王其靜,武 凱,孫桂卿
(1.恒誠(chéng)信國(guó)際工程咨詢有限公司山東分公司,山東 濟(jì)南 250000;2.山東海諾德電力科技有限公司,山東 濟(jì)南 250000;3.山東思迪普電氣有限公司濟(jì)南高新分公司,山東 濟(jì)南 250000)
0 引 言
隨著全球能源危機(jī)的逐漸加深和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高,可再生能源逐漸成為解決方案的核心。光伏發(fā)電場(chǎng)作為可再生能源的代表之一,具有取之不竭的優(yōu)勢(shì)。然而,其在發(fā)電系統(tǒng)中的集成和優(yōu)化問(wèn)題仍然是一個(gè)急需解決的挑戰(zhàn)。文章旨在通過(guò)深入研究光伏發(fā)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)和電力系統(tǒng)的集成優(yōu)化,為推動(dòng)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供理論和實(shí)踐支持。
1 光伏發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)
光伏發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)在于發(fā)電場(chǎng)選址與布局,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)技術(shù)優(yōu)化布局,提高太陽(yáng)能捕獲效率。可再生能源集成采用光伏與風(fēng)能協(xié)同發(fā)電,結(jié)合高效儲(chǔ)能系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)、儲(chǔ)能平衡,確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。在電力系統(tǒng)集成中引入微網(wǎng)技術(shù),提升自主運(yùn)行能力。通過(guò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和智能優(yōu)化算法,預(yù)防問(wèn)題并優(yōu)化能源生成、存儲(chǔ)及分配,實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。這些技術(shù)策略將為清潔、可持續(xù)能源供應(yīng)做出重要貢獻(xiàn)。
2 可再生能源集成
2.1 風(fēng)能與光伏協(xié)同發(fā)電
風(fēng)能與光伏協(xié)同發(fā)電是通過(guò)智能能源系統(tǒng)的整合,實(shí)現(xiàn)兩者之間的相互補(bǔ)充與協(xié)調(diào)。通過(guò)氣象預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù),系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)能與太陽(yáng)能的變化趨勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)行中,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析,系統(tǒng)能夠判斷何時(shí)風(fēng)能較強(qiáng)、太陽(yáng)能較弱,或者反之。在光伏與風(fēng)力設(shè)備之間建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制,根據(jù)能源需求實(shí)時(shí)調(diào)整各自的發(fā)電輸出。例如,在太陽(yáng)能強(qiáng)時(shí),系統(tǒng)可優(yōu)先利用光伏發(fā)電;而在夜晚或太陽(yáng)能不足時(shí),系統(tǒng)側(cè)重利用風(fēng)能發(fā)電。通過(guò)這種智能協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與光伏的最優(yōu)組合,提高發(fā)電場(chǎng)的整體效率,同時(shí)確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)。
2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)集成
儲(chǔ)能系統(tǒng)集成是通過(guò)高效先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù),平滑化可再生能源的波動(dòng)輸出,以確保持續(xù)的電力供應(yīng)。采用先進(jìn)的電池技術(shù)或壓縮空氣儲(chǔ)能裝置,能夠在光伏或風(fēng)力發(fā)電高產(chǎn)時(shí)存儲(chǔ)多余電能,并在低產(chǎn)或高需求時(shí)釋放儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)電力平衡。智能能源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能狀態(tài),通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析調(diào)整光伏和風(fēng)力發(fā)電的輸出,確保儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮作用。這種集成提高電力系統(tǒng)的可靠性,有效解決可再生能源波動(dòng)性的挑戰(zhàn),為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2.3 智能能源管理系統(tǒng)
智能能源管理系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析及智能控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控,系統(tǒng)的具體工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)利用傳感器獲取光伏和風(fēng)力發(fā)電的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括發(fā)電量、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等。這些數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng),經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析和算法處理,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能源產(chǎn)出和負(fù)荷需求[1]。智能系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整光伏和風(fēng)力發(fā)電的輸出,優(yōu)化能源利用。同時(shí),系統(tǒng)考慮儲(chǔ)能狀態(tài),決策是否存儲(chǔ)多余電能或釋放儲(chǔ)能以應(yīng)對(duì)變化需求。智能能源管理系統(tǒng)與電力市場(chǎng)和用戶需求緊密連接,根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整能源分配策略,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。通過(guò)這一智能化的工作流程,系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)管理可再生能源,提高發(fā)電場(chǎng)整體性能,確保電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。
3 電力系統(tǒng)集成優(yōu)化
3.1 微網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用
微網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)集成中的應(yīng)用通過(guò)建立小范圍的獨(dú)立電力網(wǎng)絡(luò),提高系統(tǒng)的自主運(yùn)行能力和健壯性。微網(wǎng)的功率表達(dá)式為
式中:Pw為微網(wǎng)的凈功率;Pf為微網(wǎng)內(nèi)各可再生能源的發(fā)電功率;Ph為微網(wǎng)的負(fù)荷需求;Pc為儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率。微網(wǎng)通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電、負(fù)荷及儲(chǔ)能狀態(tài),調(diào)整內(nèi)部功率分配,最小化對(duì)主電網(wǎng)的依賴。
首先,通過(guò)先進(jìn)的電力傳感器,實(shí)時(shí)獲取微網(wǎng)內(nèi)各發(fā)電源和負(fù)荷的數(shù)據(jù),包括發(fā)電量和負(fù)荷需求。這些數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至中央控制系統(tǒng),為后續(xù)決策提供實(shí)時(shí)基礎(chǔ)。
其次,中央控制系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的智能算法,如模糊邏輯控制或強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法,實(shí)時(shí)分析微網(wǎng)內(nèi)的能源產(chǎn)生和能源需求。通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)電和負(fù)荷情況,系統(tǒng)能夠調(diào)整光伏、風(fēng)力發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略,以最大化能源的自主利用率。
最后,微網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在實(shí)際的能源分配中,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整微網(wǎng)內(nèi)各組件的運(yùn)行狀態(tài),確保在不穩(wěn)定的環(huán)境中仍能實(shí)現(xiàn)凈功率平衡[2]。這種智能化的能源管理系統(tǒng)使微網(wǎng)更加適應(yīng)復(fù)雜多變的電力需求,從而提高系統(tǒng)的可靠性和自主運(yùn)行能力,為電力系統(tǒng)集成優(yōu)化提供可行的技術(shù)路徑。
3.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析關(guān)鍵在于考慮系統(tǒng)各組件之間的動(dòng)態(tài)相互作用。通過(guò)考察發(fā)電機(jī)、負(fù)載、傳輸線路等元素的動(dòng)態(tài)響應(yīng),表示穩(wěn)定性指標(biāo)的微分方程為
式中:M為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D為阻尼系數(shù);K為彈性系數(shù);θ為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)角;PM為機(jī)械功率;PH為負(fù)荷功率。系統(tǒng)穩(wěn)定性受機(jī)械參數(shù)和負(fù)荷變化的影響,因此需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率以保持穩(wěn)定。
在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中,采用模擬和仿真技術(shù),對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的模擬,了解電力系統(tǒng)在不同負(fù)荷和外部條件下的響應(yīng)。通過(guò)分析發(fā)電機(jī)、傳輸線路及負(fù)荷等關(guān)鍵元素的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可以評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并識(shí)別可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的因素。
為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用智能控制策略。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),智能控制系統(tǒng)可以調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。通過(guò)引入智能優(yōu)化算法如遺傳算法,可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)優(yōu)化發(fā)電機(jī)輸出,以最大限度地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率[3]。
通過(guò)采用的仿真技術(shù)和智能控制策略可以有效提高電力系統(tǒng)的抗擾性,確保系統(tǒng)在面對(duì)各種外部變化時(shí)能夠保持可控、平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài),為清潔能源的可持續(xù)供應(yīng)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。
3.3 智能優(yōu)化算法在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
智能優(yōu)化算法在電力系統(tǒng)集成優(yōu)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,旨在通過(guò)智能化決策優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益和可再生能源的高效利用。以遺傳算法為例,模擬進(jìn)化過(guò)程中,通過(guò)基因組合和進(jìn)化操作,搜索最優(yōu)解。
首先,通過(guò)先進(jìn)傳感器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括光伏和風(fēng)力發(fā)電量、儲(chǔ)能狀態(tài)、負(fù)荷需求等,并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至中央控制系統(tǒng)。其次,中央控制系統(tǒng)利用遺傳算法等智能優(yōu)化算法,結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,動(dòng)態(tài)調(diào)整光伏和風(fēng)力發(fā)電的輸出、儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略,以最大限度地提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,改善環(huán)境[4]。最后,將優(yōu)化算法的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行,通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電、儲(chǔ)能及負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài),以適應(yīng)電力系統(tǒng)的變化。這種智能化調(diào)控策略能夠降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴,并最大化可再生能源的利用。
4 案例分析與結(jié)果討論
4.1 某地區(qū)可再生能源發(fā)電場(chǎng)案例
在某地區(qū)的可再生能源發(fā)電場(chǎng)案例中,充分利用風(fēng)能和光伏能源實(shí)現(xiàn)高效能源轉(zhuǎn)換。該發(fā)電場(chǎng)建設(shè)在風(fēng)力資源和日照充足的地區(qū),結(jié)合先進(jìn)的風(fēng)力渦輪和光伏電池技術(shù)[5]。風(fēng)力渦輪通過(guò)捕捉區(qū)域內(nèi)持續(xù)的風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電能,光伏電池則利用陽(yáng)光將光能轉(zhuǎn)化為電能。
該發(fā)電場(chǎng)融入先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng),通過(guò)大容量電池存儲(chǔ)多余的電能,以應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定的可再生能源輸出。智能能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)能和光伏發(fā)電情況,結(jié)合電池狀態(tài)和負(fù)荷需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的智能調(diào)配和儲(chǔ)能的優(yōu)化運(yùn)行。
4.2 優(yōu)化結(jié)果及性能評(píng)估
優(yōu)化后的系統(tǒng)通過(guò)智能優(yōu)化算法成功應(yīng)對(duì)不同負(fù)荷需求和儲(chǔ)能狀態(tài),有效減少總經(jīng)濟(jì)成本和CO2排放,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)集成的經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)保運(yùn)行。電力系統(tǒng)集成優(yōu)化結(jié)果如表1 所示。

表1 電力系統(tǒng)集成優(yōu)化結(jié)果
在連續(xù)4 天的觀測(cè)期間,系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的發(fā)電與負(fù)荷匹配能力。特別是在2023 年10 月的21 日和23 日,發(fā)電量超過(guò)負(fù)荷需求,多出的電力對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電,從而實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和備用。而在2023年10 月的22 日和24 日,當(dāng)發(fā)電量相對(duì)較低且負(fù)荷需求相對(duì)較高時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài),有效地補(bǔ)充電力供應(yīng),滿足負(fù)荷需求。在經(jīng)濟(jì)性能方面,盡管每日的總經(jīng)濟(jì)成本有所波動(dòng),但整體保持在了一個(gè)相對(duì)較低的水平,顯示優(yōu)化算法在控制成本方面的有效性。特別是在10 月24 日,當(dāng)發(fā)電量相對(duì)較低且負(fù)荷需求較高時(shí),通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理調(diào)度,仍然實(shí)現(xiàn)較低的經(jīng)濟(jì)成本,充分展現(xiàn)系統(tǒng)在面對(duì)不同運(yùn)行條件時(shí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化能力。在環(huán)保性能方面,CO2排放量與發(fā)電量、負(fù)荷需求的變化趨勢(shì)相吻合,表明系統(tǒng)在優(yōu)化過(guò)程中也充分考慮環(huán)保因素。通過(guò)合理調(diào)度發(fā)電和儲(chǔ)能,系統(tǒng)在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)有效地控制了CO2的排放量,體現(xiàn)電力系統(tǒng)在可持續(xù)發(fā)展中的重要角色。
電力系統(tǒng)集成優(yōu)化在這些時(shí)間戳下取得了良好的性能表現(xiàn),通過(guò)靈活調(diào)整充放電策略,最大限度地滿足負(fù)荷需求,降低總經(jīng)濟(jì)成本,且在減少CO2排放方面取得顯著成效。這表明系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下均能有效平衡經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益,為清潔能源集成提供了可行的技術(shù)解決方案。
5 結(jié) 論
可再生能源集成與電力系統(tǒng)優(yōu)化在推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展方面起著重要作用。文章的研究成果為構(gòu)建高效、穩(wěn)定且智能化的電力系統(tǒng)提供實(shí)用性的指導(dǎo),為實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型邁出重要一步。隨著科技的不斷進(jìn)步,期待在可再生能源領(lǐng)域取得更多創(chuàng)新成果,共同建設(shè)更加可持續(xù)和綠色的能源未來(lái)。