og batterikonfiguration for en fastlagt vindturbin kapacitet
• Kerneopgave: Under forudsætning af, at vindturbinmodel og antal er fastlagt, find den kombination af PV-modul- og batterikapaciteter, der opfylder den forudbestemte pålidelighedsindikator (LPSP) og resulterer i den laveste totale udstyrsovkostning.
• Gennemførelsesmetode: Gennem simuleringberegninger tegnes den "balancekurve", der repræsenterer alle PV- og batterikonfigurationer, der opfylder pålideligheds kravet. Derefter bestemmes den unikke optimale kombination med den laveste omkostning ved hjælp af kostningstangentmetoden eller computerscreening baseret på udstyrspri pr. enhed.
2. Trin 2: Global optimering ved at variere vindturbin kapacitet
• Kerneopgave: Ændr vindturbin kapaciteten eller antallet, gentag optimeringsprocessen fra trin 1, og få en række optimale konfigurationer og deres tilsvarende omkostninger for forskellige vindturbin kapaciteter.
• Endelig beslutning: Sammenlign de totale omkostninger for alle kandidatløsninger og vælg den vind-PV-batteri kombination med den globalt laveste omkostning som den endelige optimerede systemkonfiguration.

3.3 Systemprestationssimulering og output

Efter at have fastlagt den optimale konfiguration kan systemets årlige drift simuleres timewis, og genererer detaljerede rapporter, herunder:

• Tidsdimension: Timewiset batteritilstand, systemenergibalancering.
• Statistisk dimension: Dagligt/månedligt/årligt ubestruet belastningsenergi, pålidelighedsindikatorer (LPSP, LLP), vind/sol strømproduktionsandel, energioverskud og -underskud situationer osv.

IV. Konklusion

Den foreslåede optimeringsdesignmetode for hybrid vind-sol strømforsyningssystemer, baseret på omfattende matematiske modeller og præcise lokale meteorologiske data, kan unikt fastlægge systemkonfigurationen med den laveste initielle udstyrsovkostning, mens den opfylder specifikke brugers elektricitetsbehov og strømforsyningens pålideligheds krav. Denne metode løser effektivt ulemper ved enkeltekilde strømforsyningssystemer, overkommer begrænsningerne i eksisterende designmetoder, og giver et kraftfuldt værktøj til videnskabelig, effektiv og økonomisk design af hybrid vind-sol strømforsyningssystemer, og har betydelig værdi for ingeniøranvendelser.