小型風光互補發(fā)電裝置的設計與研究①

劉 瑞, 劉欣玉

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著社會對能源需求的急劇提高和對環(huán)境保護意識的空前上升，開發(fā)并利用太陽能和風能成為當前社會中的熱點課題。在實踐經(jīng)驗中，人們發(fā)現(xiàn)兩者在能量轉(zhuǎn)換的過程中深受地理位置、工作環(huán)境和天氣變化等諸多因素的影響。如何克服各種不利的外部條件，合理布局和科學規(guī)劃，最終提高能量轉(zhuǎn)換效率，使太陽能和風能得到充分利用，正是當前風光互補發(fā)電行業(yè)工作者孜孜以求的目標[1]。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設計

風光互補發(fā)電實訓裝置由光伏供電系統(tǒng)、風力供電系統(tǒng)、負載與監(jiān)控系統(tǒng)組成。運行時隨著風力和光照強度的變化而選擇不同運行模式，可由風力供電系統(tǒng)或光伏供電系統(tǒng)獨立供電，也可由二者互補供電[2]。

1.2 工作原理

光伏發(fā)電部分和風力發(fā)電部分是組成風光互補實訓裝置中獨立而又相互補充的重要部分，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。光伏供電系統(tǒng)，為方便在實驗條件下更好利用光能，裝置采用大功率投射燈模擬太陽光，利用運動控制部件作左右規(guī)律性擺動。同時，光線傳感器對光強度進行實時采集，經(jīng)光源自動跟蹤控制程序比較分析，控制光伏電池組件對模擬光源進行自動追蹤，以最優(yōu)角度吸收光強度并轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)實際情況，由控制器將一部分電能提供給蓄電池組和直流負載，一部分經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流提供給交流負載[3]。風力發(fā)電系統(tǒng)，采用風扇模擬自然風，推動風力發(fā)電機風葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交流電，整流器將交流轉(zhuǎn)換為直流，根據(jù)不同時段光能和風能發(fā)電能力的變化及負載需求的調(diào)整，控制器及時對二者做兼容互補處理[4]。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)框架圖

2 裝置搭建及各主要部分參數(shù)

2.1 裝置搭建

為方便實現(xiàn)裝置的教學功能，依據(jù)發(fā)電機理和功能的不同分類，將實現(xiàn)同一功能的相關(guān)設備集中布局安裝，組裝成相互獨立的模塊柜。

2.2 主要參數(shù)

(1) 光伏電池組件主要參數(shù)：Pe=20W；Ue=17.2V；Ie=1.17A；投射燈模擬光能，投射燈Pe=300W。裝置采用四組光伏電池組件，兩組投射燈。

(2) 風力發(fā)電機主要參數(shù)：P=300W；Φ=120mm；啟動風速V=1.5m/s；U=12V。教學裝置采用軸流風機模擬風能，風機額定功率370W。

(3) 逆變與負載系統(tǒng)主要由逆變器和相應的逆變控制單元及負載組成。逆變器主要技術(shù)參數(shù)：Ui=12V；Uo=220V；Ie=1.4A；f=50Hz；S=300VA；輸出正弦波。

3 裝置自動控制功能的研究

實訓裝置是在實驗室環(huán)境下進行，人工模擬自然界條件，產(chǎn)生可變的光能和風能，自動控制功能即是通過程序設計實現(xiàn)對模擬光源的自動跟蹤和對可變風源的側(cè)風偏航動態(tài)追蹤，使裝置發(fā)電效率最優(yōu)化。圖2所示為風光互補發(fā)電系統(tǒng)實物組成。

圖2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)實物組成

圖3 光線傳感器電路圖

3.1 光伏發(fā)電控制程序設計

3.1.1 光線傳感器

光線傳感器電路圖如圖3所示。光線傳感器采集光源的光強度，通過光線強弱改變光敏電阻RG1電阻值，電壓比較器IC1a根據(jù)同相端和反相端電壓值大小，控制三極管通斷，使得控制線圈KA1得電或失電，由輔助觸點KA1-1發(fā)出信號給PLC。

圖4 光源自動跟蹤程序邏輯圖

圖5 側(cè)風偏航自動控制程序邏輯圖

安裝于四個方向上的光敏電阻感應相應方向的光源強度，經(jīng)電路邏輯比較后輸出信號至PLC。

3.1.2 光源自動跟蹤程序設計

PLC接收定義為“東”“西”“北”“南”的4路信號，分別控制光伏電池組件的運動機構(gòu)作水平和垂直方向運動，使得光伏電池組件自動跟蹤對準光源。圖4為光源自動跟蹤程序邏輯圖。

3.2 側(cè)風偏航控制程序設計

模擬風場工作后，控制器檢測風速儀的轉(zhuǎn)速信號，當風速超過規(guī)定值時，控制器提供給PLC超風速信號，啟動風力發(fā)電機作側(cè)風偏航運動。當風速從高于規(guī)定值降到規(guī)定值以下時，風力發(fā)電機作撤銷側(cè)風偏航運動，尾翼恢復到初始位置。圖5為側(cè)風偏航自動控制程序邏輯圖。

4 裝置仿真

在實驗室環(huán)境中，分別點亮不同投射燈和設定其照射角度，通過三種特殊狀態(tài)模擬運行，可以得到對應的輸出特性曲線。三種狀態(tài)下的伏安特性曲線和輸出功率曲線如圖6所示，曲線a，電池組件正對一盞投射燈；曲線b，電池組件最大限度側(cè)對兩盞投射燈；曲線c，電池組件正對兩盞投射燈。

圖6 三種狀態(tài)下的伏安特性曲線和輸出功率曲線

5 結(jié) 語

充分結(jié)合當前社會對風光互補發(fā)電和相關(guān)人才培養(yǎng)的需求，通過對實訓裝置的搭建和模擬實驗，使實訓人員能夠更直接理解并掌握該裝置的整個轉(zhuǎn)換過程。通過不同狀態(tài)下的模擬仿真，對不利條件下發(fā)電效率進行綜合分析，有利于指導生產(chǎn)實踐。不僅夯實了實訓人員的理論基礎(chǔ)，同時也極大地提高了參與人員的實踐能力，對風光互補發(fā)電教學工作和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。實訓裝置在MPPT控制這一塊還需做更深入研究，以期使發(fā)電效率進一步提高。