风光互补发电系统设计

      风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差 的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等 影响．然而太阳能与风能在时间上和地域上一般 都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小， 晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化 大而风能加强．在夏季，太阳光强度大而风小；冬 季，太阳光强度小而风大。 太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风 力发电成本较低，随机性大，供电可靠性差。若将两者结合起来，可实现昼夜发电．在合适的气象资 源条件下，风光互补发电系统能提高系统供电的 连续性、稳定性和可靠性，在很多地区得到了广泛 的应用．

      如图5.1为某地10月份某日典型的太阳能和风资源分布，因此采用风光互补发电系统，可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷。

图5.1  某地10月份典型日太阳能和风能资源分布图

风光互补发电的优势：

（1）利用风能和太阳能的互补性，弥补了风电和光伏发电系统的不足，可以获得比较稳定的和可靠性高的电源。

（2）充分利用土地资源。

（3）保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

（4）对系统进行合理的设计和匹配，可以基本上基本上由风光互补发电系统供电，获得较好的经济效益。

（5）大大提高经济效益。

 风光互补发电系统主要组成部分

（1）发电部分：由一台或者几台风力发电机和太阳能电池阵列构成风—电、光—电发电部分，发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成蓄电池组自动充电工作。

（2）蓄电部分：蓄电部分主要作用是将风电或光电储存起来，稳定的向电器供电。蓄电池组在风光互补发电系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。

（3）控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成，完成系统各部分的连接、组合及对蓄电池组充放电的自动控制。控制及直流中心具体构成参数由最大用电负荷与日平均用电量决定。

（4）供电部分：供电部分不可缺少的部分是逆变器，逆变器把蓄电池储存的直流电转换为交流电，保证交流负载的正常使用。同时，还有稳压功能，以改善风光互补系统的供电质量。

图5.2风光互补发电系统

      设计一个完善的风光互补发电系统需要考虑 多种因素．如各个地区的气候条件，当地的太阳辐 照量情况，太阳能方阵及风力发电机功率的选用， 作为储能装置蓄电池的特性等．因此，必须选择建 立一些先进的数学模型进行多种计算，确定合理 的太阳能电池方阵和风力发电机容量，使系统设 计最优化．

数学模型计算

1.蓄电池容量计算

蓄电池的容量 C 通常按照保证连续供电的 天数来计算：

式中：n——蓄电池连续供电的天数 （根据当地太 阳能和风能的气象数据确定），一般为 2～5 d；

——为日耗电量，kWh；

 U——系统工作电压，一般为 24 V 或 12 V；

——蓄电池最大放电深度， 一般取 40%；

 ——由蓄电池到负载的放电回路效率，包 括蓄电池的放电效率、 控制器的效率及线路损耗 等，一般   为 95%～98%。 

2 . 不同地点和不同高度的风速计

风速随高度的变化情况，地面的平坦度、地表 粗糙度，以及风通道上的气温变化情况的不同而 有所差异¨。风速随高度而变化的经验公式很 多，通常采用指数公式，即

式中：——距地面高度为h处的风速，m／s；

 ——高度为hl处的风速，m／s；

——风切变指数，它取决于大气稳定度和 地面粗糙度，其值约为1／2～1／8．对 于地面境界层，风速随高度的变化则 主要取决于地面粗糙度，这时一般取 地面粗糙度作为风切变指数．

 3. 风力发电量的计算

对于小型风力发电机， 日发电量计算公式如下：

式中：

E——当月发电量，kWh； 

——风力发电机在不同风速段的发 电量，kWh； 

——当时风速，m/s；

——风力发电机启动风速，m/s；

 ——风力发电机额定风速，m/s；

 ——风力发电机停机风速，m/s；

——风力发电机额定功率，kW；

 ——该月中与相对应的小时数；

选择风机容量应是负载需求的 2～3 倍，最后 用上式来计算风机的日发电量。

4. 太阳电池组件容量

太阳能电池所发电量应为负载所需总电量与 风机所发电量的差， 并且以太阳能的发电量来确 定太阳能电池板的容量。 太阳能电池板每月发容量的数学公式：

式中：

——太阳电池组合板第i 月发出的电能， kWh；

——组合板平面第 i 月单位面积上接受 的辐射量，MJ/m2；

 ——组件的转换效率,通常为 8%～16%； 

——第 i 月组件转换效率的温度修正因 子； 

——组件的封装因子,有效电池面积与组 件总面积之比,通常 Fp＞0.8； 

——积尘因子,组件表面积尘时的发电量 与表面完全清洁时的发电量之比， 对于户用系统 Fs 取 1；

 F——组件未工作在最大功率点处影响组 件输出功率的系统性能失配因子，一般 F=0.954.

——由于材料老化、性能下降等其它因素 影响组件输出功率的修正因子，一般 F0 取 0.98；

 A——太阳能电池板的总面积，m2。 通过计算出的太阳电池板的总面积来确定太 阳能电池板的容量。

风光互补控制器

风光互补控制器是专门为风能、太阳能发电系统设计的；集风能控制、太阳能于一体的智能型控制器。充分利用风能和光能资源发电，可减少采用单一能源可能造成的电力供应不足或不平衡的情况。设备不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池板所发出的电能对蓄电池进行充电，而且还提供了强大的控制功能。为了更直观地远程观察，控制器外壳上除装有 风力发电机充，放电，太阳能充，放电指示灯外，还装 有液晶显示屏，能直接观察到蓄电池充，放电全过 程。 控制器内部装有过载保护和超速保护，使风力 发电机更安全可靠。 控制器还具有光控、声控、温 度补偿及防雷、反极性保护等功能。 

     风光互补发电系统按是否并入公共电网系统可以分为并网发电系统和离网发电系统。离网发电系统一般100W到100kW。并网发电系统可达数千瓦至兆瓦。

5.3.2离网风光互补发电系统设计方法

离网风光互补发电系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。

图5-3  离网发电系统结构

风光互补发电系统设计方法:

（1）功率匹配法: 在不同的太阳辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的功率和风力发电机的功率之和大于负载功率，主要用于实现系统的优化控制。

（2）能量匹配法:  在不同的太阳辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的发电量和风力发电机的发电量之和大于负载耗电量，主要用于系统功率设计。

电量与用电量的匹配设计

 离网风光互补发电系统发出的电能首先经过蓄电池储存起来，然后再由蓄电池向电器供电。所以，必须认真科学地考虑，风力发电机功率，太阳能电池组件功率与蓄电池容量匹配和静风期储能等问题。目前，离网风光互补发电系统的输出功率与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等，或输入大于输出的原则二进行匹配的。

（1）设备日用电量计算

                            Qi=Pi*Ti

式中：

Qi   ——日用电量；         Pi    ——设备额定功率；   Ti    ——日用电小时数。

  （2）系统总用电量估算

            Qm=（P1+P2+...+Pi）*Ni*Ti 

式中： 

Qm——系统负荷最大日用电量（kW*h）； 

 Pi   ——每种相同设备的额定功率（kW）；Ni  ——具有相同额定功率的设备的数量；

Ti  ——该类设备的日平均使用时间（h）；  i    ——1,2,...n个不同类型的设备数量。

  （3）发电能力的测算

          日平均发电量则是由风力发电机和太阳能电池组件的发电能力及当地风光资源状况决定的。

Q=Q1+Q2                             

式中：Q1——风力发电机组的日平均发电量；

          Q2——太阳能电池组件的日平均发电量。

 （4）风力发电机组供电能力的测算方法

    计算中假设风力发电设备利用率为100%。具有风频图的风力发电机输出功率计算公式：

                          Q=（P1+P2+...Pv）*Tv           

 式中：Q ——风力发电机在计算期间的发电总量（kW*h）；

           Pv——在风速v时风力发电机的输出功率（W）；

           Tv——场地风速v的期间累计小时数（h）。

   如果不能得到风速频率分布图，则可用当地的年平均风速进行估算。用年平均风速值时的发电机输出功率值乘以年度总的小时值8760h，即：

Q1=K*8760*Pv                          

式中： Q1——年发电量（kW*h）；

           Pv ——年平均风速值时发电机组输出功率；

           K——修正系数，取1.2~1.5。

          根据经验，按平均风速计算的发电量小于实际按风速频率分布的年发电量，因此可按一定的比例进行适度修正（修正系数取1.2~1.5）。

总之，风光互补发电系统作为的 电源系统，具有一定的合理性和可靠性， 有着广泛的应用领域。在远离电网的地 区，供电系统已经成为人们必须的 电源。边防哨所、邮电通讯的中继站、公 路、渔船和铁路信号站、地质勘探野外的 工作站以及偏远的农牧民都需要低成本、 高可靠性的电源系统；对于城市里的 景观灯、路灯等，随着对节能环保的 重视应用前景也相当广阔。

5.3.3并网风光互补发电系统设计方法

风能和光能的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风光互补发电系统也可做成分布式，由风力发电系统、太阳能发电系统、储能系统、能源变换系统、直流母线(或交流母线)及能量管理系统等若干子系统组成，风光互补发电系统可分为直流母线结构及交流母线结构。

1．直流母线结构

如图5-4所示为分布式直流母线控制方式。这种方案的主要优点是：第一，只需对母线电压进行控制，容易满足系统性能要求，控制算法相对容易。第二，由于省去了子系统中的整流部分，因此，系统成本低，易于推广。第三，采用分布式直流母线控制，系统容易扩展，可以满足用电设备和发电设备增加的要求。系统采用直流母线，储能单元分为长期储能单元和短期储能单元。蓄电池是长期储能单元的最佳选择，而短期储能单元采用开关磁阻电机飞轮储能系统。开关磁阻电机具有结构简单、成本低、适合高速运行等特点。利用飞轮储能可以有效地补偿由于风速、光照变化以及负荷变化所引起的母线电压波动，提高系统的稳定性，降低由此而引起的蓄电池的充放电次数。对于系统中的交流用电负荷，采用逆变控制单位集中供电。在实际应用中，为了提高系统的适用性，可以非常方便地利用直流母线进行扩展。例如为了进一步提高系统的可靠性，保证重要用电设备的正常运行，可以在直流母线上加装柴油发电机组，并通过系统控制部分统一进行能量控制。也可以利用DC／DC变换器向直流用电设备如无整流模块的变频器进行供电，可以降低系统成本、防止谐波污染。

5-4分布式风光互补供电系统框图

2．交流母线结构

虽然直流母线控制算法简单，成本低，易扩展，但对于供电系统和其它任何远离公共电网的供电系统而言，重要的是系统能够进行简单且经济的扩容。交流母线可以将各种类型的发电设备或负载都连接到同一母线系统上。这样，无论增加负载，还是增加发电设备，系统都能够随意扩容，并且考虑现行设备的成熟性，所以本项目选取交流母线分布式供电系统，交流母线分布式风光互补供电系统如图5-5所示。图中IOKW风机、风机控制器、风机逆变器组成的整体为风机机组部分。2KW太阳能电池输出直流，经逆变器转换成交流电，接入AC母线。交流母线可经开关控制接交流负载，或去电网。双向逆变器可以将AC母线上的交流变成直流电向蓄电池充电，储存能量，也可以将蓄电池的48V直流电接直流负载。

5-5  10kw风机+2kw左右太阳能组成风光互补发电系统示意图

2．1．2并网控制系统

风能和光能的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。并网控制更提高了供电的可靠性。并网控制系统主要有三种回路形式：工频变压器隔离方式、高频变压器隔离方式和无变压器方式。

1．工频变压器隔离方式

这种方式是目前大功率下采用最多的结构，实现了电压变换和电气隔离，所

以安全性能好、可靠性高。但由于采用工频变压器，系统整体比较笨重，而且效率相对较低。其结构如图5-6所示。

并网逆变器

一般小型户 用风光互补电源系统由太阳能发电系 统，风力发电系统、逆交变储电系统，充 放电控制系统构成。逆变器是可再生能源 并网发电中的关键设备。

5-6  工频变压器隔离并网系统

2．高频变压器隔离方式该方法采用了带高频变压器DC-DC变换器，将太阳能电池和风机发出的电压变换为满足并网要求的直流电压，再经过逆变后直接与电网相连。这种系统体积小、重量轻，适合小功率场合。其结构如图5-7所示。

5-7  高频变压器隔离并网系统

3．无变压器方式该方式首先用无隔离的DC—DC变换器将太阳能电池阵列的直流电压提升到逆变器并网需要的直流电压，再经过逆变与电网相连。这种方式在尺寸、重量和效率方面具有更大的优势，因而在并网系统中成为目前研究的热点和发展趋势。该方式结构如图5-8所示。

5-8  无变压器并网系统

为了降低并网系统的成本和提高效率，现在很多国家都在对高效逆变器进行研究，而且逆变器在数字锁相控制技术、数字化控制技术、最大功率跟随控制和孤岛检测等技术方面都有新的突破。

太阳能发电和风力发 电两者互补性的结合实现了两种新能源在 自然资源的配置方面、技术方案的整合方 面、价格与性能的对比方面达到了对新能 源综合利用的最合理的要求。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。