1风光互补抽水蓄能复合发电系统的建模与仿真

负载需求时，则启动可逆式水泵水轮机进行水力发
电，使整个系统输出的功率满足负载需求，即：
Pwi + Psi + Pti ≥ Pli
（21）
式中， Pti (W ) ：水轮机发电的瞬时功率。
若蓄电池组、抽水蓄能系统所存储的能量均供 给负载后，仍然不能满足负载需求， 则此时系统处 于失电状态。
4 模拟仿真
（17）
若在蓄电池组充满电时，则利用可逆式水泵水
轮机抽水蓄能：
Ppi = Pwi + Psi − Pli
（18）
式中， Pbi (W ) ：蓄电池组充电的瞬时功率；
Ppi (W ) ：可逆式水泵水轮机抽水蓄能的瞬时功率。
2）当风力发电系统和光伏发电系统的瞬时功率
不能满足负载需求时，用储能设备为负载提供额外
I

=
I sc
⎢1 ⎢⎣
−
C1
⎜⎜⎝
e
C2Voc
−1⎟⎟⎠⎥⎥⎦ + DI
（8）
DI
=
μ
×
R R0
× (T
− T0 )
+
R ( R0
−1) ×
I sc
DV = −τ (T − T0 ) − Rc × DI
（9） （10）
( ) ( ) 式中，R kW / m2 ：太阳辐射量；R0 kW / m2 ：
( ) ( ) 太阳辐射参考值；T oC ：太阳电池温度；T0 oC ：
太阳能光伏发电系统输出的功率。 3.4 蓄电池组—抽水蓄能系统的数学模型
1）确定储能设备的瞬时功率 风力发电系统和光伏发电系统的瞬时功率大于 负载的需求时，高出负载的功率将用于蓄电池组的 充电，如果蓄电池组充满电后仍然有剩余，则进行 抽水蓄能。因此，储能设备进行储能时的瞬时功率 即为风光互补发电系统输出的总功率与实际负载的
2 复合发电系统的结构与运行方式
2.1 复合发电系统的结构 风光互补抽水蓄能复合发电系统的结构如图 1
所示。它是由风力发电机组、光伏组件、风光互补 控制器、逆变器、蓄电池组、可逆式水泵水轮机等
设备组成。
风力机组 光伏组件
蓄水池
风
光
抽水蓄能
水力发电
互
补
负
控
尾水以及补充水源
制
/
逆
载
变
器
蓄电池组
图 1 风光互补抽水蓄能复合发电系统示意图
的功率，即：
Pwi + Psi < Pli
（19）
在风力发电系统、光伏发电系统的瞬时功率不
能够满足负载需求时，优先启用蓄电池组进行供电，
即：
Pwi + Psi + Pfi ≥ Pli
（20）
式中， Pfi (W ) ：蓄电池组放电的瞬时功率。
在蓄电池组储存的电能消耗完后，若此时风力
发电系统与光伏发电系统的瞬时功率仍不能够满足
( ) 太阳电池温度参考值；μ A / oC ：在参考日照下的
( ) 电流变化温度系数；τ V / oC ：在参考日照下的电
压变化温度系数； Rc (Ω) ：光伏阵列的串联电阻。
光伏阵列的输出功率可表示如下：
Ps = V × I × Nc × Nb ×η
（11）
式中， Nc ：光伏组件的串联个数； Nb ：光伏
表示为[4]：
Pw = 0.5Cp Aρv3
（1）
A = π R2
（2）
式中， Pw (W ) ：风力发电机的输出功率；Cp ：
( ) 风力发电机的风能利用系数； A m2 ：风力发电机
( ) 的扫掠面积； ρ kg / m3 ：空气密度；v (m / s) ：风
速。（2）式中， R (m) ：水平轴风力发电机半径。
系数，一般取 1.25； I ( A) ：负载电流；T (h) ：蓄
电池组放电小时数；η ：放电容量系数；α (1/ °C) ：
电池温度系数，当放电小时率 ≥ 10 时取值 0.006，
当 10 > 放电小时率 ≥ 1 时取值 0.008，当放电小时率
< 1 时取值 0.01； t(°C) ：蓄电池组安装地点最低
=
⎛ ⎜ ⎝
Vm Voc
−1⎞⎟ ⎠
ln
⎛ ⎜1
−
⎝
Im I sc
⎞ ⎟ ⎠
（7）
式中，Isc ( A) ：短路电流；Voc (V ) ：开路电压； Im ( A) ：最大功率点电流；Vm (V ) ：最大功率点电
压。
2
考虑到太阳辐射变化和温度对输出电流和电压
的影响，光伏组件的性能模型如下：
⎡
⎛ V −DV ⎞⎤
C#程序语言功能齐全、使用方便，本文采用 C#程序语言来进行程序设计。 4.1 仿真软件的程序设计
根据上文所描述的风光互补抽水蓄能复合发电 系统的数学模型，绘制出程序流程图，利用 C#语言 进行编程，从而实现风光互补抽水蓄能复合发电系 统的模拟仿真[8]。图 3 为程序流程图。
图 3 程序流程图
根据程序流程框图进行程序设计： 1）定义变量。定义的变量分为全局变量和局部 变量，用来存放设定的参数和程序运行过程中处理 的各种数据。 2）调用窗口。此程序涉及到多个窗口，各个窗 口之间的相互调用由 Button 控件来实现。 3）读取数据。在设定参数时，使用 TextBox 文本框将用户设定的参数值存储到程序内部。风速、 太阳能辐射等数据是以 Excel 表格的形式存储的， 所以将路径及文件名编到程序中即可导入这些数
由于近地表面的风速随高度按指数规律变化， 在计算风力发电机的输出功率时，必须先把实测的 平均风速折算到风力发电机转轴高度处的相应值， 转换公式为：
v v0
=
⎛ ⎜ ⎝
h h0
⎞α ⎟ ⎠
（3）
式中， v (m / s) ：风力发电机转轴高度 h(m) 处
的风速；v0 (m / s) ：实测高度 h0 (m) 处的风速；α ：
风速转换因子，与地面的粗糙度有关。
在实际仿真过程中，当风速为 v 时，风力发电
机输出的功率 Pw 可按照风速功率特性曲线来确定。 图 2 为某型号风力发电机（10kW）的风速功率特性 曲线。
图 2 风速功率特性曲线示意图
不同型号风力发电机的风速功率曲线由风力发 电机厂家提供，从而得到部分平均风速下所对应的 风力发电机输出的平均功率。如果测得的风速数据 不在特定的曲线点上，则利用线性插值来解决，公 式如下：
蓄电池组充电不足，使其长期处于亏电状态，影响
蓄电池组的寿命，同时也增加了系统的投资。若容
量过小，则不能满足风光互补抽水蓄能复合发电系
统的正常工作需求。考虑到安装地点的最低环境温
度影响，采用如下的公式来计算蓄电池组的容量：
Q
≥
η
⎡⎣1 +
KIT
α (t −
25)⎤⎦
（14）
式中， Q( Ah) ：蓄电池组的容量； K ：安全
的参数包括：选择风力机的型号、设定风速实际测 量高度、风力发电机转轴高度、风速转换因子等。 从而可以得到该风力发电系统在这一地区某一天、 某一月及全年的发电量的仿真结果。
中国可再生能源学会 2011 年学术年会论文（风能）
风光互补抽水蓄能复合发电系统的建模与仿真
嵇仁荣，郑源，任岩，刘美琴
河海大学能源与电气学院
摘要：本文提出的风光互补抽水蓄能复合发电系统是指利用风能和太阳能进行互补发电，使用抽
水蓄能的储能方式部分取代以蓄电池组为主的储能方式，从而实现稳定的供电。本文建立了风光 互补抽水蓄能复合发电系统的数学模型，并运用 C#编程语言对该系统进行模拟仿真，为风光互补 抽水蓄能复合发电系统配置的优化设计奠定了基础。
环境温度值，一般如果安装地有采暖设备时取
15 °C ，无采暖设备时取 5 °C 。 若已知蓄电池组的容量 Q( Ah) ，标称电压
U0 (V ) ，假设负载是恒定的值 Pld (W ) ，则可求得
蓄电池组在蓄满电的情况下所能供电的小时数
Tr (h) ：
Tr
=
QU 0 Pld
（15）
3）确定抽水蓄能系统的最大输出功率 在蓄电池组充满电的情况下，若电量还剩余，
关键词：风光互补；抽水蓄能；建模；仿真
1 引言
风光互补抽水蓄能复合发电系统是利用风能和 太阳能进行互补发电，使用抽水蓄能的储能方式部 分取代以蓄电池组为主的储能方式，从而实现稳定 的供电。这种能源开发方式是将风能、太阳能、水 能的开发相结合，所以该系统需建在风能资源丰富、 太阳辐射充足及水资源丰富的地区，利用这三种能 源在时空分布上的差异实现互补式开发利用。
3）当风力机组和光伏组件所发出的电能不能满 足负载需求时，若此时蓄电池组电量充足，则控制 器优先将蓄电池组的电能送往负载。
4）若蓄电池组存储的电能消耗完后，整个系统
1
输出的功率仍不能满足负载的需求，则启动可逆式 水泵水轮机进行水力发电。
3 复合发电系统的数学模型
3.1 风力发电系统的数学模型 水平轴风力发电机从风中吸收的功率用公式可
海岛上蕴藏着丰富的水能、风能和太阳能资源， 因而将风光互补抽水蓄能复合发电系统建立在海岛 上是比较合适的。利用飞速发展新能源的开发与利 用技术来解决海岛的电力供应问题在国内外受到了 广泛关注，已经有一些成功的示范工程和大量的研 究报导[1-2]。然而，目前在海岛上应用较多的是单独 开发风能、太阳能或水能，对综合考虑三种能源互 补开发的研究还处于初级阶段[3]。本文对风光互补 抽水蓄能复合发电系统进行了建模与仿真，为风光 互补抽水蓄能复合发电系统配置的优化设计提供了 依据。
⎧
0
⎪
Pw =⎪⎨⎪vvi+1−−vvi i (Pi+1−Pi)+Pi