【摘要】：可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用日益受到國(guó)際社會(huì)的廣泛重視。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電由于具有清潔、分布廣泛和便于利用等特點(diǎn)，已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間上有互補(bǔ)性，蓄能方式也可以合二為一，將兩者有機(jī)組合構(gòu)成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以降低系統(tǒng)的單位成本，而且還有利于提高系統(tǒng)供電的可靠性，因而更加適應(yīng)市場(chǎng)的需求。目前的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)大多數(shù)是作為獨(dú)立電源系統(tǒng)，為通信基站、微波站、邊防哨所、邊遠(yuǎn)山區(qū)和牧區(qū)及海島居民提供電力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，原材料和設(shè)備成本不斷降低，利用清潔能源發(fā)電的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)已經(jīng)被越來(lái)越多的人們所認(rèn)識(shí)和接受，應(yīng)用范圍日益廣泛。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并不是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的簡(jiǎn)單組合，而是要考慮一系列復(fù)雜因素。這些因素包括地理位置、氣象條件、設(shè)備特性和負(fù)載要求等。因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)，它的主要目標(biāo)是合理選擇和配置風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的容量，以充分利用太陽(yáng)能和風(fēng)能的互補(bǔ)性，并根據(jù)負(fù)載要求合理選擇蓄電池容量，在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，盡量降低系統(tǒng)成本。這可以歸納為一個(gè)帶有約束的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。 本文圍繞著對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主題，首先選擇國(guó)內(nèi)具有不同地理位置和氣候特征的地區(qū)，利用多年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析其風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源狀況；根據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的功率特性分析，研究建立風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的能量輸出模型；然后采用最優(yōu)化理論和方法，研究建立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并利用帶有整數(shù)性約束的遺傳算法對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解和分析；最后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括： 1.基于氣象臺(tái)站1981-2010年的氣象日值數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)北京、哈爾濱、武漢、廣州、昆明、烏魯木齊等6個(gè)地處不同地理位置和氣候地帶的地區(qū)，進(jìn)行風(fēng)能資源狀況統(tǒng)計(jì)分析，比較不同地區(qū)的資源狀況差異，按月份對(duì)資源變化情況進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，不同地區(qū)的風(fēng)能資源狀況差異明顯，整體來(lái)說(shuō)華北、東北、西北地區(qū)具有相對(duì)豐富的風(fēng)能資源，而華中、華南、西南地區(qū)的風(fēng)能資源相對(duì)比較匱乏；風(fēng)能資源由多到少的順序?yàn)楣枮I、北京、烏魯木齊、昆明、武漢和廣州；一年中多數(shù)地方的春季風(fēng)速最大。 2.采用平均值-最大值方法求解風(fēng)速的Weibull分布參數(shù)，進(jìn)一步分析各地方可利用風(fēng)能資源狀況；然后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率特性，建立風(fēng)力發(fā)電的能量輸出模型，并對(duì)各地方的風(fēng)力發(fā)電潛力進(jìn)行測(cè)算和分析。結(jié)果表明，與各地方的風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果基本一致，哈爾濱的風(fēng)力機(jī)年發(fā)電總量最高，其次是烏魯木齊和北京，昆明的的風(fēng)力發(fā)電量較少，而武漢和廣州的風(fēng)力發(fā)電量最少。 3.基于氣象臺(tái)站1981-2010年的水平面上太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，測(cè)算不同傾角的斜面上太陽(yáng)輻射量，分析北京、哈爾濱、武漢、廣州、昆明、烏魯木齊等6個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)輻射能狀況。結(jié)果表明，較高緯度地區(qū)的太陽(yáng)輻射量在夏季和冬季之間有明顯的波動(dòng)，夏季的輻射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季；而較低緯度地區(qū)一年內(nèi)的輻射量變化相對(duì)較小；光伏陣列傾斜放置可以很好的平衡冬季、夏季的輻射量波動(dòng)，使得輻射量在一年內(nèi)的變化幅度減小。 4.研究太陽(yáng)輻射量和日照時(shí)數(shù)之間的關(guān)系，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立太陽(yáng)輻射日總量的預(yù)測(cè)模型；根據(jù)光伏電池等效電路模型及其修正公式，建立光伏發(fā)電的能量輸出模型，并對(duì)不同地方的光伏發(fā)電潛力進(jìn)行測(cè)算和分析。結(jié)果表明，利用日照時(shí)數(shù)估測(cè)太陽(yáng)輻射總量是可行的，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的自適應(yīng)性；不同地區(qū)的年均光伏發(fā)電量也存在差異；多數(shù)地方是夏季半年的光伏發(fā)電量較高，，而昆明則是春季的光伏發(fā)電量較高。 5.根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用最優(yōu)化理論和方法，建立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)變量為風(fēng)力機(jī)、光伏組件、蓄電池的數(shù)量以及光伏陣列傾角等4個(gè)，目標(biāo)函數(shù)為成本最低，主要約束條件是負(fù)載缺電率。模型中的蓄電池電量采用時(shí)間序列法計(jì)算，分別針對(duì)兩種負(fù)載，采用帶整數(shù)性約束的遺傳算法對(duì)模型求解。結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型可以較好的滿足系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要；遺傳算法對(duì)此類(lèi)有復(fù)雜非線性約束的優(yōu)化問(wèn)題具有良好的適用性。 6.基于不同的負(fù)載要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)不同地方的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，然后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行能量輸出仿真，并分析系統(tǒng)供電的可靠性和供電成本。結(jié)果表明，風(fēng)能和太陽(yáng)能的波動(dòng)性是主要影響因素，其不僅會(huì)直接導(dǎo)致負(fù)載缺電率較高，而且會(huì)間接增加系統(tǒng)成本；除了哈爾濱主要依靠風(fēng)力發(fā)電之外，其他地方主要依靠光伏發(fā)電給負(fù)載供電；而具有豐富風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的哈爾濱的供電成本也是最低的。 7.利用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，基于Windows平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM614

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2560934