王其靜，武 凱，孫桂卿
（1.恒誠信國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)化問題仍然是一個(gè)急需解決的挑戰(zhàn)。文章旨在通過深入研究光伏發(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。通過電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和智能優(yōu)化算法，預(yù)防問題并優(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)能與太陽能的變化趨勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)行中，通過實(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；而在夜晚或太陽能不足時(shí)，系統(tǒng)側(cè)重利用風(fēng)能發(fā)電。通過這種智能協(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、太陽輻射等。這些數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng)，經(jīng)過大數(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。通過預(yù)測(cè)未來的發(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)化過程中，通過基因組合和進(jìn)化操作，搜索最優(yōu)解。
首先，通過先進(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)化過程中也充分考慮環(huán)保因素。通過合理調(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。
