工业仓库用孤立式混合微电网的设计与性能评估

《Results in Engineering》：Design and Performance Evaluation of an Islanded Hybrid Microgrid for an Industrial Warehouse

年发电量预测19.47-21.2 MWh，性能比率0.818，验证了基于PVCAD、PVsyst、HOMER Pro和SAM的混合微电网设计在工业仓库中的可行性，并实测了其减排效果（218.5吨CO?/30年）。

　　该研究围绕设计、优化和评估一种适用于巴基斯坦工业仓库的孤岛混合微电网展开，其核心目标是构建一个具备稳定电力供应能力的系统，同时兼顾环境可持续性。系统中整合了发电机、电池储能、逆变器、太阳能板和交流负载，以满足工业设施的电力需求。为了全面评估该微电网的可行性与功能，研究团队采用了PVsyst、HOMER Pro、SAM和PVCAD等多种软件工具。PVCAD主要用于分析地形对光伏电站性能的影响，包括光伏组件的阴影效应和整体发电能力；而PVsyst则用于太阳能电站的设计。随后，设计数据被导入HOMER Pro进行建模与优化，再传至SAM进行性能评估。这种多软件协同工作的方式能够更准确地模拟微电网在实际运行中的表现，同时减少设计和优化过程中的误差。

研究重点探讨了面板倾斜角度、地面反照率以及光伏组件的安装高度对年发电量和性能比（PR）的影响，特别是在双面光伏组件的配置中。研究发现，在95%置信水平下，年发电量预计为19.47兆瓦时（MWh），90%置信水平下为19.85 MWh，50%置信水平下为21.2 MWh。同时，系统实现了3.84千瓦时/千瓦峰值（kWh/kWp）/天的标准化输出功率，以及0.818的总体性能比。这些结果表明，该微电网能够在多种条件和负载变化下保持较高的发电效率和稳定性。此外，研究预测该混合微电网在30年运行周期内可减少218.5吨二氧化碳排放，这为推动清洁能源转型提供了有力支持。

传统电力生产方式，如石油发电，长期以来与严重的经济和环境问题相关联。这些方式不仅导致温室气体排放、空气污染和气候变化，还对人类健康产生负面影响。同时，这些能源形式依赖于有限的资源，如天然气、石油和煤炭，其储量正逐渐减少。此外，这些方法对自然生态系统造成破坏，如水体污染和栖息地破坏。相比之下，可再生能源如太阳能和风能被视为更具吸引力的替代方案。然而，它们也面临一些挑战，例如由于天气变化导致的间歇性问题，需要依赖储能系统和备用电源。尽管可再生能源的成本在不断下降，但其初始投资仍然较高，而且不同地理区域的适用性差异较大，这限制了其广泛应用。

为了克服这些挑战，微电网（Microgrids, MGs）被提出作为一种可行的分布式电力生产方案。微电网通常由储能单元（如飞轮、电容器和电池）、分布式能源资源（如燃料电池、光伏板和风力涡轮机）、低压配电系统和可调节负载组成。微电网可以以离网（独立）或并网（连接）模式运行，具有较高的灵活性和抗风险能力。HOMER Pro是微电网建模和优化中常用的软件工具，它能够模拟和分析多种配置，以识别最优系统设计。该软件在模拟过程中，可以计算净现值（NPC）、单位发电成本（COE）和系统可靠性，同时支持柴油发电机、电池、风力等组件的模拟。此外，HOMER Pro允许用户进行多变量敏感性分析，以评估最优设计在不同燃料价格、负载模式和资源可用性下的稳健性。

然而，尽管已有许多研究使用HOMER Pro进行微电网建模和优化，但这些研究往往缺乏对关键设计参数的深入探讨，如光伏组件的安装方向、倾斜角度、地面反照率和电池储能系统的容量。同时，这些研究通常只依赖单一软件工具，未能全面考虑系统设计的复杂性。因此，本研究采用了一种集成方法，结合PVCAD、PVsyst、HOMER Pro和SAM四种软件工具，以提升微电网设计的准确性和可靠性。PVCAD用于研究地形对光伏电站的影响，包括阴影分析和整体发电量；PVsyst则用于太阳能电站的设计，考虑到实际条件如组件规格、系统配置和光照情况；HOMER Pro用于微电网的优化，而SAM则用于评估系统的整体性能。

在研究过程中，团队首先确定了微电网的负载需求，包括工业仓库的照明和动力负荷。由于仓库的负载在不同季节和工作日之间变化不大，因此系统设计时考虑了10%的安全系数。通过对不同软件工具的综合应用，研究团队能够全面评估微电网的性能，包括能量损失、发电效率和经济可行性。此外，研究还特别关注了地形和安装方式对光伏系统的影响，如倾斜角度、地面反照率和安装高度，以优化光伏组件的发电能力。这种多维度的分析方法能够帮助设计者更好地理解不同参数对系统性能的影响，并选择最优配置。

在微电网的设计过程中，团队使用HOMER Pro进行系统优化，以确保在不同负载条件下，系统能够稳定运行。同时，通过SAM软件进行性能评估，以验证设计的有效性。这些软件工具的协同应用使得研究团队能够全面评估微电网的经济和环境效益。例如，通过SAM的模拟，团队能够分析微电网的总系统损耗，并评估其在不同条件下的可靠性。此外，通过HOMER Pro的优化，团队能够减少柴油发电机的使用，从而降低碳排放，提高系统的可持续性。

在研究中，团队还进行了实地测试，以验证微电网的实际运行效果。测试结果显示，系统在不同时间段的电力供应情况良好，尤其是在光照充足的时段，光伏系统能够满足大部分负载需求，而在光照不足的时段，电池储能系统和柴油发电机能够提供必要的电力支持。这种实际测试为研究提供了宝贵的反馈，使设计更加贴近现实运行条件。

此外，本研究还对比了其他相关研究的成果，以评估其创新性和实用性。例如，已有研究使用HOMER Pro对医院和工业设施的微电网进行了建模和优化，但这些研究往往忽略了地形和安装参数对系统性能的影响。而本研究则通过综合使用多种软件工具，能够更全面地评估微电网的性能，并提供更精确的设计方案。这种多软件集成的方法不仅提高了研究的准确性，还增强了其实际应用价值。

在研究中，团队还关注了不同软件工具的优势和局限性。例如，PVCAD主要用于光伏电站的布局和设计，但它缺乏对系统性能的深入分析；PVsyst在光伏系统设计方面具有较高的准确性，但对微电网的优化能力有限；HOMER Pro在微电网优化方面表现突出，但对系统设计的某些参数考虑不足；SAM则在系统性能分析方面具有优势，但在优化和设计方面有所欠缺。因此，本研究通过整合这些工具，弥补了它们各自的不足，实现了对微电网更全面的评估。

研究还探讨了不同安装条件对光伏系统的影响，如地面反照率和倾斜角度对双面光伏组件的发电量和性能比的影响。通过分析不同条件下的发电量和性能比，团队能够确定最优的安装方案，以提高光伏系统的效率。此外，研究还考虑了系统运行时的负载变化，以确保在不同条件下，系统能够保持稳定运行。

总的来说，该研究不仅提出了一个适用于工业仓库的混合微电网设计方案，还通过多软件工具的综合应用，验证了其可行性，并提供了详细的性能分析和优化方案。研究结果表明，这种混合微电网能够在满足工业负载需求的同时，显著减少碳排放，提高能源利用效率。此外，研究还强调了实际测试的重要性，以确保设计方案的实用性。这些成果为未来微电网的设计和实施提供了重要的参考，同时也为可持续能源的发展做出了贡献。