一种风光互补电站容量配比的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种风光互补电站容量配比的计算方法，通过分别对风电场、光伏电站的发电功率进行计算；交叉计算风电场、光伏电站的不同容量配比；分析不同容量配比的风光互补电站的出力特性；最终选择最优的风光互补电站容量配比。本发明对风光互补电站的容量配比提出了优选方案，节省了电站投资、增强电站稳定运行。
【专利说明】—种风光互补电站容量配比的计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风光互补电站的风、光容量的最优配置比例的计算方法。通过分别对风电场、光伏电站的发电功率进行计算；交叉计算风电场、光伏电站的不同容量配比；分析不同容量配比的风光互补电站的出力特性；最终选择最优的风光互补电站容量配比。该方法的成果可用于风光互补电站的出力分析、主要设备选型、风光容量配比等。
【背景技术】
[0002]风能和太阳能有着其自身的优点:取之不尽、用之不竭；就地可取、无需运输；分布广泛，可靠性高；清洁能源，利于生态等等。风能、太阳能虽然存在上述优点，但也存在着一些弊端:1)能量密度低；2)能量稳定性差。正是其能量的稳定性差为两种能源的利用带来了困难。
[0003]而两者的变化趋势基本相反，太阳能和风能在时间分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源利用上具有很好的匹配性。
[0004]1981年,丹麦的N.E.Busch和Kellenbach提出了太阳能和风能混合利用的技术问题。最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件进行简单的组合。随后美国的C.1.Aspliden研究了太阳能一风能混合转换系统的气象问题；前苏联的N.Aksarni等人根据概率原理，统计出近似的太阳能一风能潜力的估计值，为风光互补发电系统的研究和利用提供了科学的数据支持。目前尚未见到风光互补电站基于风、光资源，再进行容量配比的方案、方法。
[0005]国内目前在风电、光伏电站进行风资源分析、发电量估算主要基于如下规范和方法:
O风电部分
国内目前针对风电场的发电量的计算主要采用如下软件:WASP、WT、WindFarmer等；上述软件在计算时根据完整一年的订正的测风数据，计算出风电场的全年发电量。但是要得到年内逐时的发电功率，上述软件目前尚不能实现；
2)光伏部分
国内目前针对光伏电站的发电量的计算主要采用如下软件:RetScreen、PVSyst等；与风电软件不同的是，光伏电站计算软件可分别计算出逐月的总发电量。但要到逐时的发电功率，上述软件目前亦尚不能实现。
【发明内容】
[0006]针对目前对风电场、光伏电站的发电量计算现状可以看出，两类电站目前尚无完善的计算逐时发电功率(出力)的方法，因此对风光互补电站整体的发电出力就缺少分析的依据。本方法基于风电场订正后的测风数据、光伏电站订正后的历史测光数据；首先参考风机设备参数仿真风电场的出力、基于太阳运行轨迹和辐射原理仿真光伏电站的出力；通过交叉计算不同容量配比风光互补电站的出力；在分析不同配比的风光互补电站的出力特性的基础上；最后优化出风、光发电部分容量配比，提出电站主要电气设备的选型依据。并为其他电气设备、送出线路容量提供参考。
[0007]基于上述传统方法的不同，本方法采用了如下技术方案:
一种风光互补电站容量配比的计算方法，本发明步骤为:
1)风、光数据
根据《风电场风能资源评估方法》的要求:风电场测风塔测量数据为各采样高度每秒采样一次，并自动计算和记录连续一年的每10分钟的平均风速；同时，每个高度的数据还包含:温度、气压、风向、10分钟平均风速、10分钟内最大风速、10分钟内最小风速及标准偏差;
而根据《光伏发电工程可行性研究报告编制办法》(试行)的要求:项目现场太阳辐射观测站至少连续一年的逐分钟太阳能的总辐射、、气温等的实测时间序列数据；
由此可见，在进行出力分析之前，首先应将风光数据的采样时间统一；本方法采用方法如下:
计算光资源数据与风资源数据对应10分钟数据取其算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据；
2)风电场出力仿真
(1)根据拟采用风机的风速一功率对应数值，拟合出风机出力函数；
(2)根据采集的原始数据及拟合风机功率曲线计算出单位容量风机全年的逐10分钟发电功率；
(3)输出单位容量风电场全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
3)光伏电场出力仿真
(1)计算光资源数据与风资源数据对应逐10分钟数据取算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据；
(2)根据按照球面天文学理论，采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得全年各时刻的太阳高度角和方位角；
(3)根据太阳辐射原理，首先采用Erbs法计算全年逐小时散射辐射量与总辐射的比值，分解出直接辐射、散射辐射、反射辐射；
(4)采用Klein法计算，计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量；
(5)通过对辐射站采集的环境温度的校正，计算出光伏组件表面的温度，再结合光伏组件的参数，计算出单位容量光伏电站全年逐10分钟发电功率；
(6)输出单位容量光伏电站全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
4)风光互补电站容量配置优化
(O分别分析单位容量风电场、光伏电站出力特性；
(2)考虑目前国内风光互补电站的建设存在如下建设模式:
①某类型电站首先建设，建成投产后再规划另一类型电站的建设； ②两类电站同时建设，总容量确定；
针对上述电站建设实际情况，本方法对风光互补电站容量配置均可采用如下优化模
式；
(3)风光互补电站的主要考虑充分利用输、变电设备的容量，因此其优选方案可按如下步骤进行选择；
①提取步骤2、步骤3计算出风电场、光伏电站的全年逐10分钟发电功率；
②对风电场的容量取值区间为O?1，设定步长为0.2 ;将光伏电站容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
③对光伏电站的容量取值区间为O?I，设定步长为0.2 ;将风电场容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
④并输出风光互补电站的出力特性表(包含:光伏电站、风电场、风光互补电站的逐月最大出力、最小出力、平均出力等参数)、全年出力曲线、全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
(4)根据输出参数及曲线对各容量配比的风光互补电站进行分析，以风光互补电站容量最大、输变电设备容量最小作为判断依据。选择风光互补电站的容量配比；
(5)对已选定容量配比的方案，分别计算主设备5%、10%过负荷的概率，根据能量损失是否超过设定值作为判断依据，考虑是否将容量比降一档。最终提出规划电站需加装的限流设备的选型依据。
[0008]本发明的有益效果是，本方法为风光互补电站提供了科学决策的依据。本方法依据测风、测光数据；参考风机参数、光伏组件参数；拟合出不同容量配比的风光互补电站的出力曲线，并对电站的出力曲线进行分析后，提出了电站的主要电气设备的选择依据。
[0009]本方法已应用于国内正在开展前期工作的风光互补电站。对风光互补电站的容量配比提出了优选方案。节省了电站投资、增强电站稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的计算流程图。
【具体实施方式】
[0011]下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
[0012]一种风光互补电站容量配比的计算方法，本发明步骤为:
I)风、光数据
根据《风电场风能资源评估方法》的要求:风电场测风塔测量数据为各采样高度每秒采样一次，并自动计算和记录连续一年的每10分钟的平均风速；同时，每个高度的数据还包含:温度、气压、风向、10分钟平均风速、10分钟内最大风速、10分钟内最小风速及标准偏差;
而根据《光伏发电工程可行性研究报告编制办法》(试行)的要求:项目现场太阳辐射观测站至少连续一年的逐分钟太阳能的总辐射、、气温等的实测时间序列数据；
由此可见，在进行出力分析之前，首先应将风光数据的采样时间统一；本方法采用方法如下: 计算光资源数据与风资源数据对应10分钟数据取其算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据；
2)风电场出力仿真
(1)根据拟采用风机的风速一功率对应数值，拟合出风机出力函数；
(2)根据采集的原始数据及拟合风机功率曲线计算出单位容量风机全年的逐10分钟发电功率；
(3)输出单位容量风电场全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
3)光伏电场出力仿真
(1)计算光资源数据与风资源数据对应逐10分钟数据取算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据；
(2)根据按照球面天文学理论，采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得全年各时刻的太阳高度角和方位角；
(3)根据太阳辐射原理，首先采用Erbs法计算全年逐小时散射辐射量与总辐射的比值，分解出直接辐射、散射辐射、反射辐射；
(4)采用Klein法计算，计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量；
(5)通过对辐射站采集的环境温度的校正，计算出光伏组件表面的温度，再结合光伏组件的参数，计算出单位容量光伏电站全年逐10分钟发电功率；
(6)输出单位容量光伏电站全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
4)风光互补电站容量配置优化
(O分别分析单位容量风电场、光伏电站出力特性；
(2)考虑目前国内风光互补电站的建设存在如下建设模式:
①某类型电站首先建设，建成投产后再规划另一类型电站的建设；
②两类电站同时建设，总容量确定；
针对上述电站建设实际情况，本方法对风光互补电站容量配置均可采用如下优化模
式；
(3)风光互补电站的主要考虑充分利用输、变电设备的容量，因此其优选方案可按如下步骤进行选择；
①提取步骤2、步骤3计算出风电场、光伏电站的全年逐10分钟发电功率；
②对风电场的容量取值区间为O?1，设定步长为0.2 ;将光伏电站容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
③对光伏电站的容量取值区间为O?1，设定步长为0.2 ;将风电场容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
④并输出风光互补电站的出力特性表，包含:光伏电站、风电场、风光互补电站的逐月最大出力、最小出力、平均出力的参数、全年出力曲线、全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线；
(4)根据输出参数及曲线对各容量配比的风光互补电站进行分析，以风光互补电站容量最大、输变电设备容量最小作为判断依据。选择风光互补电站的容量配比； (5)对已选定容量配比的方案，分别计算主设备5%、10%过负荷的概率，根据能量损失是否超过设定值作为判断依据，考虑是否将容量比降一档。最终提出规划电站需加装的限流设备的选型依据。
[0013]本实施例的光伏电站布置原则的优化方法需要的数据为:
1)风光互补电站所处的纬度；
2)订正后全年逐分钟的辐射数据、环境温度数据；
3)订正后全年逐10分钟的测风数据；
4)拟采用风机的风速一功率对应表。
[0014]根据上述构思，本实施例的步骤描述如下:
1)根据风机的风速一功率对应数值，拟合出风机出力函数；
2)订正后全年逐10分钟的测风数据带入步骤I的函数，得到单位容量风电场全年逐10分钟发电功率(出力)；
3)计算光资源数据与风资源数据对应逐10分钟数据取算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据；
4)采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得全年各时刻的太阳方位参数；
5)采用Erbs法计算全年各小时散射辐射量与总辐射的比值，并分解出直接辐射、散射辐射、反射辐射；
6)采用Klein法计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量；
7)通过对辐射站内采集的环境温度的校正，计算出光伏组件表面的温度；结合光伏组件的参数，计算出单位容量光伏电站全年逐10分钟发电功率，得到单位容量光伏电站全年逐10分钟发电功率(出力)；
8)结合步骤2、步骤7的计算值，交叉计算不同容量配比的风光互补电站的全年逐10分钟发电功率(出力)，具体步骤如下:
①对风电场的容量取值区间为O?I，设定步长为0.2 ;将光伏电站容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
②对光伏电站的容量取值区间为O?1，设定步长为0.2 ;将风电场容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率；
9)根据输出参数及曲线对各容量配比的风光互补电站进行分析，选择风光互补电站的容量配比；
10)对已选定容量配比的方案，计算主设备发生5%、10%过负荷的概率，根据能量损失是否超过设定值作为判断依据；如超过设定值，容量配比取值降一档，返回步骤9 ;如小于设定值，则确定该容量配比；
11)完成主要设备选型。
【权利要求】
1.一种风光互补电站容量配比的计算方法，其特征是，步骤为: 1)风、光数据 根据《风电场风能资源评估方法》的要求:风电场测风塔测量数据为各采样高度每秒采样一次，并自动计算和记录连续一年的每10分钟的平均风速；同时，每个高度的数据还包含:温度、气压、风向、10分钟平均风速、10分钟内最大风速、10分钟内最小风速及标准偏差; 而根据《光伏发电工程可行性研究报告编制办法》(试行)的要求:项目现场太阳辐射观测站至少连续一年的逐分钟太阳能的总辐射、气温的实测时间序列数据； 由此可见，在进行出力分析之前，首先应将风光数据的采样时间统一；本方法采用方法如下: 计算光资源数据与风资源数据对应10分钟数据取其算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据； 2)风电场出力仿真 (1)根据拟采用风机的风速一功率对应数值，拟合出风机出力函数； (2)根据采集的原始数据及拟合风机功率曲线计算出单位容量风机全年的逐10分钟发电功率； (3)输出单位容量风电场全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线； 3)光伏电场出力仿真 (1)计算光资源数据与风资源数据对应逐10分钟数据取算术平均值，作为与风资源相关时段的同步数据； (2)根据按照球面天文学理论，采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得全年各时刻的太阳高度角和方位角； (3)根据太阳辐射原理，首先采用Erbs法计算全年逐小时散射辐射量与总辐射的比值，分解出直接辐射、散射辐射、反射辐射； (4)采用Klein法计算，计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量； (5)通过对辐射站采集的环境温度的校正，计算出光伏组件表面的温度，再结合光伏组件的参数，计算出单位容量光伏电站全年逐10分钟发电功率； (6)输出单位容量光伏电站全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线； 4)风光互补电站容量配置优化 (1)分别分析单位容量风电场、光伏电站出力特性； (2)考虑目前国内风光互补电站的建设存在如下建设模式: ①某类型电站首先建设，建成投产后再规划另一类型电站的建设； ②两类电站同时建设，总容量确定； 针对上述电站建设实际情况，本方法对风光互补电站容量配置均可采用如下模式； (3)风光互补电站利用输、变电设备的容量，按如下步骤进行选择； ①提取步骤2、步骤3计算出风电场、光伏电站的全年逐10分钟发电功率； ②对风电场的容量取值区间为O~1，设定步长为0.2 ;将光伏电站容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率； ③对光伏电站的容量取值区间为O~1，设定步长为0.2 ;将风电场容量取值为I ;分别计算两类电站不同容量比的全年逐10分钟发电功率； ④并输出风光互补电站的出力特性表，包含:光伏电站、风电场、风光互补电站的逐月最大出力、最小出力、平均出力的参数、全年出力曲线、全年逐月发电量、各月逐日发电功率曲线、全年代表日发电功率曲线； (4)根据输出参数及曲线对各容量配比的风光互补电站进行分析，以风光互补电站容量最大、输变电设备容量最小作为判断依据，选择风光互补电站的容量配比； (5)对已选定容量配比的方案，分别计算主设备5%、10%过负荷的概率，根据能量损失是否超过设定值 作为判断依据，考虑是否将容量比降一档，最终提出规划电站需加装的限流设备的选型依据。
【文档编号】G06Q50/06GK103955763SQ201410170352
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】陈祥, 汪玉华 申请人:云南省电力设计院