風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

焦利利，楊 風，羅 威

(中北大學計算機與控制工程學院，山西 太原 030051)

風光互補發(fā)電采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)，風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、太陽能電池方陣、智能控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網(wǎng)送入常規(guī)電網(wǎng)中。夜間和陰雨天無陽光時由風能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，實現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能。目前，世界各國都對新型能源進行了深入的研究和開發(fā)［1］。目前歐洲在這方面處于領(lǐng)先水平，特別是在風力發(fā)電和太陽能發(fā)電技術(shù)方面取得了大量成果。

因為太陽能與風能的互補性，即在有風的時節(jié)，風能多太陽能少，反之亦然。另外，太陽能與風能的蓄電池與逆變器可以相同。光伏發(fā)電的主要吸引力是光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力對環(huán)境無破壞，通過將無盡的太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏陣列成本的持續(xù)下降和效率的增加意味著在不久的將來光伏發(fā)電系統(tǒng)將會有很大的前景。而我們需要利用這種性質(zhì)，完善一個系統(tǒng)使之可以全年提供充足電能，同時可靠性與經(jīng)濟性也得到很好的滿足。在電力能源比重與日俱增的今天，通過各種手段獲得電力能源成為現(xiàn)階段電氣研究的重中之重，因為在一些地區(qū)，因為環(huán)境種種因素，無法實現(xiàn)電力能源的獲取，但又對于電力能源有所需求。如山區(qū)，公路，林區(qū)，邊防，港口等。為此，在研究的過程中，對于上述地區(qū)擁有的豐富的其他一級能源進行調(diào)研，從而確定了以光伏發(fā)電與風力發(fā)電相結(jié)合的太陽能風光互補發(fā)電，這種辦法對于上述地區(qū)的電力能源的采集和輸送是一個非常實際又行之有效的辦法。因為此系統(tǒng)相對于其他單獨的發(fā)電系統(tǒng)，彌補了太陽能無法晝夜發(fā)電與風力發(fā)電穩(wěn)定性不足的缺陷。無論在穩(wěn)定性，連續(xù)性與安全性上，都有很好的保障。同時在利用自然資源的時候?qū)τ诃h(huán)境沒有污染，符合可持續(xù)性發(fā)展。

1 風光互補供電系統(tǒng)

風光互補系統(tǒng)主要構(gòu)成有風力發(fā)電機，太陽能電池板，直流控制中心，發(fā)電端控制器，蓄電池組，逆變器與負載。風力發(fā)電機能夠?qū)L能轉(zhuǎn)換為電能，太陽能電池板能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電能，得到的電能分別通過風力機控制器和光電板控制器輸送給直流控制器，通過控制器進而控制電能的流向，得到的電能可以直接用于用電負載，而多余的電量將通過控制器直接輸送給蓄電池，用于負載的供電需求，若需給交流負載供電，則需要通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電再傳送給負載。

1.1 風力發(fā)電部分

該部分主要有風力發(fā)電機組成。利用風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過控制器對蓄電池充電，同時通過逆變器對負載供電。在風光互補的系統(tǒng)中，風力發(fā)電機組的參數(shù)也十分重要，主要有:切入風速與切出風速、額定風速與額定輸出功率、最大輸出功率、風能利用系數(shù)、對環(huán)境的適應(yīng)能力、安裝和維護的簡易性等等。在進行設(shè)計時要綜合考慮上述因素。

1.2 光伏發(fā)電部分

光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能。然后對蓄電池充電。通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電。

1.3 逆變部分

逆變器是將太陽能輸出直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷囊环N設(shè)備。它是影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)工作，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，具備各種保護功能，整機效率高，輸出電壓波形的失真度低。直流輸入電壓有交換的適應(yīng)范圍［2］。

逆變器由一臺或幾臺逆變器組成。逆變器把蓄電池中的直流電能變換成為標準的220 V 交流電，保證交流電負載設(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。風力發(fā)電和太陽能電池發(fā)電都可輸出直流電，同時可用蓄電池充電，然后靠蓄電池向負荷提供穩(wěn)定的電能。若用戶使用交流電器，通過加載逆變器，將直流電變?yōu)榻涣麟?。由于系統(tǒng)采用了風能、太陽能發(fā)電互補的結(jié)構(gòu)形式，具有較廣的應(yīng)用范圍。

1.4 控制部分

控制部分根據(jù)日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié):一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負載;另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.5 蓄電池組部分

蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。蓄電池電壓采集，用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM 功能，對蓄電池進行充電管理。蓄電池開路保護:萬一蓄電池開路，若在太陽能電池正常充電時，控制器將關(guān)斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 太陽能電池原理

太陽能電池是應(yīng)用P-N 結(jié)的光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect)進行能量轉(zhuǎn)換。理想的P-N 結(jié)二極管，其對應(yīng)的方程式如下:

式中，Ipn，Vpn為P-N 結(jié)二極管的電流及電壓;k 為波爾茲曼常數(shù)(Boltzmann Constant:1.38 ×10－23J/K);q 為電子電荷量(1.602 ×10－19庫侖);T 為絕對溫度(凱氏溫度K=攝氏溫度+273 度);Is為等效二極管的逆向飽和電流;VT為熱電壓(Thermal Voltage:25.68 mV)。

太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能主要由自然光中的的量子-光子(Photons)完成的，而每個光子所攜帶的能量為:

式中，h 為普郎克常數(shù)(Planck Constant:4.14 ×10－15eV·S);c 為光速(3 ×108m/s);λ 為光子波長。

2.2 風力發(fā)電機原理

風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機提升旋轉(zhuǎn)速度，從而促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術(shù)，可以實現(xiàn)每秒三公尺的微風速度便可開始發(fā)電［3］。風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一以大氣為工作介質(zhì)的能量利用機械。

2.3 蓄電池原理

目前，絕大多數(shù)的太陽能控制器用于自動切換充電方法的依據(jù)采用的是在線檢測蓄電池的端電壓來判斷。但是，蓄電池的端電壓受到很多因素的制約，特別是在充電過程中，蓄電池的端電壓受到太陽能電池端電壓的不同程度的影響，不能準確表示其荷電狀態(tài)。為此提出了一種新的檢測方法——離線式檢測。在鉛酸蓄電池的理論中，蓄電池的電動勢可表示為:

式中，E 為電池電動勢;

E0 所有反應(yīng)物的活度或壓力等于1 時的電動勢，

稱為標準電動勢;

R 為摩爾氣體常數(shù);

T 為溫度;

F 為法拉第常數(shù);

n 為電化學反應(yīng)中的電子得失數(shù)目。

從上式可以看出，電動勢與硫酸濃度有關(guān)，換言之就是與荷電狀態(tài)有關(guān)。而且，根據(jù)有關(guān)文獻，蓄電池的荷電狀態(tài)與其穩(wěn)態(tài)開路電壓有良好的線性關(guān)系。因此，由蓄電池的開路電壓可以估算出其荷電狀態(tài)。

3 控制器設(shè)計

3.1 控制器原理

控制器是對光伏電池板和風力發(fā)電機所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池餓的特性曲線對蓄電池進行充電，當所發(fā)的電不能滿足負載需要時，控制器又要把蓄電池的電能送往負載［4］。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不能被過放電，保護蓄電池。

3.2 控制器設(shè)計

在太陽電池板和風力發(fā)電機所發(fā)出的電能超過蓄電池存儲量時，控制系統(tǒng)必須將多余的能量消耗掉。充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電的設(shè)備，一般還具有簡單的測量功能。蓄電池組經(jīng)過充電或放電后會嚴重影響其性能和壽命，所以充放電控制器是不可或缺的。控制器要對蓄電池兩端的電壓進行實時檢測，當兩端電壓過高時，要切斷風力發(fā)電機和光伏電池板與蓄電池的聯(lián)系，防止發(fā)生過充現(xiàn)象;當兩端電壓低于設(shè)定值時，要切斷蓄電池與負載的聯(lián)系，防止過放的情況。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。

由于蓄電池只能承受一定的充電電流和充電電壓，過電流和過電壓充電都會對蓄電池造成很嚴重的損害。風光互補控制器通過單片機實時檢測蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過控制風機充電電流和光伏充電電流來限制蓄電池的充電電壓和充電電流，確保蓄電池既可以充滿，又不會損壞。從而確保了蓄電池的使用壽命［5］。風光互補控制器采用液晶顯示蓄電池電壓和充電電流，使得用戶能夠直觀了解蓄電池的電壓狀態(tài)，從而使產(chǎn)品設(shè)計更加人性化。

4 結(jié)論

太陽能發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過控制系統(tǒng)給蓄電池充電，進而給負載供電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是供電可靠性高，運行維護成本低，缺點是系統(tǒng)造價高。風力發(fā)電系統(tǒng)是利用風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過控制系統(tǒng)給蓄電池充電。進而通過逆變器給負載供電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)發(fā)電量較高，造價較低，運行維護成本低。缺點是風力發(fā)電機可靠性低。

太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，而且太陽能和風能都是潔凈能源，對環(huán)境無污染。所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立系統(tǒng)。

［1］杜榮華，張婧，王麗宏，等.風光互補發(fā)電系統(tǒng)簡介［J］.節(jié)能，2007(3):60－61.

［2］魏云峰.新型逆變器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究［D］.東北農(nóng)業(yè)大學，2007:30－35.

［3］郭繼高.風能發(fā)電小型風能發(fā)電及其發(fā)電機［J］.1999(5):43－45.

［4］艾斌，楊洪興，沈輝，等.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計Ⅱ匹配設(shè)計實例［J］.太陽能學報，2003(5):70－73.

［5］齊發(fā).獨立運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.電子設(shè)計應(yīng)用，2005(7):105－107.