風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1、5. 3.1風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計風能和太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點，并受到地理分布、季節(jié)變化、 晝夜交替等影響.然而太陽能與風能在時間上和地域上一般都有一定的互補性，白天 太陽光最強時，風較小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化 大而風能 加強.在夏季，太陽光強度大而風??；冬 季，太陽光強度小而風大。太陽能發(fā)電穩(wěn)定 可靠，但目前成本較高，而風力發(fā)電成本較低，隨機性大，供電可靠性差。若將兩者 結(jié)合起來，可實現(xiàn)晝夜發(fā)電.在合適的氣象資源條件下，風光互補發(fā)電系統(tǒng)能提高系 統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，在很多地區(qū)得到了廣泛 的應(yīng)用.如圖5.1為某地10月份某日典型的太陽能和風資源

2、分布，因此采用風光互補發(fā)電 系統(tǒng)，可以彌補風能和太陽能間歇性的缺陷。圖5. 1某地10月份典型日太陽能和風能資源分布圖風光互補發(fā)電 的優(yōu)勢：(1) 利用風能和太陽能的互補性，彌補了獨立風電和獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，可以 獲得比較穩(wěn)定的和可靠性高的電源。(2) 充分利用土地資源。(3) 保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。(4) 對系統(tǒng)進行合理的設(shè)計和匹配，可以基本上基本上由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，獲 得較好的經(jīng)濟效益。5)大大提高經(jīng)濟效益。風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分(1)發(fā)電部分：由一臺或者幾臺風力發(fā)電機和太陽能 電池陣列構(gòu)成風一電、光一電發(fā)電部分，發(fā)電部分輸出的電能通過充電控制

3、器與直流中 心完成蓄電池組自動充電工作。(2) 蓄電部分：蓄電部分主要作用是將風電或光電儲存起來，穩(wěn)定的向電器供電。蓄 電池組在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。(3) 控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由風能和太陽能充電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成，完成系統(tǒng)各部分的連接、組合及對蓄電池組充放電的自動 控制?？刂萍爸绷髦行木唧w構(gòu)成參數(shù)由最大用電負荷與日平均用電量決定。(4) 供電部分：供電部分不可缺少的部分是逆變器，逆變器把蓄電池儲存的直流電轉(zhuǎn) 換為交流電，保證交流負載的正常使用。同時，還有穩(wěn)壓功能，以改善風光互補系統(tǒng)的 供電質(zhì)量。圖5.2風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計一個

4、完善的風光互補發(fā)電系統(tǒng)需要考慮多種因素.如各個地區(qū)的氣候條件，當 地的太陽輻照量情況，太陽能方陣及風力發(fā)電機功率的選用，作為儲能裝置蓄電池的 特性等.因此，必須選擇建 立一些先進的數(shù)學模型進行多種計算，確定合理的太陽能 電池方陣和風力發(fā)電機容量，使系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)化.數(shù)學模型計算1蓄電池容量計算蓄電池的容量C通常按照保證連續(xù)供電的天數(shù)來計算：nWd式中：n蓄電池連續(xù)供電的天數(shù)（根據(jù)當?shù)靥柲芎惋L能的氣象 數(shù)據(jù)確定），般為25 d；U DOC max x %址Wd為日耗電量，kWh；U系統(tǒng)工作電壓，一般為24 V或12 V；DOC max蓄電池最大放電深度，一般取40%；out 由蓄電池到負載的放電

5、回路效率，包 括蓄電池的放電效率、控制器的效率及線路損耗等，一般 out為95%98%。2不同地點和不同高度的風速計 風速隨高度的變化情況，地面的平坦度、地表 粗糙度，以及風通道上的氣溫變化情況的不同而有所差異。風速隨高度而變化的經(jīng)驗公式很多，通常采用指數(shù)公式，即式中:距地面高度為h處的風速，m/ s；11/101 高度為hl處的風速，m/ s；風切變指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和 地面粗糙度，其值約為1/21/8對 于地面境界層，風速隨高度的變化則主要取決于地面粗糙度，這時一般取地面粗糙度 作為風切變指數(shù).3.風力發(fā)電量的計算對于小型風力發(fā)電 機，日發(fā)電量計算公式如下：E Ei E2Ei Pn

6、hi i / h式中:E當月發(fā)電量,kWh ；Ei, E2 風力發(fā)電機在不同風速段的發(fā)電量，kWh；當時風速，m/s；風力發(fā)電機啟動風速，m/s；風力發(fā)電機額定風速，m/s；風力發(fā)電機停機風速，m/s；Pn風力發(fā)電機額定功率，kW ；hi該月中與i相對應(yīng)的小時數(shù)；選擇風機容量應(yīng)是負載需求的23倍，最后用上式來計算風機的日發(fā)電量。4.太陽電池組件容量太陽能電池所發(fā)電量應(yīng)為負載所需總電量與風機所發(fā)電量的差， 并且以太陽能的發(fā)電量來確 定太陽能電池板的容量。太陽能電池板每月發(fā)容量的數(shù)學 公式：H Ti m Fti Fp Fs F Fo A z si3.6式中：E si太陽電池組合板第i月發(fā)岀的電能，

7、kWh；H Ti組合板平面第i月單位面積上接受的輻射量，MJ/m2 ；m 組件的轉(zhuǎn)換效率，通常為8%16%；Fti第i月組件轉(zhuǎn)換效率的溫度修正因子；Fp組件的封裝因子，有效電池面積與組 件總面積之比，通常Fp 0.8；Fs積塵因子，組件表面積塵時的發(fā)電量與表面完全清潔時的發(fā)電量之比，對于戶用系統(tǒng)Fs取1；F組件未工作在最大功率點處影響組件輸出功率的系統(tǒng)性能失配因子，一般F=0. 954.Fo由于材料老化、性能下降等其它因素影響組件輸出功率的修正因子，一般F0a 0.98 ；A 太陽能電池板的總面積，m2 o通過計算出的太陽電池板的總面積來確定太陽 能電池板的容量。風光互補控制器風光互補控制器是

8、專門為風能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的；集風能控制、太陽能于 一體的智能型控制器。充分利用風能和光能資源發(fā)電，可減少采用單一能源可能造成的 電力供應(yīng)不足或不平衡的情況。設(shè)備不僅能夠高效率地轉(zhuǎn)化風力發(fā)電機和太陽能 電池板 所發(fā)出的電能對蓄電池進行充電，而且還提供了強大的控制功能。為了更直觀 地遠程觀 察，控制器外殼上除裝有風力發(fā)電機充，放電，太陽能充，放電指示燈外，還裝有液 晶顯示屏，能直接觀察到蓄電池充，放電全過程?？刂破鲀?nèi)部裝有過載保護和超速保 護，使風力發(fā)電機更安全可靠?？刂破鬟€具有光控、聲控、溫度補償及防雷、反極性 保護等功能。風光互補發(fā)電系統(tǒng)按是否并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)發(fā)

9、 電 系統(tǒng)。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般100W到lOOkW。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可達數(shù)千瓦至兆瓦。5. 3. 2離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風力發(fā)電機（將交流電轉(zhuǎn)化為直 流 電）將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，通過輸電線路送到用戶負載 處。是風力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。圖5-3離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法：（1）功率匹配法：在不同的太陽輻射和風速下對應(yīng)的太陽能電池陣列的功率和風力發(fā) 電機的功率之和大于負載功率，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。（2）能量匹配法：在不同的太陽輻射和風速下對應(yīng)的太陽能電池陣列的發(fā)電量和風力 發(fā)電機的發(fā)

10、電量之和大于負載耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計。電量與用電量的匹配設(shè)計離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能首先經(jīng)過蓄電池儲存起來，然后再由蓄電池向 電器供電。所以，必須認真科學地考慮，風力發(fā)電機功率，太陽能電池組件功率與蓄電 池容量匹配和靜風期儲能等問題。目前，離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與蓄電池容 量一般都是按照輸入和輸出相等，或輸入大于輸出的原則二進行匹配的。（1）設(shè)備日用電量計算Qi二Pi*Ti式中：Qi 日用電量；Pi 設(shè)備額定功率；Ti 日用電小時數(shù)。（2）系統(tǒng)總用電量估算Qm 二（Pl+P2+Pi）*Ni*Ti式中：Qm一系統(tǒng)負荷最大日用電量（kW*h ）； 每種相同設(shè)備的額定功率具有相

11、同額定功率的設(shè)備的數(shù)Pi(kW) ； Ni量；Ti該類設(shè)備的日平均使用時間l,2,.n個不同類型的設(shè)備數(shù)(h)； i -量。（3）發(fā)電能力的測算日平均發(fā)電量則是由風力發(fā)電機和太陽能電池組件的發(fā)電能力及當?shù)仫L光資源 狀況決定的。Q二Q1+Q2式中：Q1風力發(fā)電機組的日平均發(fā)電量；Q2太陽能電池組件的日平均發(fā)電量。（4）風力發(fā)電機組供電能力的測算方法計算中假設(shè)風力發(fā)電設(shè)備利用率為100%。具有風頻圖的風力發(fā)電機輸出功率計算公式：Q= （ P1+P2+.Pv） *Tv式中：Q 風力發(fā)電機在計算期間的發(fā)電總量（kW*h ）；Pv在風速v時風力發(fā)電機的輸出功率（W）；Tv 場地風速v的期間累計小時數(shù)（h

12、 ）。如果不能得到風速頻率分布圖，則可用當?shù)氐哪昶骄L速進行估算。用年平均風速值時的發(fā)電機輸出功率值乘以年度總的小時值8760h, EP：Q1二K*8760*Pv式中：Q1年發(fā)電量（kW*h ）；Pv 年平均風速值時發(fā)電機組輸出功率；K修正系數(shù)，取12、1.5。根據(jù)經(jīng)驗，按平均風速計算的發(fā)電量小于實際按風速頻率分布的年發(fā)電量， 因此可按一定的比例進行適度修正（修正系數(shù)取121.5）?？傊?，風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為獨立的電源系統(tǒng)，具有一定的合理性和可靠性，有 著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在遠離電網(wǎng)的地 區(qū)，獨立供電系統(tǒng)已經(jīng)成為人們必須的電源。邊 防哨所、郵電通訊的中繼站、公路、漁船和鐵路信號站、地質(zhì)勘探野外的

13、工作站以及 偏遠的農(nóng)牧民都需要低成本、高可靠性的獨立電源系統(tǒng)；對于城市里的景觀燈、路燈 等，隨著政府對節(jié)能環(huán)保的重視應(yīng)用前景也相當廣闊。5. 3. 3并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法風能和光能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。另外，風 力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。風光互補發(fā)電系統(tǒng)也 可做 成分布式，由風力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、能源變換系統(tǒng)、直流 母線（或交流母線）及能量管理系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)組成，風光互補發(fā)電系統(tǒng)可分為直流 母線 結(jié)構(gòu)及交流母線結(jié)構(gòu)。1. 直流母線結(jié)構(gòu)如圖5-4所示為分布式直流母線控制方式。這種方案的主要優(yōu)點是：第一，只 需對

14、母線電壓進行控制，容易滿足系統(tǒng)性能要求，控制算法相對容易。第二，由于省去 了子系統(tǒng)中的整流部分，因此，系統(tǒng)成本低，易于推廣。第三，采用分布式直流母 線控 制，系統(tǒng)容易擴展，可以滿足用電設(shè)備和發(fā)電設(shè)備增加的要求。系統(tǒng)采用直流母 線，儲 能單元分為長期儲能單元和短期儲能單元。蓄電池是長期儲能單元的最佳選擇，而短期 儲能單元采用開關(guān)磁阻電機飛輪儲能系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適合 高速運行等特點。利用飛輪儲能可以有效地補償由于風速、光照變化以及負荷變化所引起的母線電壓波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低由此而引起的蓄電池的充放電 次數(shù)。對于系統(tǒng)中的交流用電負荷，采用逆變控制單位集中供電。在實際應(yīng)

15、用中，為了 提高系統(tǒng)的適用性，可以非常方便地利用直流母線進行擴展。例如為了進一步提高系統(tǒng) 的可靠性，保證重要用電設(shè)備的正常運行，可以在直流母線上加裝柴油發(fā)電機組，并通 過系統(tǒng)控制部分統(tǒng)一進行能量控制。也可以利用DC/DC變換器向直流用電設(shè)備如無整流模塊的變頻器進行供電，可以降低系統(tǒng)成本、防止諧波污染。5-4分布式風光互補供電系統(tǒng)框圖2. 交流母線結(jié)構(gòu)雖然直流母線控制算法簡單，成本低，易擴展，但對于獨立供電系統(tǒng)和其它任何遠離公 共電網(wǎng)的供電系統(tǒng)而言，重要的是系統(tǒng)能夠進行簡單且經(jīng)濟的擴容。交流母線可以將各 種類型的發(fā)電設(shè)備或負載都連接到同一母線系統(tǒng)上。這樣，無論增加負載，還是增加發(fā) 電設(shè)備，系統(tǒng)都

16、能夠隨意擴容，并且考慮現(xiàn)行設(shè)備的成熟性，所以本項目選取 交流母線 分布式供電系統(tǒng)，交流母線分布式風光互補供電系統(tǒng)如圖5-5所示。圖中IOKW風機、 風機控制器、風機逆變器組成的整體為風機機組部分。2KW太陽能電池 輸出直流，經(jīng)逆 變器轉(zhuǎn)換成交流電，接入AC母線。交流母線可經(jīng)開關(guān)控制接交流負載，或去電網(wǎng)。雙 向逆變器可以將AC母線上的交流變成直流電向蓄電池充電，儲存能量，也可以將蓄電 池的48V直流電接直流負載。5-5 lOkw風機+2kw左右太陽能組成風光互補發(fā)電系統(tǒng)示意圖2.1. 2并網(wǎng)控制系統(tǒng)風能和光能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。另外，風 力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電

17、池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。并網(wǎng)控制更提高了供 電的 可靠性。并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要有三種回路形式：工頻變壓器隔離方式、高頻變壓器隔離方 式和無變壓器方式。1.工頻變壓器隔離方式這種方式是目前大功率下采川最多的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電壓變換和電氣隔離，所以安全性能好、可靠性高。但由于釆用工頻變壓器，系統(tǒng)整體比較笨重，而且效率相 對 較低。其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。并網(wǎng)逆變器一般小型戶用風光互補獨立電源系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系 統(tǒng)，風力發(fā)電系統(tǒng)、逆交 變 儲電系統(tǒng)，充放電控制系統(tǒng)構(gòu)成。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中的關(guān)鍵設(shè)備。5-6工頻變壓器隔離并網(wǎng)系2.高頻變壓器隔離方式該方法采用了帶高頻變壓器DC-DC變換器，將太陽能電 池和風機發(fā)出的電壓變換為滿足并網(wǎng)要求的直流電壓，再經(jīng)過逆變后直接與電網(wǎng)相連。 這種系統(tǒng)體積小、重量輕，適合小功率場合。其結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。5-7高頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)3. 無變壓器方式該方式首先用無隔離的DC- DC變換器將太陽能電池陣列的直 流電壓提升到逆變器并網(wǎng)需要的直流電壓，再經(jīng)過逆變與電網(wǎng)相連。這種方式在尺寸、 重量和效率方面具有更大的優(yōu)勢，因而在并網(wǎng)系統(tǒng)中成為目前研究的熱點和發(fā)展趨勢。 該方式結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5-8