电力电子技术在风光互补发电系统中的应用

【摘要】新型可再生能源的应用正日益广泛地用作传统大型中心电站的补充和替代。本文阐述了电力电子技术在风能、太阳能发电中的应用、现状及未来的发展趋势，同时阐述了电力电子技术在风光互补发电系统中的应用，以及风光互补可再生能源的发展前景。

【关键词】电力电子；风光互补；发展应用

1.前言

地球常规能源的逐渐枯竭，室温效应等环境污染，已影响到人类的生活质量和生存空间。节能和新能源的开发已成为当前社会的热门课题。在诸多新能源中，太阳能和风能发电技术是可再生能还原利用的重点，两者在转化利用过程中都受季节、气候等诸多因素影响，但它们的变化趋势基本相反，因此一种新的风光互补发电技术应运而生[3]。

风光互补发电是一种将光能和风能转化为电能的装置。由于太阳能和风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的间断不平衡、不稳定。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，既可保证风光系统的供电的可靠性，又可降低发电系统的造价[10]。同时，风光互补系统是一套独立的分散式供电系统，可不依赖电网独立供电，不消耗市电，不受地域限制，既环保又节能，还可以作为一道电压的风景为城市景观增资添彩。本文通过对风光互补发电系统和控制器等工作原理的分析，以及电能转换的实际工程的体验，进一步认识电力电子在风光互补发电系统中的重要作用。

2.太阳能发电系统中的电力电子技术

2.1 太阳能发电系统

太阳能唾手可得而不会引起任何污染，不会破坏生态平衡，因而越来越受到各国重视。太阳能发电又称光伏发电，一般由光伏整列、控制器、变送器、蓄电池组等部分组成。光伏整列所发的电力为直流电，除特殊用电负荷外，均需通过逆变器将直流电变化为交流电。并网光伏发电系统主要以电流源形式并网，其输出电流的相位跟踪电网电压相位变化，同时调整输出电流幅值大小，使光伏发电系统诸如电网的功率最大。为了弥补光伏发电功率的波动，还需要通过控制器实现蓄电池组的双向充电控制，以保证向负电荷实现平稳供电。

2.2 太阳能的光伏发电原理

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势高，N区电势低，从而在外电场中产生电压和电流，将光能转换成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类：一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正玹交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中[2]。

3.风能发电系统中的电力电子技术

3.1 风能发电系统

风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。风能也源于太阳能，是由于太阳能造成气球表面空气温度不均匀导致空气运动而具有的能量[2]。风力发电是世界上增长最快的可再生能源之一。风力发电主要应用在下面两种场合：一种为大型风力发电机组或风力发电厂，通常可以与电力系统并网；另外一种为小型风力发电机组，通常配备蓄电池，提供一些独立系统的电力和能源供应，如边远地区的家庭电力供应、岛屿、信号站、通信站和天文台气象数据监测站等。

3.2 风能的风力发电原理

风电市场的主流机型是基于双馈感应发电机的变速风电机组和基于永磁同步发电机的变速风电机组。双馈风电机组的定子直接接入电网，转子通过部分功率变频器接入电网，根据风力机转速的变化，在转子中通以变频交流的励磁电流，实现发电机组的有功和无功的解耦控制，使风电机组具有变速运行的特性，提高风电机组的风能转化效率。基于永磁同步发电机的变速风电机组通过全功率变频器接入电网，使变速同步风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控制系统和控制策略。一种转速取决于风速的风力发电技术已经被应用到风力发电市场上，这是为了尽量大的获取有风力提供的能量。可变速风力涡轮发电机技术每年可以捕获的能量比定速技术高5﹪，产生的无功功率是可变的，使电网电压得到很好的控制。同时，由于快速处理大功率半导体器件技术与计算机实时控制技术的发展变化，产生了低功耗和电网兼容性高的变流器，使近年来变速风力涡轮发电机得到很大发展。

4.风光互补发电系统中电力电子技术的应用与展望

4.1 风光互补发电系统

风光互补系统由光伏电池组件（太阳能电池板）、风力发电机组、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分组成。风光互补系统的混合功率，为风电的额定功率加光伏电池的峰值功率，它们共同向蓄电池组充电。控制器控制着风电和光电最大程度地发挥各自的效能，同时又要保证不会对蓄电池过充电，能稳定电压，使系统在恒压充电状态下工作。该系统无污染、无噪音，不产生废弃物，是一种自然、清洁的可再生能源[1]，如图1。

4.2 风光互补发电系统的原理

风光互补发电照明系统主要为夜间照明使用，主要以直流12V或24V供电。其照明控制采用两种工作模式，即纯光控模式和光控+定时模式。两种模式的设定和控制是通过路灯控制器的拨码来实现。风光互补发电照明系统可以对风力发电机、太阳能电池板和蓄电池提供多种模式及保护，使系统更可靠的长久工作。其程序是：(1)有风时“风力发电机”工作；(2)有日光时“太阳能电池”工作，并将电能通过“控制器”变压、整流输送到“蓄电池”，“蓄电池”将直流电经过“灯光控制器”输送到路灯工作；(3)当“蓄电池”过度充电时，“风力发电机”和“太阳能电池”发出的电能，则通过“控制器”到“直流卸载”[6]。

4.3 风光互补供电系统的主要应用领域

4.3.1 风光互补太阳能组合可以降低LED灯制造价格

风光互补太阳能LED组合灯具采用了以频率为基准参考点的多路恒流输出的控制器，使供电系统更具稳定性和可靠性，采用了自主研发的太阳能散热装置，利用自然通风原理对光源体进行冷却，LED光源板采用了新颖的拱形结构设计，散热效果良好。同时采用了自主研发的新型微风风力发电机和活动叶片式高效风轮机，降低了LED灯的造价[8]。

风光互补路灯工作原理是利用自然风作为动力，风轮吸收风的能量，带动风力发电机旋转，把风能转变为电能，经过控制器的整流，稳压作用，把交流电转换为直流电，向蓄电池组充电并储存电能。利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或者贮存于蓄电池内备用。风光互补型路灯结构由太阳能电池组件、风机、太阳能大功率LED、LPS灯具、光伏控制系统、风机控制系统、太阳能专用免维护蓄电池等部件组成，还包括太阳能电池组件支架、风机附件，灯杆，预埋件，蓄电池地埋箱等配件，如图2。

4.3.2 风光互补供电系统在通信基站中的应用

随着手机的普及，对手机信号的覆盖率也提出了很高的要求，对于幅员辽阔的草原和山区要想做到信号全面覆盖就要建立大量的基站，这些基站大都处于国家电网没有覆盖的地区。如果通过引入市电来开通基站实现无线信号的覆盖，需要花费大量投资。因此，风光互补供电系统是解决边远地区通信基站供电的最好方案之一，不仅在投资方面可以与引入市电相当或者略低，而且每年可以节省大量电费开支，并减少二氧化碳的排放，为节能和环保做出贡献[4]。

4.4 风光互补供电系统的发展趋势

全球节能成为共识，安防节能责无旁贷[9]。所以，未来风光供电趋势应从以下几个方面发展：

(1)中小型风力机与太阳能电池结合作为最合理的独立电源可开发更多的应用领域，包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补增氧系统、风光互补供暖系统、风光互补海水系统、放光互补景观照明系统等等。随着中小型风力发电机产品的多样化，风光互补独立供电系统在市政项目、边防哨所、偏远地区都有着极广的应用前景；

(2)中小型风力发电机并网发电系统[7]。众所周知，德国和日本的太阳能屋顶计划大大促进了太阳能电池产业的发展，但在英国等阳光资源不好的国家，正在推广风力发电机屋顶发电计划。在家庭安装中小型风力发电机并网发电，可节省输配电系统，改善电网结构，是分布式电源的理想方式。

(3)储能技术是风光互补发展的新方式。电网是平衡电源和负荷的，对于电网来说两端都随机而变为不可控，就必须发展一种电池储能技术来解决这个问题。电网改造方式的发展趋势是削峰填谷，通过储能技术让电网由功率传输向电量传输方向转型。储能技术是比较复杂涉及多学科，而且是不断更新换代的战略性技术[5]。

5.结论

(1)在可再生能源并网中，新的电力电子技术扮演者非常重要的角色，能提高清洁能源并网运行控制能力。风力发电和光伏发电并网变流器具有软并网、软解列、有功与无功解耦控制和电能质量控制等多重功能，大容量集中式储能和V2G式分布式储能为消纳更多的可再生能源提供了可靠的保障。智能电网中的大规模风力发电、太阳能发电以及发电厂风机水泵的变频调速都离不开电力电子技术。其中大功率电力电子技术可以实现电能的变换和控制，是实现风光并网更加灵活和可控的关键技术之一。

(2)人类为使居住环境不再受污染，风能和太阳能将是今后世界能源的必然选择。目前，利用太阳能和风能在不同的季节、时间上互补特点发展起来的风光互补发电照明技术已逐步完善，且正以前所未有的速度和力度迅速在全世界发展与推广。

(3)“风光动力”并网型风光互补发电系统主要利用3kw-30kw功率风机，这种发电系统不需要蓄电池储存电力，降低了发电成本，是在有电网地区利用风光互补供电系统向电网输送电力，可以减少常规能源发电，从而减少CO2排放，尽量使用可再生能源发电。

参考文献

[1]李斌等.电力系统自动装置[M].高等教育出版社,2007(03).

[2]技术资讯.太阳能与LED结合创造绿色新能源[J].电源技术,2012(02).

[3]苏亚欣等.新能源与可再生能源概论[M].化学工业出版社,2008(11).

[4]技术资讯.风光互补独立供电系统在通信基站中的应用[EB/OL].中国电子技术应用网,2012(3).

[5]孙克成等.运动机械和风能的组合发电及储能系统设计[J].科技风,2011(12).

[6]技术资讯.风光互补发电系统的原理[EB/OL].风光互补应用网,2011(10).

[7]技术资讯.中小型风力发电及风光互补新能源产业发展历程[EB/OL].风光互补应用网,2010(03).

[8]技术资讯.风光互补太阳能组合降低LED灯制造价格[EB/OL].照明网,2011(07).

[9]技术资讯.风光供电安防节能初潮涌起[EB/OL].风光互补应用网,2010(01).

[10]邓隐北.电力电子技术在风光互补发电技术中的应用[J].电源技术世界,2010(11).

作者简介：

郭芙琴（1965—），女，陕西富县人，学士，副教授，现供职于延安职业技术学院，研究方向：电工与电子。

陈景翠（1986—），女，陕西富县人，硕士，助理讲师，现供职于延安职业技术学院，研究方向：电路与系统。