风能太阳能互补发电系统

【摘要】在当前可利用的几种可再生能源中，风能和太阳能应用比较广泛。利用它们在多方面的互补性，可以建立起更加稳定可靠、经济合理的能源系统——风光互补发电系统。本文分析了该系统的优势，并对该系统内的主要部分进行了分析，论述了该系统的具体功能。总之，无论怎样的环境或者用电需求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案。

【关键词】风电；风光互补发电

一、引言

在当前可利用的几种可再生能源中，风能和太阳能是目前利用比较广泛的两种。同其它能源相比，风能和太阳能有着其自身的优点，但也存在着一些弊端：⑴不论是风能还是太阳能都是一种能量密度很低的能源，给推广利用带来了困难。⑵能量稳定性差，不论风能还是太阳能，都随天气和气候的变化而变化。虽然各地区的太阳辐射和风力特性在一较长的时间内有一定的统计规律可循，但是风力和日照强度无时无刻都在不断地变化。不但各年之间有变化，甚至在短时间内还会出现无规律的脉动。这种能量的不稳定性都对这两种能源的开发和利用带来了困难。但是将风能、太阳能综合利用，充分利用它们在多方面的互补性，可以建立起更加稳定可靠、经济合理的能源系统。

二、风光互补发电的提出

太阳能和风能是最普遍的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强：在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性为风光互补发电系统的建立提供了很好的条件与保障。

当风能、太阳能单独用于发电系统时，由于风能、太阳能的稳定性较差，为了能够提供连续稳定的能量转换输出，无论是光伏供电系统还是风力发电系统，都需要引入能量存储环节用以调节系统运行过程中的能量供需平衡。虽然风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后能够稳定供电，但系统每天的发电量受天气的影响很大，会引起系统的供电与用电负荷的不平衡，从而导致蓄电池组处于亏电状态或过充电状念，长期运行会降低蓄电池组的使用寿命，增加系统的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节可以通用，所以建立风光互补发电系统在技术应用上成为可能，同时可以减少储能设备——蓄电池的设计容量，一定程度上消除了系统电量的供需不平衡，从而即降低了系统初投资也减轻了系统维护工作量。因此，风光互补发电系统是一种合理的独立供电系统。

三、风光互补发电系统

风光互补发电系统的结构如图3-1所示。整个系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和光伏发电部分，分别将风力、日照资源转化为电力能源；能量的存储环节由蓄电池来承担，如前文所述，引入蓄电池的主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量消耗环节就是各种用电负载。另外，基于系统优化设计的考虑，为了增强系统供电的不间断性，可以考虑引入后备柴油机，后备柴油机的选配很大程度上还是根据当地的风力、日照资源条件确定的。一般情况下，适当地增大风力机、光伏阵列或蓄电池的容量完全可以免去柴油机。

图3-1 风光互补发电系统结构

1、风力发电机组

风力发电机组进行发电时，要求输出频率保持恒定。可以采用两种方法：一种是保持发电机的恒定转速，因为发电机由风力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这肯定会影响到风能的转换效率；另一种是发电机转速随风速变化，通过其它的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。可用于风力发电的变速恒频发电方式有多种，各自都有自己的特点，适用于各种不同场合。在风光互补发电系统中，风电机组采用交流/直流/交流的运行方式同光伏方阵联合运行。风电机组发出的电能经整流器将交流变换为直流，而后再通过逆变器变换为频率恒定的交流电供负载使用。在直流环节，风电机组发出的电可直接供给直流负载，而且多余的电能可以对蓄电池进行充电。另外，在风光互补发电系统中，通过合理的蓄电池组匹配来实现运行过程中风能的高效利用。

2、光伏阵列结构

风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏阵列由一系列的太阳电池经过串、并联后组成。太阳电池是光伏发电的最基本单元。

3、蓄电池

在风光互补发电系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。因此，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。目前使用最多的是铅蓄电池。其的主要缺点是耐过充电和过放电能力较差，而太阳能、风能发电随机性强，稳定性差，因此在发电系统中很难保证对蓄电池有规律地充放电。所以在风光互补发电系统中，如果对运行中的蓄电池充放电的控制和保护方法不得当，极易造成蓄电他的损坏。因此，蓄电池充放电控制与过充电和过放电保护是风光互补发电系统运行控制的主要部分，换言之，整个风光互补发电系统的运行控制围绕蓄电池的有效充放电控制与保护进行。

4、风电互补发电系统的运行控制

为使系统稳定可靠地运行，必须依据控制参数进行相应的控制。通过对控制参数进行监测来判断系统所处的工作状态，而后确定对系统的哪些环节进行控制调节来保证系统稳定、可靠地运行。整个系统由能量产生环节（包括风电机组、光伏阵列）、能量存储转换环节（蓄电池）和能量消耗环节（负载）组成。其中蓄电池是系统能量转换的枢纽，也是系统正常运行的保障。因此控制调节的对象就转移到能量产生环节和能量消耗环节上。即在系统运行中，需要根据蓄电池状态判断来决定对风电机组、光伏阵列进行有效的控制调节来确保系统长期稳定工作。

对能量产生环节的控制，也就是调节系统的输入功率。使蓄电池保持在浮充状态。将继电器、电子开关或是线性控制设备，串联引入到电路中。为了延长使用寿命，最好选用集成电路。当蓄电池电压上升到浮充电压时，控制部件断开蓄电池与充电设备的连接，若是使用线性控制部件，则控制充电电流按照一定规律减少，直到输入电流满足蓄电池保持在浮充状态的要求为止，从而达到稳定状态。为满足蓄电池浮充电要求，还可通过快速接通和断开一个串联开关来实现。

通过调节串联开关的接通及断开时间可以保证蓄电池在浮充期间的平均输入电流满足浮充电的需要。很显然，这种情况下要求采用的串联开关有足够快的切换速度，这对机械开关而言是难以实现的。但下列二种方案则是可取的：（1）当蓄电池端电压达到或略微超过浮充电压时，断开串联开关；在蓄电池电压显著下降以前不接通开关。这样就避免了开关的频繁切换，但会导致大功率输入时充电不足。因为这种充电方式会形成大的脉动电流，在蓄电池已部分充电的情况下会产生剧烈电池反应析出气体（正极为氧气，负极为氢气）并使蓄电池端电压迅速上升；（2）将电源分成若干部分，每一部分都有自己的控制继电器。当蓄电池端电压因浮充不断上升时，使充电设备各部分逐渐断开，系统在理想均衡电流的上下两个电平之间循环。

四、控制系统的具体功能

1、系统状态监测：即对系统运行参数进行监测，如蓄电池电压，负荷需求，太阳辐射强度等，这些数据一方面用于系统运行控制，另一方面也可以提供给上层管理层使用；

2、能量管理：主要负责处理系统的供电模式切换及负荷控制问题。由于系统电能来源于风电、太阳能及蓄电池，故需要根据日照状况，风能密度，蓄电池充电状况和负荷需求来灵活地调节各部分对外供电的比例，同时需要具有一定的保护功能，如在蓄电池过放电和过充电时，需要切除部分负荷或者有选择地暂停风能或太阳能发电系统的运行：

3、充放电控制：实现蓄电池组的充放电控制。由前文分析可知，系统运行的费用很大程度上取决于蓄电池的寿命，电池的寿命很大程度上取决于能否工作在100%的容量状态附近，以及在放电后能否快速地恢复到该状态，对蓄电池组进行有效的充放电控制会大大减少系统的运行成本；

4、参数设定：实现发电系统运行参数的设定，如各种保护极限，控制状态切换值等，该部分功能既可以通过本地操作面板来实现。

五、结论

利用太阳能和风能在时间上的互补性，从而建立的风光互补发电系统。该系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证发电系统的供电可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

参考文献：

[1]张源，我国新能源发电技术现状与发展，中国能源，1997（7）：1’4.

[2]吴昌伦，中国可再生能源发展展望，中国能源，1997（3）：42’44.

基金项目：

2011年度河北省社会科学发展研究课题：城镇建筑的太阳能、风能综合应用（NO.201102208）。