Hybrid Vind-Solcellestrømsystem Optimalisering: En Omfattende Designløsning for Bruk utenfor nettet

1. Introduksjon og bakgrunn

1.1 Utfordringer ved enkeltkilde strømproduksjonssystemer

Tradisjonelle ståalene fotovoltaiske (PV) eller vindkraftsystemer har innebygde ulemper. PV-strømproduksjonen påvirkes av døgnrytmer og værbetingelser, mens vindkraftproduksjonen er avhengig av ustabile vindressurser, noe som fører til betydelige fluktuasjoner i strømproduksjonen. For å sikre en kontinuerlig strømforsyning, er store batteribanker nødvendige for energilagring og balansering. Batterier som utsettes for frekvente lading- og ladingsykler, kan imidlertid være i en underladet tilstand over lengre perioder under tøffe driftsbetingelser, noe som fører til en praktisk levetid som er mye kortere enn den teoretiske verdien. Mer kritisk er at de høye kostnadene knyttet til batterier betyr at den totale levetidskostnaden kan nærme seg eller enda overstige kostnaden for selve PV-modulene eller vindturbinene. Derfor har forlengelse av batterilevetiden og reduksjon av systemkostnader blitt kjerneutfordringer i optimalisering av ståalene strømproduksjonssystemer.

1.2 Betynnelsesfulle fordeler med hybrid vind-sol strømproduksjon

Hybrid vind-sol strømproduksjonsteknologi overkommer effektivt ujevnheten i enkeltenergikilder ved å kombinere PV og vindkraft, to fornybare energikilder, på en organisert måte. Vind og solenergi viser en naturlig komplementaritet i tid (dag/natt, sesonger): sterkt sollys om dagen ofte samtidig med potensielt sterkere vind om natten; god solstråling i sommer kan kombineres med rike vindressurser i vinter. Denne komplementariteten gjør det mulig:

• Betydelig utvidelse av den effektive ladetiden for batterier, redusering av tiden de er i en underladet tilstand, noe som betydelig forlenger batterilevetiden.
• Reduksjon i den nødvendige batterikapasiteten. Siden sannsynligheten for at både vind og sol samtidig mangler er lav, kan systemet ofte drive belastningen direkte, noe som tillater bruk av en mindre kapasitetsbatteribank.
• Innenlandske og internasjonale studier bekrefter at hybrid vind-sol systemer overgår enkeltkilde strømproduksjonssystemer både i strømforsyningens pålitelighet og livslang økonomi.

1.3 Svakheter ved eksisterende designmetoder og foreslått løsning

Nåværende systemdesign møter utfordringer. Profesjonell simuleringsprogramvare fra utlandet er dyrt, og dens kjernemodeller er ofte konfidensielle, noe som hindrer bred anvendelse. Samtidig er de fleste forenklete designmetoder utilstrekkelige - enten de fokuserer for mye på meteorologiske gjennomsnitt og ignorerer detaljer, eller de bruker lineære forenklet modeller som fører til begrenset nøyaktighet og dårlig anvendelighet.

Denne løsningen har til hensikt å foreslå et sett med nøyaktige og praktiske datamaskinbaserte designmetoder for å løse ovennevnte problemer.

II. Systemoppbygging og kjernetekniske modeller

2.1 Systemarkitektur

Det hybrid vind-sol strømproduksjonssystemet som er designet i denne løsningen, er et helt ståalone off-grid system, uten sikkerhetskopierende strømkilder som dieselmotorer. De kjernekomponentene inkluderer:

• Strømproduksjonsenhet: Vindturbin-generatorer, PV-paneler.
• Energilagring og -administrasjonsenhet: Batteribank, ladestyring (for administrasjon av lading og ladning).
• Beskyttelses- og konverteringenhet: Omledningsbelast (forebygger overladning av batteri, beskytter inverter), inverter (konverterer DC til AC for å tilfredsstille de fleste belastningskrav).
• Strømforbrukingenhet: Belastning.

2.2 Nøyaktige strømproduksjonsberegningmodeller

For å oppnå optimalt design, har vi etablert nøyaktige timevis strømproduksjonsberegningmodeller.

• PV-panelmodell:
1. Solstrålingsoverføring: Bruker et avansert anisotrop himmel-diffus modell for å nøyaktig overføre horisontal solstrålingsdata målt av værstasjoner til strålingen som treffer helningsflaten av PV-panelene, med full vurdering av direkte stråling, himmeldifus stråling og grunnspeilet stråling.
2. Modul karakteristikk simulering: Bruker et nøyaktig fysisk modell for å karakterisere de ikkelineære utgangsegenskapene til PV-paneler, med full vurdering av effekten av stråling og ambients temperatur på panelutgangsspennings- og strøm, for å sikre nøyaktighet i strømproduksjonsberegninger.
• Vindturbinmodell:
1. Vindhastighetskorrigering: Korrigerer referansepunkt-vindhastigheten fra meteorologiske data til den faktiske hub-høyde-vindhastigheten basert på eksponentialloven for vindhastighetsvariasjon med høyde.
2. Kraftkurvepassing: Bruker en segmentert funksjon (ulike binomialligninger for ulike vindhastighetsintervaller) for å oppnå høy-nøyaktig passning av turbinens faktiske kraftutgavekurve, som gir mulighet for nøyaktig timevis energiberegning basert på vindhastighetsdata.

2.3 Batteri dynamisk egenskapsmodell

Batteriet er den kjernegenerende lagringskomponenten, med dynamisk endrede tilstander. Modellen fokuserer hovedsakelig på:

• Ladingsgrad (SOC) beregning: Simulerer dynamisk batteriets lading og ladingsprosesser basert på forholdet mellom strømproduksjon og belastningsforbruk på hvert tidspunkt, nøyaktig beregner den gjenstående kapasiteten, med vurdering av praktiske faktorer som selv-ladingsrate, ladings-effektivitet og invertereffektivitet.
• Lading-og ladingsadministrasjon: For å forlenge batterilevetiden, defineres en rimelig SOC-driftsområde (f.eks. begrensning av maksimal ladingsdybde til 50%), og et modell som korrelerer flyteladings spenningspunkt med SOC og ambient temperatur er etablert for å nøyaktig bestemme ladingsforhold.

III. Systemoptimalisering og dimensjonsmetodikk

3.1 Strømforsyningens pålitelighetsindikatorer

Designet prioriterer å tilfredsstille brukerens spesifikke strømforsyningens pålitelighetskrav. Kjerneindikatorer inkluderer:

• Tap av strømforsyningssannsynlighet (LPSP): Forholdet mellom systemnedetid og total evalueringstid, noe som intuisjonistisk reflekterer forsyningens kontinuitet.
• Tap av belastningssannsynlighet (LLP): Forholdet mellom belastningskraftbehovet som ikke blir dekket av systemet til det totale behovet. Dette er den mest kritiske kjerneindikatoren for systemoptimaliseringsdesign.

3.2 Trinnvis optimaliseringsdesignprosess

Denne løsningen bruker en systematisk optimaliseringsprosess, med mål om å minimere den initielle investeringskostnaden for utstyr for å finne den optimale konfigurasjonen.

1. Trinn 1: Optimalisere PV og batterikonfigurasjon for en fast vindturbin-kapasitet
• Kjerneoppgave: Under forutsetning av at vindturbinmodellen og antallet er fast, finn kombinasjonen av PV-modulkapasitet og batterikapasitet som oppfyller den forhåndsbestemte pålitelighetsindikatoren (LPSP) og resulterer i den laveste totale utstyrskostnaden.
• Gjennomføringsmetode: Gjennom simuleringer, plot "balansekurven" som representerer alle PV- og batterikonfigurasjoner som oppfyller pålitelighetskravet. Deretter, ved hjelp av tangentmetoden eller dataprogramskjerming basert på utstyrpriser, fastsett den unike optimale kombinasjonen med den laveste kostnaden.
2. Trinn 2: Global optimalisering ved variabel vindturbin-kapasitet
• Kjerneoppgave: Endre vindturbin-kapasiteten eller antallet, gjenta optimaliseringsprosessen fra trinn 1, og få en rekke optimale konfigurasjoner og deres tilsvarende kostnader for ulike vindturbin-kapasiteter.
• Sluttbeslutning: Sammenlign totalkostnadene for alle kandidatløsninger og velg vind-PV-batterikombinasjonen med den globalt laveste kostnaden som den endelige optimaliserte systemkonfigurasjonen.

3.3 Systemytelse simulering og utdata

Etter å ha bestemt den optimale konfigurasjonen, kan systemets årlige drift simuleres time for time, genererer detaljerte rapporter inkludert:

• Tidsdimensjon: Timevis batteriladingsgrad, systemenergibalansering.
• Statistisk dimensjon: Daglig/månedlig/årlig ubehandlet belastningsenergi, pålitelighetsindikatorer (LPSP, LLP), vind/sol strømproduksjonandel, energioverskudd og underskudd situasjoner, etc.

IV. Konklusjon

Den foreslåtte optimaliseringsdesignmetoden for hybrid vind-sol strømproduksjonssystemer i denne løsningen, basert på omfattende matematiske modeller og nøyaktige lokale meteorologiske data, kan unikt fastsette systemkonfigurasjonen med den laveste initielle utstyrsinvesteringskostnaden samtidig som den tilfredsstiller spesifikke brukeres elektrisitetsbehov og strømforsyningens pålitelighetskrav. Denne metoden løser effektivt svakheter ved enkeltkilde strømproduksjonssystemer, overkommer begrensningene ved eksisterende designtilnærminger, og gir et kraftig verktøy for vitenskapelig, effektiv og økonomisk design av hybrid vind-sol strømproduksjonssystemer, med betydelig verdi for ingeniørfagslige anvendelser.