CN115333161A - 一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法 - Google Patents

一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法 Download PDF

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CN115333161A CN202211112655.9A CN202211112655A CN115333161A CN 115333161 A CN115333161 A CN 115333161A CN 202211112655 A CN202211112655 A CN 202211112655A CN 115333161 A CN115333161 A CN 115333161A
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Abstract

本申请提供一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，包括：在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内的约束条件，计算优化配置结果。本申请通过配置面积下最大出力和最小出力，进行多约束条件的合理优化，实现了清洁能源供电容量优化的效果。

Description

一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法
技术领域
本申请请求保护供电优化技术，尤其涉及一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法。
背景技术
目前发展清洁能源是“十四五”时期我国深入实施能源消费和供给革命的重要组成部分。《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》提出，到2030年非化石能源占一次能源消费比重应达到20％，2050年超过50％。
水厂的电气设备较多，多以大容量泵为主，而且每天不停工作，年总体耗电量较大。一天处理5万立方的水厂每年大约消耗400吨标煤用量，白天与黑夜负荷不等，白天负荷大约1800千瓦，晚上则是白天的0.6-0.7倍。在“双碳”背景下水厂的供电系统亟需进行改革，清洁能源替代现在的工业供电系统成为趋势。目前，还没有一种清洁能源供电容量优化的技术。
发明内容
为了解决上述技术方案中的一个或者多个技术问题，本申请提供一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法。
本申请提供一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，包括：
在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；
基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内得约束条件，计算优化配置结果。
可选的，所述储能组件得放电深度不低于0.6。
可选的，所述储能组件得容量由如下公式：
Figure BDA0003844172410000011
PC表示配置储能电池容量，P1表示负载额定容量，t表示放电时长，η表示直流变流器效率，S表示放电深度。
可选的，所述光伏发电组件的输出功率如下公式表示：
Figure BDA0003844172410000021
Ppv＝KPV×Pref
KPV＝(1-K1)×(1-η)×(1-K2)×(1-KT)×(1-Kmax)×(1-K3)
TC＝f(Ta)
其中，Ppv是额定条件下输出实际功率，Pref是额定标称功率，所述K1是线路损失，η是变流器效率，K2是积灰情况，KT是温度影响，Kmax是最大功率跟踪损失，K3是组件匹配损失，KPV是实际发电系数，GT是当前辐照度，GT标准是1000瓦/平方米，αP是功率温度系数，TC是当前光伏电池板表面温度，Ta是环境温度。
可选的，所述风力发电组件容量如下表达式表示：
Figure BDA0003844172410000022
其中，v1是切入风速，v2是切出风速，P0是额定功率，PWIN是实际输出功率，v是实际风速。
可选的，所述氢燃料电池组件容量如下表达式表示：
Ppem＝nV0×I0
其中，Ppem是氢燃料电池的功率，n是氢燃料电池个数，V0是电池电压，I0是电池电流。
可选的，其特征在于，还包括成本计算，所述成本计算包括：固定成本和运行成本。
可选的，所述分离发电组件的间隔为6～10倍风轮直径。
可选的，所述最大出力由如下公式表示：
Figure BDA0003844172410000031
其中，Nwin是风机最大个数，[X]是取整，L是长，W是宽，K61K62是在预设间隔倍数，d是风机直径。
Figure BDA0003844172410000032
其中，Npv是光伏个数，等于对光伏总容量与额定容量的比值取整[X1/P0]，αpv是遮荫系数，S是总面积。
Figure BDA0003844172410000033
其中，Sbatter是储能组件单体面积，S是总面积。
Figure BDA0003844172410000034
SPEM是氢燃料电池单体面积，S是总面积。
可选的，所述最小出力由如下公式表示：
Ppv实际+Ppem≥P白天
Pwin+Ppem≥P夜晚
PC≥K63(P白天+P夜晚)
其中，P白天是白天负荷，P夜晚是晚上负荷，K63是工作天数；
Figure BDA0003844172410000041
其中，P(t)是水厂实时功率，Ppv实际(t)是光伏发出的实时功率，Pwin(t)是风机的实时功率，Ppem(t)是氢燃料电池的实时功率。
本申请相较于现有技术的优点是：
本申请提供一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，包括：在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内得约束条件，计算优化配置结果。本申请通过配置面积下最大出力和最小出力，进行多约束条件的合理优化，实现了清洁能源供电容量优化的效果。
附图说明
图1是本申请中供电系统的容量优化配置流程示意图。
图2是本申请中供电系统结构示意图。
图3是本申请中成本计算示意图。
图4是本申请中供电系统的容量优化配置执行流程示意图。
具体实施方式
以下内容均是为了详细说明本申请要保护的技术方案所提供的具体实施过程的示例，但是本申请还可以采用不同于此的描述的其他方式实施，本领域技术人员可以在本申请构思的指引下，采用不同的技术手段实现本申请，因此本申请不受下面具体实施例的限制。
本申请提供一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，包括：在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内得约束条件，计算优化配置结果。本申请通过配置面积下最大出力和最小出力，进行多约束条件的合理优化，实现了清洁能源供电容量优化的效果。
图1是本申请中供电系统的容量优化配置流程示意图。
请参照图1所示，S101在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；
S102基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内得约束条件，计算优化配置结果。
图2是本申请中供电系统结构示意图。
请参照图2所示，本申请中，所述供电系统可包括：风力发电组件，光伏发电组件，储能组件，氢燃料电池组件、控制组件、变压器组件，所述供电系统交流输出的电压等级适合于水厂的输入电压等级，具体可有实际情况确定。
所述供电系统的核心在于构建适合于水厂的交流负载供电模式，采用交流电压母线组网模式，在风光储清洁能源基础之上加入氢燃料电池模板，在无风无光的条件下依靠氢燃料电池进行发电，可以增强了水厂供电系统的鲁棒性。
本申请中，具体需要根据当地风光资源、以设备全生命周期为计算尺度，配置出光伏发电组件、分离发电组件、储能逐渐、氢燃料电池组件的最佳容量，配置方案考虑的目标有两点：一是保证水厂的设备正常运行，二是总成本与供电系统生命周期网电电费差值最小。
同时，考虑成本包括设备成本和人力成本，具体的，光伏发电组件的考虑因素：水厂最大铺设面积，光伏组件的价格，当地光伏资源情况，逆变器的价格，设备折旧率等；分离发电组件的考虑因素：当地风资源情况，风机的价格，设备折旧率等。储能组件的考虑因素：储能电池的响应特性，储能电池的价格，设备折旧率。氢燃料电池的考虑因素：氢燃料电池系统的价格，氢气的价格，设备折旧率。此外还包括设备维护成本，人员雇佣费用。
在本申请中，鉴于水厂的征地成本已经固定，利用的面积都是基于水厂内部可用面积，故不考虑征地成本。
所述储能组件的设计如下：
储能容量的设计原则：在满足目标基础上，容量越小投资越低。储能组件对光伏发电组件的作用：能够稳定直流母线的电压，保证系统的正常运行；对分离发电组件的作用：发电功率发生波动时候，可以时刻迅速出力，消峰填谷，能够稳定实时功率，不会发生功率骤升骤降的现象，保证电解槽电源正常工作。
所述储能组件的配置容量必须考虑负载特性和发电侧特性两各方面，根据相关研究资料，无风无光情况下的天气状态下需要储能出力，保证负载供电，达到安全生产的目的。由于储能电池的变流器存在功率损失，取逆变器功率效率为98％，电池的放电深度也需要考虑，放电原则：不充满，不放完，寿命长。所以一般控制在0.6，剩余40％电量就需要充电，避免使用寿命降低。
基于上述原理，所述储组件的电池容量计算如下：
Figure BDA0003844172410000061
其中，PC表示配置储能电池容量，P1表示负载额定容量，t表示放电时长，η表示直流变流器效率，S表示放电深度。
所述光伏发电组件设计如下：
传统光伏电站一般根据负载的功率1：1配置，光伏发电组件在标准状态下(辐照强度1000W/m2,组件温度25℃)能够达到标称功率，但是实际工况下，辐照强度是不断变化的，组件温度受环境温度影响，多云情况、线路损耗、变流器损耗等会造成光伏功率与标称功率不一致，按照1：1的配置，实际发出的功率要小于实际负载需求的功率，所以要调整光伏组件的配置容量。
基于本本申请中混合能源的供电系统，采用交流母线组网方式，光伏发电组件的输出效率与线损、变流器效率、积灰情况、温度影响、最大功率跟踪损失、组件匹配损失等有关，所以光伏发电组件额定状态下输出功率系数可以由下式表示：
KPV＝(1-K1)×(1-η)×(1-K2)×(1-KT)×(1-Kmax)×(1-K3)
其中K1是线路损失，η是变流器效率，K2是积灰情况，KT是温度影响，Kmax是最大功率跟踪损失，K3是组件匹配损失。KPV是实际发电系数。
所述光伏发电组件标准情况下输出功率由下式表示：
Ppv＝KPV×Pref
其中，Ppv是额定条件下输出实际功率，Pref是额定标称功率。
所述光伏发电组件的实际输出功率如下：
Figure BDA0003844172410000071
其中，GT是当前辐照度，GT标准是1000瓦/平方米，αP是功率温度系数，TC是当前光伏电池板表面温度。
TC＝f(Ta)
其中。Ta是环境温度。
风力发电组件设计如下：
风力发电机的输出功率可以根据特征功率与风速(m/s)来计算。风功率曲线可描述为：当风速低于切入速度时，无动力产生。高于此值时，生成的功率与升至第三功率的风速成正比。当风速在额定风速和切出风速之间时，产生额定功率，降功率运行。在风速超出切出风速时，为防止损坏而需要停机处理。
具体公式如下：
Figure BDA0003844172410000072
其中，v1是切入风速，v2是切出风速，P0是额定功率，PWIN是实际输出功率，v是实际风速。
氢燃料电池组件设计如下：
氢燃料电池不同于储能电池的充放电模式，其自身为一个发电装置，只要输入氢气，就可以源源不断的提供电能，与油燃料发电机的功能一致，只不过由于使用的是氢气，故不产生碳排放问题，属于绿色发电装置，本申请中的氢燃料电池发电功率如下公式表示：
Ppem＝nV0×I0
Ppem是氢燃料电池的功率，n是氢燃料电池个数，V0是电池电压，I0是电池电流。
上述完成储能组件、光伏发电组件、风力发电组件和氢燃料电池组件的设计后，可以进行该供电系统的成本计算。
图3是本申请中成本计算示意图。
请参照图3所示，本申请中，所示供电系统的总体投入成本包括风机、光伏、储能和氢燃料电池的投入，所设计的重点在于风机、光伏、储能、氢燃料电池的容量，总体目标方程是投入成本最小，可以用下公式表示：
Ctotal＝Cwin+CPV+Cbattery+CPEM
只要在满足约束条件下，Ctotal的数值最小就是最佳的容量配置，Ctotal是系统总体投资成本，Cwin是风机投资成本，CPV是光伏投资成本，Cbattery是储能投资成本，CPEM是氢燃料电池投资成本，所述成本计算如下：
CPV＝CPV固定+CPV运行
Cbattery＝Cbat固定+Cbat运行
Cwin＝Cwin固定+Cwin运行
CPEM＝CPEM固定+CPEM运行
CPV固定里面的设备投入按照每瓦成本计算，建筑成本按照工程折算，变成设备的百分比，一般为常数CPV建筑，土地成本包含在水厂征地里面，不需要额外计算；CPV运行成本包含人工工资和运行更换设备费用，人工工资按照当地水平取值，设备运行更换费用也折算成设备投资的百分比，一般为常数CPV维护。
带入具体公式：
CPV＝KPV固定X1+KPV运行X1
KPV固定是设备与建筑折算的和，KPV运行是运行折算的系数，X1是光伏组件的容量，最终CPV是关于X1的比例。
同理Cwin也是关于容量X2的比例，Cbattery是关于容量X3的比例，CPEM是关于容量X4的比例,目标方程变为下式，求满足约束方程的最小值
Ctotal＝KPVX1+KwinX2+KbatteryX3+KPEMX4
完成成本计算后，则可以根据设定的约束条件进行优化设置。
图4是本申请中供电系统的容量优化配置执行流程示意图。
请参照图4所示，本申请中所示供电系统的优化包括：最大出力和最小出力，下面分步的具体说明。
最大出力：
本申请中以水厂面积作为约束条件，能够在可能条件下装满设备为最大容量条件。装满各风机安装时的占地面积限制作为其最大装机容量约束。风电场布置风机时，一般要求在盛行风向上机组间相隔6-10倍风轮直径，在垂直于盛行风向上机组间相隔3-5倍风轮直径。
具体的，首先确定可装机位置参数，包括地理位置长，宽，风机本体直径等参数，按照对应比例确定风机台数应该满足如下公式：
Figure BDA0003844172410000091
其中Nwin是风机最大个数，[X]是取整，L是长，W是宽，K61K62是在上文允许范围内自己设定的间隔倍数，d是风机直径。
光伏发电组件最大容量满足如下公式：
Figure BDA0003844172410000092
其中，Npv是光伏个数，等于对光伏总容量与额定容量的比值取整[X1/P0]，αpv是遮荫系数
储能组件最大容量满足如下公式：
Figure BDA0003844172410000093
Sbatter是单体面积。
氢燃料电池容量满足如下公式：
Figure BDA0003844172410000094
SPEM是单体面积
最小出力：
夜间光伏发电组件出力为0，负荷功率主要由风机和氢燃料电池提供，因此风机与氢燃料电池的和至少能提供负荷的平均功率。在白天，若是无风或弱风状态，负荷功率主要由光伏提供，则光伏电池和氢燃料电池应至少提供负荷的平均功率。当出现无风无光的天气，负荷的功率由蓄电池提供，则蓄电池应至少保证负荷持续工作K63天，具体可有如下公式表示：
Ppv实际+Ppem≥P白天
Pwin+Ppem≥P夜晚
PC≥K63(P白天+P夜晚)
其中，P白天是白天负荷，P夜晚是晚上负荷。
供电可靠性约束：
利用水厂所在地的天气资料，包括风速，辐照度，温度等信息，利用风机、光伏的功率方程计算出一年的功率值，根据需求最小间隔可以分成15分钟一个采样点，也可以一个小时作为一个采样点，氢燃料电池只要氢气足够就可以持续提供电能，计算氢燃料电池的实时功率点，三个求和与负荷求差，差值与负荷的比值就是供电可靠性，用γ表示，比例偏大说明供电缺口较大，比例较小说明供电缺口较小，只要控制γ在一个范围之内，就可以保证供电的稳定性，公式见下式；
Figure BDA0003844172410000101
其中，P水厂(t)是水厂实时功率，Ppv实际(t)是光伏发出的实时功率，Pwin(t)是风机的实时功率，Ppem(t)是氢燃料电池的实时功率，
供电风光氢互补约束条件：
由于水厂白天与晚上的负荷有所区别，利用风光发出的功率与负荷方差与负荷与氢燃料电池差值的比值作为风光互补的互补系数，若比值大，表明风光组合发电功率满足不了负荷，需要储能出力较大；若比值较小，说明风电互补较好满足了负载要求，储能出力较小，可以提高储能的有效使用年限。具体公式如下：
Figure BDA0003844172410000102
Figure BDA0003844172410000111
总体方程：
Ctotal＝KPVX1+KwinX2+KbatteryX3+KPEMX4
供电风光氢互补约束条件中需要准备初始信息包括：
水厂历史气象条件：辐照度，环境温度，风速；
风机参数：不同型号额定功率，额定风速，每瓦造价；
光伏参数：不同型号的额定功率，每瓦造价；
氢燃料电池：不同单元的额定功率，电压，每瓦造价；
储能：不同型号的额定功率，电压，每瓦造价；
负荷需求：水厂历史数据。

Claims (10)

1.一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，包括：
在配置面积内分别配置光伏发电组件、风力发电组件、氢燃料电池组件和储能组件；
基于包括最大出力、最小出力、供电可靠性和电能互补在内得约束条件，计算优化配置结果。
2.根据权利要求1所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述储能组件得放电深度不低于0.6。
3.根据权利要求2所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述储能组件得容量由如下公式：
Figure FDA0003844172400000011
PC表示配置储能电池容量，P1表示负载额定容量，t表示放电时长，η表示直流变流器效率，S表示放电深度。
4.根据权利要求1所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述光伏发电组件的输出功率如下公式表示：
Figure FDA0003844172400000012
Ppv＝KPV×Pref
KPV＝(1-K1)×(1-η)×(1-K2)×(1-KT)×(1-Kmax)×(1-K3)
TC＝f(Ta)
其中，Ppv是额定条件下输出实际功率，Pref是额定标称功率，所述K1是线路损失，η是变流器效率，K2是积灰情况，KT是温度影响，Kmax是最大功率跟踪损失，K3是组件匹配损失，KPV是实际发电系数，GT是当前辐照度，GT标准是1000瓦/平方米，αP是功率温度系数，TC是当前光伏电池板表面温度，Ta是环境温度。
5.根据权利要求1所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述风力发电组件容量如下表达式表示：
Figure FDA0003844172400000021
其中，v1是切入风速，v2是切出风速，P0是额定功率，PWIN是实际输出功率，v是实际风速。
6.根据权利要求1所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述氢燃料电池组件容量如下表达式表示：
Ppem＝nV0×I0
其中，Ppem是氢燃料电池的功率，n是氢燃料电池个数，V0是电池电压，I0是电池电流。
7.根据权利要求1～7任一所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，其特征在于，还包括成本计算，所述成本计算包括：固定成本和运行成本。
8.根据权利要求1所述所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述分离发电组件的间隔为6～10倍风轮直径。
9.根据权利要求1所述所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述最大出力由如下公式表示：
Figure FDA0003844172400000022
其中，Nwin是风机最大个数，[X]是取整，L是长，W是宽，K61K62是在预设间隔倍数，d是风机直径。
Figure FDA0003844172400000031
其中，Npv是光伏个数，等于对光伏总容量与额定容量的比值取整[X1/P0]，αpv是遮荫系数，S是总面积。
Figure FDA0003844172400000032
其中，Sbatter是储能组件单体面积，S是总面积。
Figure FDA0003844172400000033
SPEM是氢燃料电池单体面积，S是总面积。
10.根据权利要求1所述所述绿色水厂供电系统的容量优化配置方法，其特征在于，所述最小出力由如下公式表示：
Ppv实际+Ppem≥P白天
Pwin+Ppem≥P夜晚
PC≥K63(P白天+P夜晚)
其中，P白天是白天负荷，P夜晚是晚上负荷，K63是工作天数；
Figure FDA0003844172400000034
其中，P(t)是水厂实时功率，Ppv实际(t)是光伏发出的实时功率，Pwin(t)是风机的实时功率，Ppem(t)是氢燃料电池的实时功率。
CN202211112655.9A 2022-09-14 2022-09-14 一种绿色水厂供电系统的容量优化配置方法 Withdrawn CN115333161A (zh)

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