风光互补发电潜力分析与系统优化设计研究

【摘要】可再生能源的开发和利用日益受到国际社会的广泛重视。风力发电和光伏发电由于具有清洁、分布广泛和便于利用等特点，已经成为新能源领域的一个研究重点。风能和太阳能在时间上有互补性，蓄能方式也可以合二为一，将两者有机组合构成风光互补发电系统，不仅可以降低系统的单位成本，而且还有利于提高系统供电的可靠性，因而更加适应市场的需求。目前的风光互补发电系统大多数是作为独立电源系统，为通信基站、微波站、边防哨所、边远山区和牧区及海岛居民提供电力。随着技术的进步，原材料和设备成本不断降低，利用清洁能源发电的风光互补系统已经被越来越多的人们所认识和接受，应用范围日益广泛。风光互补发电系统并不是风力发电和光伏发电的简单组合，而是要考虑一系列复杂因素。这些因素包括地理位置、气象条件、设备特性和负载要求等。因此，风光互补发电系统的设计是一项复杂任务，它的主要目标是合理选择和配置风力发电和光伏发电的容量，以充分利用太阳能和风能的互补性，并根据负载要求合理选择蓄电池容量，在保证系统运行可靠性的基础上，尽量降低系统成本。这可以归纳为一个带有约束的最优化设计问题。本文围绕着对风光互补发电系统进行优化设计的主题，首先选择国内具有不同地理位置和气候特征的地区，利用多年的气象观测数据分析其风能资源和太阳能资源状况；根据对风力发电机和光伏电池的功率特性分析，研究建立风力发电和光伏发电的能量输出模型；然后采用最优化理论和方法，研究建立风光互补发电系统优化设计的数学模型，并利用带有整数性约束的遗传算法对系统优化问题进行求解和分析；最后设计开发风光互补发电系统优化设计软件。本文的主要研究内容包括：1.基于气象台站1981-2010年的气象日值数据，对我国北京、哈尔滨、武汉、广州、昆明、乌鲁木齐等6个地处不同地理位置和气候地带的地区，进行风能资源状况统计分析，比较不同地区的资源状况差异，按月份对资源变化情况进行了分析和比较。结果表明，不同地区的风能资源状况差异明显，整体来说华北、东北、西北地区具有相对丰富的风能资源，而华中、华南、西南地区的风能资源相对比较匮乏；风能资源由多到少的顺序为哈尔滨、北京、乌鲁木齐、昆明、武汉和广州；一年中多数地方的春季风速最大。2.采用平均值-最大值方法求解风速的Weibull分布参数，进一步分析各地方可利用风能资源状况；然后根据风力发电机功率特性，建立风力发电的能量输出模型，并对各地方的风力发电潜力进行测算和分析。结果表明，与各地方的风能资源评估结果基本一致，哈尔滨的风力机年发电总量最高，其次是乌鲁木齐和北京，昆明的的风力发电量较少，而武汉和广州的风力发电量最少。3.基于气象台站1981-2010年的水平面上太阳辐射数据，测算不同倾角的斜面上太阳辐射量，分析北京、哈尔滨、武汉、广州、昆明、乌鲁木齐等6个地区的太阳辐射能状况。结果表明，较高纬度地区的太阳辐射量在夏季和冬季之间有明显的波动，夏季的辐射量远远高于冬季；而较低纬度地区一年内的辐射量变化相对较小；光伏阵列倾斜放置可以很好的平衡冬季、夏季的辐射量波动，使得辐射量在一年内的变化幅度减小。4.研究太阳辐射量和日照时数之间的关系，采用BP神经网络建立太阳辐射日总量的预测模型；根据光伏电池等效电路模型及其修正公式，建立光伏发电的能量输出模型，并对不同地方的光伏发电潜力进行测算和分析。结果表明，利用日照时数估测太阳辐射总量是可行的，BP神经网络模型具有良好的自适应性；不同地区的年均光伏发电量也存在差异；多数地方是夏季半年的光伏发电量较高，而昆明则是春季的光伏发电量较高。5.根据风光互补发电系统的设计要求，采用最优化理论和方法，建立风光互补发电系统优化设计数学模型。设计变量为风力机、光伏组件、蓄电池的数量以及光伏阵列倾角等4个，目标函数为成本最低，主要约束条件是负载缺电率。模型中的蓄电池电量采用时间序列法计算，分别针对两种负载，采用带整数性约束的遗传算法对模型求解。结果表明，该数学模型可以较好的满足系统优化设计的需要；遗传算法对此类有复杂非线性约束的优化问题具有良好的适用性。6.基于不同的负载要求，优化设计不同地方的风光互补发电系统，然后对设计结果进行能量输出仿真，并分析系统供电的可靠性和供电成本。结果表明，风能和太阳能的波动性是主要影响因素，其不仅会直接导致负载缺电率较高，而且会间接增加系统成本；除了哈尔滨主要依靠风力发电之外，其他地方主要依靠光伏发电给负载供电；而具有丰富风能和太阳能资源的哈尔滨的供电成本也是最低的。7.利用计算机软件开发技术和数据库技术，基于Windows平台设计开发一套风光互补发电系统优化设计软件。
【作者】赵昕宇；
【导师】余泳昌；
【作者基本信息】河南农业大学，农业生物环境与能源工程，2014，博士
【关键词】风光互补系统；Weibull分布；BP神经网络；能量输出模型；遗传算法；优化设计；软件开发；技术经济分析；

【参考文献】
[1]冷翔.中国近代文人画与欧洲现代派绘画比较研究[D].浙江理工大学,美术学,2014,硕士.
[2]张志莉.从跨文化的角度研究中美商务谈判中的交流失败问题[D].对外经济贸易大学,语言学与应用语言学,2004,硕士.
[3]梁永杰.城镇化进程中乡村社会管理创新的思考[D].内蒙古师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[4]张超.城市人口规模界定的理论及实例研究[D].浙江大学,城市规划与设计,2004,硕士.
[5]沙金竹.基于3G和GPS的智能公交终端设计[D].哈尔滨理工大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[6]丁国锋.甘肃农业发展银行信贷业务发展问题研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[7]辛泊雨.日本乡村景观研究[D].北京林业大学,城市规划与设计,2013,硕士.
[8]惠鸿杰.第三条道路：齐曼的科学哲学思想[D].山东大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[9]周丽丽.企业财务支付共享系统设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[10]狄军贞.苯酚降解菌处理含酚废水的实验研究[D].辽宁工程技术大学,岩土工程,2004,硕士.
[11]李晶.路氏润燥汤治疗原发性干燥综合征62例口干疗效研究[D].北京中医药大学,中医学,2014,硕士.
[12]李丽娟.CdTe量子点对仔猪空肠上皮细胞标记及蛋白基因表达的研究[D].天津农学院,预防兽医学,2014,硕士.
[13]孙琳.对中国铁通软交换技术应用定位的思考[J].铁道通信信号.2008(02)
[14]陈国梁.基于无人机降质图像恢复的研究[D].成都理工大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[15]于咏梅.农业技术推广与烟台市农民增收问题研究[D].中国农业大学,种植业,2004,硕士.
[16]陈楚龙.广州市城市防洪与管理研究[D].河海大学,水文学及水资源,2003,硕士.
[17]吕旸.《浙江潮》与其科教传播研究[D].西北大学,传播学,2014,硕士.
[18]侯义方.江苏政府机关节能工作与评价体系研究[D].南京农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[19]赵非.建行A分行中小企业贷款风险与定价问题研究[D].吉林大学,高级管理人员工商管理,2012,硕士.
[20]司伟.基于DSP的永磁同步电机伺服系统的研究与实现[D].北京交通大学,2009.
[21]杨帆.网络舆情环境下的大学生思想政治教育研究[D].中北大学,思想政治教育,2013,硕士.
[22]何诚,袁勇,游文秀,唐晓雪,杨帆.高陡复杂区速度研究及应用[J].石油地球物理勘探,2004,03:300-303+245-369.
[23]刘洪军.鲁南地区汉族人群FTO基因多态性与2型糖尿病的相关性研究[D].山东大学,内科学,2013,硕士.
[24]王莹.沈阳市城市热环境时空变化遥感研究[D].吉林大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[25]周佳瑾.用摄影技巧展现园林空间美的研究[D].湖南师范大学,设计艺术学,2014,硕士.
[26]崔殿乐,白少先,孟祥铠,彭旭东.深槽表面涡流效应对气体润滑流量特性的影响[J].润滑与密封,2012,11:17-21.
[27]田文明.304不锈钢在3.5%NaCl溶液中的点蚀动力学研究[D].南昌航空大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[28]廖春苗.农村空巢老人需求状况及社会工作介入研究[D].苏州大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[29]王文建.基于访问路径挖掘的Web缓存与预取模型研究[D].西南交通大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[30]郑美凤.有限需求信息下的间断需求预测及库存控制研究[D].上海大学,企业管理,2012,硕士.
[31]阎岩.汉俄祈使句对比研究[D].吉林大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[32]汪波.知识产权保护对我国进口贸易的影响[D].浙江工商大学,国际贸易学,2012,硕士.
[33]赵江运.无线传感器网络非基于测距定位算法研究[D].西南交通大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[34]阮氏玉.脑血疏治疗出血性中风恢复期的临床观察[D].北京中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[35]刘之广.溶磷细菌及控释肥料对土壤磷有效性的影响[D].山东农业大学,土壤学,2014,博士.
[36]肖征.基于网络爬虫的网络漏洞扫描检测系统的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[37]袁连宝.装饰装修材料对室内空气甲醛污染的研究与控制[D].山东大学,环境工程（专业学位）,2013,硕士.
[38]吴丹.企业社会资本对小额贷款公司影响的社会学分析[D].吉林大学,社会学,2013,硕士.
[39]季晨龙.叠层橡胶支座基础隔震结构多维地震反应分析[D].西南交通大学,结构工程,2012,硕士.
[40]赵晓东.基于步态的骨架识别技术的研究[D].中北大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[41]刘晨,周惠民.基于空间数据仓库的气象信息共享的应用研究[A].中国气象学会气象电子技术委员会.数据库技术在气象领域的应用学术会议论文集[C].中国气象学会气象电子技术委员会:,2001:8.
[42]李远华,刘丽艳,闫冠宇.改革农业水费管理促进农业节水[J].中国水利.2003(13)
[43]刘超.FANCD2在结直肠癌中的表达及其与预后的关系[D].广州医科大学,内科学,2014,硕士.
[44]SunYuanyuan.An Analysis of Sula from the Perspective of Existentialism[D].西安外国语大学,外国语言学及应用,2014,硕士.
[45]常庆辉.利用离子液体支撑液膜分离混合气体[D].河南科技大学,化学工艺,2013,硕士.
[46]王银锋.一些拓扑兴趣的分子笼、篮和瓶的结构和性质[D].吉林大学,2010.
[47]杨梦柔.高速公路养护全过程造价管理技术研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[48]黄丽诗.2012年《纽约时报》中的中国国家形象[D].厦门大学,传播学,2014,硕士.
[49]刘琰.糠醛的快速检测方法及其在酿造白酒中的应用[D].湖北工业大学,食品工程（专业学位）,2013,硕士.
[50]赵辉.现代筝曲《幻想曲》之探析[D].天津音乐学院,音乐表演,2013,硕士.