分布式风光互补发电系统应用前景展望

摘要：目前风电和光伏发电系统应用都比较广泛，技术相对成熟，分布式风光互补发电技术的发展弥补了独立风电和独立光伏系统的不足，在资源条件和技术应用上具有较好的互补特性，能够向电网提供更加优质稳定的电能，减少对电网的冲击，提高经济效益。本文介绍了分布式风光互补发电系统的组成，分析了其的运行情况，并指出分布式风光互补发电系统具有的良好应用前景及发展方向。

关键词：风电；光伏；分布式；风光互补；发电系统

一、引言

常规化石能源的枯竭和碳排放压力的增加，使众多发达国家加强了对清洁能源技术的开发，并不断取得了突破性进展。无论从缓解能源危机、减少环境污染、保护人类生存环境、合理开发利用自然资源角度，还是从经济和社会发展的要求，开发利用可再生能源都有着极其重要的现实意义。从长远看，用洁净的可再生能源替代常规化石能源，不仅是人类的美好愿望，也是能源发展的必然趋势。

经过近几年政策的扶持和企业自身的发展，我国在风电和光伏领域的技术日益成熟，产品可靠性逐步提高。相对传统的化石能源，光伏发电系统虽然清洁，但造价相对高，且受日照时间影响；而风电系统虽然系统造价低，运行维护成本低，但质量可靠性也相对较差。另外，风电和光伏能源也有着清洁能源无法回避的缺点，那就是能量密度低、能源稳定性差和输出线性度低。不论是风电还是光伏，其短时间内的风力和日照强度的变化无明显规律，其输出电能都与短时天气和季节性气候的变化密切相关，单独的规模性风电和光伏发电系统对电网冲击较明显。因此，将风能、太阳能综合利用，充分利用双方的互补性，并均匀分布在电网各节点，可以建立起基本稳定、经济合理的电源输出系统，并减少对电网的冲击。

二、风光互补发电系统组成

风光互补发电系统是由风电部分与光伏部分共同组成的供电系统，主要由风力发电机组、光伏电池组件、蓄电池、逆变器、控制器、交流直流负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，能很好的克服风能和太阳能提供能量的随机性和间歇性的缺点，将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。

电能产生环节由风力发电部分和光伏发电部分组成。当风力达到一定风速时，利用风力发电机将风能转化为机械能，再转换为交流电能，由于产生的交流电压不稳定，谐波较多，需要通过整流器整流，给蓄电池充电。当日照条件允许时，利用太阳能电池组件的光伏效应将光能转换为直流电能，然后对蓄电池充电。

电能存储消耗环节包括存储和消耗两部分。存储部分由多块蓄电池组成，起着储存和调节电能的作用，当风电和光伏产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来；当系统发电量不足或负载用电量增加时，则由蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。电能的消耗部分主要由直流负载、交流负载组成，直流负载可由蓄电池直接供电，也可通过升压或降压电路提供所需要的直流电压；对于交流负载则需将蓄电池输出的直流电逆变为交流电供电，同时逆变回路还具有自动稳压和滤波功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

电能变换控制环节由电流变换器、 控制电路等部分构成，是发电系统的核心环节。交流风机输出的三相交流电需经整流后进入变换器，直流风机、太阳能电池板输出直流电经过稳压后直接送入变换器。控制电路根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，并把蓄电池的电能送往负载，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证风光互补发电系统工作的连续性和稳定性。

风光互补发电系统可以利用风能、太阳能的互补特性，获得比较稳定的总输出，提高发电系统的稳定性和可靠性。在保证同样供电量的情况下，，通过合理的设计与匹配，可减少一半储能蓄电池的容量，并提高蓄电池的使用寿命。

三、风光互补发电系统运行模式

风光互补发电系统无需其他电源设备，可以保证一个完整的电力供应系统。根据风力和日照条件变化情况，风光互补发电系统可以在三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

按系统规模和应用环境不同，又可分为以下几种模式：

1.分布式风光互补发电系统

小型家用型风光互补发电系统作为非并网分布式风光互补发电系统，广泛应用于电网暂未覆盖的牧区和农村，以保证他们的用电需求。其优良的性能和可靠性，得到了广大用户的好评。以内蒙古锡林浩特市为例，该市牧区2010年通过政府补贴的方式安装了500多套独立的家用风光互补发电系统，不但能够满足白天的电能供应，所储存起来的电能还能够满足夜间照明和不良天气时的应急。

屋顶风光互补发电系统作为并网型分布式风光互补发电系统也得到了广泛的应用。在实际应用中，不但能够满足普通居民用户用电的需求，还能够充分利用屋顶资源，减少土地资源的占用，降低屋顶的升温，缓解用电高峰等优点。

市政型风光互补发电系统其实质也是分布式风光互补发电系统，广泛应用于城市市政供电。如车站、道路或公共场所中的路灯、庭院灯、草坪灯，高速公路的路灯、信号灯等。风光互补发电系统采用全方位优化设计，造型美观，不仅可美化城市照明环境，成为一道靓丽的风景线，同时降低了城市能源的消耗，倡导了清洁能源利用新风尚。市政型风光互补发电系统起动风速低，设置了大风限速保护系统和集电环装置，充分利用风能；不需要输电线路，不消耗电能，减少配置，降低成本，经济效益好；安装维护简单方便；系统电压低于36V，符合安全用电标准；具备免解缆功能，能实现无人值守，使用安全方便。

2.大型上网型风光互补发电站

大型上网型风光互补发电站出于建设和运营成本考虑，对现场的风力和日照条件的互补程度要求相对较高，如我国辽东半岛沿海、渤海沿岸、山东半岛沿海、黄河沿岸风能、太阳能在季节变化上呈现互补性；而在东南沿海地区风能、太阳能在季节变化上呈现出了同步性。在大型并购型风光互补发电站的选址过程中应做好风能、太阳能资源的勘测统计工作，掌握当地风能、太阳能资源和其他天气及地理环境数据，选取风能、太阳能资源丰富且具有互补性的地域开发建设；在运行中应根据风能、太阳能的季节性特点合理调整运行方式，以保证风能、太阳能资源的合理利用。

四、风光互补发电系统普及障碍

风光互补发电系统作为清洁能源的发展趋势，是能源技术进步的标志，若能够将大型并网型风光互补发电系统作为清洁能源的主要方式，将分布式风光互补发电系统作为辅助方式，对降低化石能源的使用，保护环境具有非常深远的意义，但是目前多方面的不利因素一定程度上影响了这种新型发电系统的普及。

1.新能源产业规模与市场需求倒挂

随着国家清洁能源产业政策的导向，越来越多的地区将风电和光伏行业作为带动地区经济持续发展的主要动力，同时也大大促进了风电和光伏制造业规模和技术的发展。但目前国内光伏产业仍然停留在粗加工阶段，本国生产，他国销售，主要从事的还是电池片的制作以及其他一些基础性部件的组装处理，很多关键性的技术都要依赖进口引进。尤其是在能量的消耗以及可持续利用环节上的控制中，还需进行不断提高。另一方面，部分地区风电和光伏发展体量与自身经济体量不匹配，市场投资又空前繁荣，产业规模和投资规模的不断扩张和不成熟市场经济的矛盾一直伴随着我国制造业的发展， 一旦政策导向局部调整又将会引发新能源设备制造业和发电企业产能双双过剩的阵痛。

2.独立式风电和光伏发电系统盈利空间有限

目前我国风电场的盈利水平尚可，但因为送出卡脖子现象，东北、西北和华北地区弃风甚至垮网现象时有发生；而光伏发电因光电转换效率较低，发电利用小时低，导致光伏发电成本过高，前几年投资的部分大型光伏电站一直处于亏损边缘。总之，风电和光伏发电系统在现阶段还是靠较高的上网电价维持自身的正常运转，其成本压缩空间和价格竞争压力较传统能源不具可比性。相对独立式风电和光伏发电系统，大型风光互补发电站对自然条件的要求更加严苛，因此投资显得谨慎得多。

3.分布式风光互补发电系统的推广力度有待加强

分布式风光互补发电系统虽然在自然资源有效利用和受电网影响方面比独立的风电和光伏发电系统具有较大优势，但投资主体一般为普通居民或小型企业，对国家清洁能源政策的敏锐性相比国有大型发电企业还存在一定的差距；另一方面因为系统规模较小，相对来说发电成本较高。分布式风光互补发电系统的普及和推广还需要设备制造企业和社会各界加强推广和宣传力度，本着先易后难的原则，可从市政路灯工程入手，美观节能的分布式风光互补路灯工程也是一种宣传策略。

欣慰的是，2014年9月，国家对分布式光伏电价补贴价格在2013年下发《关于分布式光伏发电实行按照电量补贴政策的通知》（财建[2013]390号）的基础上又提高了0.1元/kWh，有理由相信这一利好政策同样有利于将来分布式风光互补发电系统的推广和应用。

五、分布式风光互补发电系统前景展望

分布式风光互补发电系统具有良好的应用前景，它弥补了独立风电和光伏发电系统的不足，能够向电网提供更加优质的电能，推动了我国节能环保事业的发展，同时有助于资源节约型和环境友好型社会的建设。

在远离电网的边远地区，分布式风光互补发电系统已经成为人们最需要的供电方式，如部队边防哨所、地质勘探和野外考察工作站、公路和铁路信号站、通讯中继站、远航渔船、野外便携设备、偏远的农牧民区等都需要低成本、高可靠性的独立电源系统。分布式风光互补发电系统特别适用于风力和阳光资源都丰富的地区如草原、沙漠、山区、林场、海岛、渔排、渔船等；还用于城市的住宅小区和环境工程，如广场、公园、公共设施、照明路灯、庭院、草坪、景观灯广告牌等。据了解，近期马来西亚某公司在湖南、湖北、贵州等省的开发园区布局推广分布式风光互补路灯工程，该项技术在高速公路、风景名胜区和市政部门的推广，不仅能强化市民的节能环保意识，又兼具美化环境的社会效益。

为了促进分布式风光互补发电系统的进一步发展，使其更具竞争力，我们要在气象、勘测、数学等多方面取得突破，积累基础数据，在应用中逐步形成较完善的可再生能源技术支撑体系，进一步拓展其应用领域，为其他可再生能源的大规模综合开发和利用奠定基础。

随着光伏组件和小型风电机组价格的降低、并网技术和控制技术的日益成熟、超级电容和蓄电池技术的发展，分布式风光互补发电系统的成本将逐步降低，因其自身诸多优点将会在更多领域得到了广泛应用。我希望在不久的将来能看到分布式风光互补发电系统作为小康家庭的标准配置在越来越多的普通城镇居民家中安家落户。

参考文献：

[1]《风光互补发电实用技术》.电子工业出版社.周志敏，纪爱华编著

[2]孙楠，邢德山，杜海玲.风光互补发电系统的发展与应用[J].山西电力，2010（04）.

[3]程军.风光互补智能控制系统的设计与实现[M].中国科学技术大学，2009.