风光互补系统（共11篇）
风光互补系统 篇1
1 风光互补系统设计
1.1 系统组成
风光互补发电系统由风力发电机组、太阳能光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器等组成。
各组成部分及功能如下:
太阳能电池阵列:在金属支架上用导线连在一起的多个太阳电池组件的集合体。太阳能电池阵列产生负载所需要的电压和电流。
风力发电机组:与公共电网不相连、可独立运行的风力发电系统。
能耗负载:持续大风时, 用于消耗机组发出的多余电能。
蓄电池组:由若干台蓄电池经串联组成的存储电能的装置。
控制器:系统控制装置, 主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护, 同时对系统输入输出功率起到调节与分配作用, 并且担负系统赋予的其他监控功能。
逆变器:将直流电转换为交流电的电力电子设备。
直流负载:以直流电为动力的设备, 在基站中一般是各在网运行的通信设备。
交流负载:以交流电为动力的装置或设备, 在基站中一般为空调和照明系统。
1.2 系统工作原理
在风力达到一定的风速时, 风力发电机组将风能转换为交流形式的电能, 但由于所产生的交流电压不太稳定, 所以必须通过整流器整流给蓄电池充电。而光伏方阵由若干太阳电池板串联和并联构成, 其作用是将太阳能直接转换成直流形式的电能, 并向蓄电池充电。蓄电池起着储存和调节电能的作用, 当日照充足或风力很大导致产生的电能过剩时, 蓄电池将多余的电能储存起来;当系统发电量不足或负荷用电量增加时, 则由蓄电池向负荷补充电能, 并保持供电电压的稳定。为此需要设计专门的控制装置, 该装置可根据日照的强弱、风力的大小及负荷的变化, 不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节, 使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行, 以保证风力、光伏及互补发电系统工作的连续性和稳定性。具有上述功能的装置称为控制器。通常控制器还应具有防止蓄电池过充电和过放电的功能。根据不同要求, 有的系统还带有高低压报警和断开、电流电压指示、安时数计量、风力发电机组和太阳电池方阵功率分流调节、自动均衡充电等功能。如果是直流负荷, 并且工作电压和蓄电池电压一致, 就可以直接从控制器输出端引出使用;如果电压不符, 还要增加DC/DC转换功能。如果是交流负荷, 则要用逆变器将直流电变换成50 Hz的交流电, 才能供给负荷使用。有些逆变器还具有自动稳压功能, 以改善光伏和风力发电系统的供电质量或采用最大功率跟踪 (MPPT) 技术, 以提高互补发电系统的效率。
1.3 基站系统设计
设计一个完善的风光互补发电系统需要考虑多种因素。如各个地区的气候条件, 当地的太阳辐照量情况, 太阳能方阵及风力发电机功率的选用, 作为储能装置蓄电池的特性等。因此, 必须选择建立一些先进的数学模型进行多种计算, 确定合理的太阳能电池方阵和风力发电机容量, 使系统设计最优化。
本文以湖北黄冈明山基站为例, 由气候条件和地形, 基站功耗等条件推导风力发电机和太阳能电池方阵的配置。
1.3.1 试点基站情况简介
黄冈麻城明山基站处于地理海拔800m山顶, 外线引入距离近8.5公里。基站无线设备采用中兴I2设备, 传输采用华为SDH, 直流负载电流一般为22A左右, 配置空调1台1.5P空调。
湖北黄冈麻城地区属于太阳能一级可利用区:有效日照时间为2150小时左右, 年晴天日数在180天左右。折合平均每天有效日照时间约为6.0-8.0h, 所以在麻城地区建设太阳能供电系统有着较好的资源条件, 适合光伏发电, 且基站周围有较大的空间, 便于安装新能源设备, 不需征地费用, 建设成本较低。
1.3.2 风力发电量计算
风速随高度的变化情况、地面的平坦度、地表粗糙度以及风通道上的气温变化情况的不同而有所差异, 风速随高度而变化的经验公式很多, 通常采用指数公式, 即V=V1* (H/H1) a。
其中V是距地面高度为H处的风速, 单位:m/s;V1是高度为H1处的风速, 单位:m/s;a是风切边指数, 取决于地面粗糙度和大气稳定度, 其值约为1/2~1/8。
结合当地气象资料和城区海拔差异, 根据上述公式可以计算出山顶每月平均风速, 详见下表:
对于小型风电发电机组, 通常可以用下面的公式计算每月的发电量。
选取风力发电机启动风速3m/s, 额定风速8m/s。由此可以推算出1KW风机平均每月的发电量如下表所示。
其计算公式为Qg=N*P*Ht*1*2
N——当月天数;
P——太阳能电池方阵功率;
Ht——倾斜面上该月太阳能的总辐射量;
η1——输入回路效率;
η2——输出回路效率;
由于我们在实际应用中需要将太阳能电池方阵倾斜放置, 因此需要确定倾斜面上的太阳辐射量, 国际上通常采用Klien, 和Theilacker提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法, 其计算公式为:
R——倾斜面上月平均太阳辐照量与水平面上月平均太阳辐照量的比值;
Hd——水平面上月平均散射辐照量;
H——水平面上月平均总辐照量;
β——方阵倾斜角;
ρ——地面反射率;
式中的D与当地纬度、方位角、日落时角、日出时角、水平面上日落时角等参数有关, 由于这些公式和计算比较复杂, 需要专门编制计算机软件来计算, 此处不详解。
2 系统经济收益分析
由于基站中主设备、空调、开关电源、蓄电池的配置在市电和风光系统的条件下投资差别不大, 因此我们主要比较市电的引入价格和每月的电费与风光互补系统投资。
以本专题中的黄冈明山基站为例, 风光互补系统配置3台1KW的风力发电机和7000Wp的太阳能电池方阵。其中, 风机的单价是0.8万/KW, 太阳能电池的价格是3万/KW, 控制器价格约为2万元。则该风光互补系统的投资25.4万元, 维护费每年0.6万。
若基站使用市电, 假设外电引入的距离为8.5公里, 则报装的价格为12万元, 基站每年的电费约为1.3万元, 维护费每年3万。
则两种建设方式TCO比较详见下表:
由曲线图可以看出, 偏远地区利用风光互补供电解决方案, 在与市电拉远供电解决方案对比中, 考虑了设备、工程、征地、年维护、年电费、每3年电池寿命投资的综合对比投资收益表明, 可以在4年左右的时间达到交点, 继续使用预期在10年的时候可以比市电基站省钱20万, 具有较大的经济效益。
3 风光互补技术应用建议
由于基站风光互补技术节能在36%左右, 与智能通风、机房升温、热反射涂料等节能效果相当, 但投资远大于其他节能技术, 建议各省公司对于风光互补技术应谨慎使用。
虽然存在着投资大、稳定性较差等问题, 但随着风光互补发电系统各方面技术的不断提高, 以及相关产品质量和效率的不断提高, 风光互补发电系统的市场竞争能力也会不断增强, 将逐渐从偏远地区向城市过渡, 由补充能源向替代能源发展。到21世纪中叶, 该分布式发电形式将在能源的消费结构中占有相当大的份额, 具有十分广阔的发展前景。
摘要：太阳能被看作是最有代表性的新能源和再生能源, 受到世界各国的高度重视。另外, 风能资源也是可再生性和无污染性资源, 它与太阳和地球同在, 取之不尽。风能不消耗燃料, 不存在三废处理问题, 不产生温室效应, 所以开发风电有利于能源与环境的协调发展。在节约能源的国际大环境下, 积极发展太阳能和风能发电是社会发展的必然趋势。本专题主要研究以太阳能和风能等可再生能源的发电系统在移动通信网上的应用。
关键词：节能减排,新能源,风光互补,太阳能
参考文献
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[4]岳军, 贾大江.中小功率风光互补发电系统的测试与评价[J].太阳能, 2006 (2)
风光互补系统 篇2
设计可行性研究报告
一、风力与太阳能光伏发电行业发展前景分析
风力发电是一种将风能转换为机械能，由机械能冉转换为电能的机电装置。利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来带动发电机发电。依据目前的风能技术，大约1米/秒的微风速度，便可以开始发电。
光伏发电是利用单晶硅、多晶硅或非晶硅半导体电子器件光伏效应原理有效地吸收太阳辐射能, 并直接转变成电能的发电方式。
风力发电、太阳能光伏发电是近年来国内外应用比较广泛、最有发展前景的可再生能源利用技术。在当今化石能源日益减少、生态环境遭受破坏的情况下，利用以风能、太阳能为代表的清洁、可再生能源，对于改善现有能源结构，缓解能源危机，实现人与自然的可持续发展具有重要的意义。
世界各国尤其是发达国家高度重视以太阳能和风能为代表的新能源发展，通过增加财政投资、减免税收、电力回购补偿等一系列措施，鼓励刺激风力发电、太阳能光伏发电行业的发展。以太阳能光伏行业为例，2009年，全球光伏市场累计安装量提高了45%，达到了22.9GW。新增光伏装机容量接近5.8GW，增速为46.6%。其中，德国新增光伏装机容量从1.8GW提高到3.8GW，几乎翻了一番，从2008年41.1%的占比上升为51.7%，居全球第一位。其它国家也发展迅速，意大利安装了711MW，成为第二大市场，捷克和比利时09年分别安装了411MW和292MW。欧洲以外的国家也同样发展迅速，日本安装了484MW，美国则安装了470MW，其中包括40MW的离网系统。而风电行业，2009年全球风电装机总量达到157900MW．较上年增加了37500MW。欧洲的风能发电发展最快，其中德国十分重视风电发展，目前是世界上风电技术最先进的国家。截至2006年底，德国风电总装机容量达到了20 622 MW，占世界风电总装机容量的1／3以上．德国风力发电量约占全年总发电量的6％，居世界第1位．到2010年，德国风电装机容量达到23 000 MW，可提供德国8％～10％的电力需求，l5个欧盟成员国可再生能源生产的电力满足全部电力需求的22％．
在当前阶段，风力发电、太阳能光伏发电市场的发展很大程度依赖于相关国家制定的支持机制和法案，支持机制和法案的颁布、更改、增强或削弱都会对风力发电、光伏市场和产业造成深远的影响。德国、日本、美国等发达国家风力发电、太阳能光伏发电行业能有如此迅速的发展，均得益于相关国家有一套成熟的激励措施和支持法案，值得指出的是：日本、德国、西班牙、意大利、韩国等许多国家制定的风能、太阳能发电回购补偿政策，对促进、鼓励民间发展太阳能光伏、风能发电起到至关重要的作用。
我国光伏发电和风能产业起步于20世纪70年代，90年代中期进入稳步发展时期，经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。2006年至2008年，中国的新能源市场投资年均增长率为67％，23.5亿美元的投资中大约有60％投向了太阳能领域，其余主要投资到风能领域。特别是在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加，我国光伏产业经历爆发式增长，已基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、拉单晶、电池片、封装、平衡部件、系统集成、光伏应用产品和专用设备制造的较完整产业链。产业链各个环节的专用设备和专用材料的国产化加快，许多设备完全实现了国产化并有部分出口。到2007年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，从业人员达到8万人以上。而我国风电行业近年来发展也非常迅速，到2009年底，我国风电总装机容量累计为2580万千瓦，其中并网风电1613万千瓦，占全国总装机容量的占1．85％，另还有967万千瓦未并网风电。其中仅2009年新增装机容量就达到1300万千瓦。总的风电装机容量位于美国、德国之后，名列全球第三。2009年，我国风电发电量为275亿千瓦时，占总的发电量比例为0．75％。
近年来，国家财政对太阳能和风能产业的补贴力度逐年增强。2008年，我国开始启动屋顶和大型地面并网光伏发电示范项目的建设；2009年初完成了甘肃敦煌10MW级大型荒漠并网光伏电站的招标工作；同时太阳能屋顶计划与金太阳示范工程、风能发电的财政补贴项目也相继推出，这一系列的政策措施给我国未来的太阳能光伏和风能产业提供了一个广阔的发展空间。
我国现行的补贴政策主要针对光伏设备生产企业、大型项目承建商和一些示范性项目，缺乏对于小型发电系统或是消费者、投资者的激励政策。这也是我国光伏产业商业化推广迟缓的重要原因。经验表明，我国政府的政策
导向将在未来一段时间内决定着国家风能与光伏产业的发展水准和市场需求。直到现在，我国还没有太阳能上网电价和新能源电力回购补偿政策,每年几百兆瓦的太阳能电站建设与每年几个吉瓦太阳能光伏电池生产能力相形见绌,远不成比例。因此,太阳能上网电价和新能源电力回购补偿政策尽快出台是中国太阳能与风能发电产业的当务之急。相信在节能减排、低碳经济的大背景下，针对目前风能与光伏发电成本高、国内产业对进出口依存度过高的特点，我国将加大政策指导和扶持力度，一旦国家新能源电力回购补偿政策出台, 风能、太阳能发电行业必将迎来迅猛发展的时机。
二、项目市场定位分析
我国2006年颁布的《可再生能源法》 规定：电网企业应当全额收购其电网覆盖范围内的可再生能源并网发电项目的上网电量。但实际上由于光伏上网电价成本是常规能源上网电价的1O倍而无法实施。最近我国完成的8MW 并网光伏系统的前期研究表明，目前完全商业化运作的并网光伏发电上网电价成本大约为3．4元／千瓦时，这样高的成本无论是国家补贴还是全民分摊，大面积发展都会遇到很大的困难和阻力。如果是一般家庭用的光伏发电系统，则发电成本更高，通过在淘宝网检索进行价格对比，国内多晶硅太阳电池价格大约为10~15元／瓦，一套户用3000瓦太阳能光伏发电系统单是太阳能板就需30000~45000元左右，若配套蓄电池、逆变器、整流器、控制器及附属部件及安装费，至少需40000~50000元左右。网上检索到华威能源生产的整套3000瓦太阳能光伏发电系统市场销售价格最低为36916元。按照一般家庭每月电费200元计算，理论上需要至少15年~20年才能收回成本，而且还不包括使用过程的维护费用。通常,家庭预期投资回收期超过5年就很难被消费者所接受。在光伏发电成本还不具有市场竞争力，且缺乏实质性政策支持的情况下，户用太阳能光伏发电系统很难直接走向市场。另外，风力发电的上网价格在0．42~0．72元／千瓦时，成本正逐渐接近火电成本，但分散式风力发电机系统的可靠性较差，随机性和间歇性强，电能质量较差，需进行比较复杂的处理才能使用。因此，风能发电和太阳能光伏发电系统只有在远离电网且必须用电的地方才能找到其商业的价值。根据初步分析，目前，风能与太阳能光伏发电系统具有市场价值的地方和行业如下：
1、偏远农村、山区、草原、边防哨所，海岛等地方。
这些地方远离电网，迫切需要用电改善工作和生活条件，使用柴汽油发
电成本过高，而风能或太阳能发电系统恰好能够填补这一空缺。
2、远离城市和供电线路的移动通信基站。
移动通信基站用电负荷都不会太大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油发电机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源，而太阳能和风能可作为取之不尽的可再生能源。将大大降低电源配置成本。
3、高速公路沿线的交通标志和录像监控装置。
高速公路的外场监控设备一般采用直接敷设电缆的供电方式，诸如互通立交、弯道、坡道、特大桥等需重点监控的路段往往离电源点的距离很远，采用传统电缆供电方式，就必须使用比较粗大的铜芯线缆来降低电压衰减，从而导致建设费用过高，同时运营期间也因电缆经常被盗而给业主造成重大的经济损失和运营管理的不便。而采用风光互补的方式对外场监控设备供电，与传统电缆供电相比省去了中间电缆及其敷设的过程，大大降低了供电成本，具有很好的性价比。而且高速公路上由于车辆行驶速度很快，不断卷起的气流会使公路两旁常年处于有风状态，保证风光互补系统常年处于运行供电状态。
4、渔船作业和生活用电。
渔船出海作业需要保证卫星导航、通信设施、安全指示灯、标志灯、灯光作业灯等的供电，泊港后需要有人留守，留守人员需要照明、电视、冰箱等生活用电。因此，渔船常年需要用电，过去一直靠柴油发电机发电解决。购置柴油发电机和发电用油的成本并不低。如果设计1000瓦以下价格在10000元以下的船用小型风力与太阳能光伏互补发电系统,则可以很好地解决渔船用电问题，完全可以做到成本低于使用柴油发电机。目前，在浙江、江苏省沿海一带，在政府的倡导下，渔船开始普及安装300瓦~1000瓦的微小型风力与太阳能光伏互补发电系统,节省了大量燃油，应用效果比较好。北海作为沿海城市，海上风力和太阳能资源充沛，北部湾和南海大批的作业渔船，可以作为市场的潜在用户，完全有可能在渔船找到市场的切入点。
三、项目技术定位分析
风能和太阳能由于受地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，其能量密度变化较大。然而，太阳能与风能在时间和地域上都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱。但由于地表温差变化
大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能发电稳定可靠，但成本较高，而风力发电成本较低，但随机性大，供电可靠性差。因此相对于单一的风能、太阳能发电，风光互补发电系统是更经济合理、稳定、持续的发电模式。将两者结合起来，可实现昼夜发电，提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。另外，以家庭用户为单位的风能与太阳光伏发电系统是今后最普遍的一种新能源应用方式。因此，应该将项目考虑定位为：独立的离网型小型风力与太阳能光伏互补发电系统。利用成熟先进的以单片机为核心的嵌入式技术、电力电子技术、小型微风发电技术和多晶硅太阳能电池，研发出一种功率在300瓦以上，3~5千瓦以下，具有微风发电和太阳能光伏发电互补功能，智能化控制程度较高的家庭用小型发电系统。为将来太阳能光伏发电大规模商业化应用做好技术储备。
四、系统的基本构成
风光互补发电系统主要由风力发电机、风电整流器、太阳能光伏电池阵、控制器、蓄电池、逆变器等部分组成。如图所示：
其工作原理是：风力发电机将风能转换成交流电能，先经整流器整流成为直流电，由控制器对蓄电池充电，然后再通过逆变器转换成交流电才能供给交流负载。太阳能光伏电池阵将太阳能直接转换成直流电，并通过逆变器可将直流电转换为交流电对负载进行供电，同时在光伏电能充裕时由控制器对蓄电池充电。在日照不足时，储存在蓄电池中的直流电能经过逆变器，变换成交流电供给交流负载使用。正常工作情况下，风力发电部分和光伏发电部分可以独立工作，也可以同时工作。
1、风力发电机
按主轴旋转方向分为两类：水平轴式风力发电机，转动轴与地面平行，需随风向变换调整叶轮的朝向。多采用水平轴、上风向、三叶片式，该类型风力发电机具备较高的风能利用率,价格低廉，但叶片旋转直径较大。垂直轴式风力发电机转动轴与地面垂直，叶轮不需改变方向。依形状可分为桶形转子和打蛋形转子等。新型垂直轴风力发电机(H型)采用了新型结构和材料，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，1米/秒微风就可起步发电。叶轮旋转直径较小，安装使用方便，但价格相对较高，目前处于推广应用阶段。小型风力发电装置可使用的发电机类型较多，有直流发电机、电磁式交流发电机、磁阻式发电机及感应子式发电机等。永磁同步发电机由于其结构简单，效率高，体积小的特点得到广泛应用。本装置的风力发电机采用交流永磁同步发电机。按价格要求选取水平式或垂直式风机。
根据淘宝网检索价格，300瓦垂直式风力发电机价格为2000元左右，超过500W的垂直式风力发电机价格6000~10000元以上。300瓦水平式风力发电机价格为1500元左右，1000W的水平式风力发电机价格3500元左右。水平式风力发电机价格比较便宜，但因旋转直径过大，对风向要求较严，不适宜安装在渔船上。因此陆上系统可选取水平式风力发电机，但船用系统宜选垂直式风力发电机。
2、太阳能光伏电池阵列
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。使用寿命一般可达15年，最高可达25年，制作成本很高。多晶硅太阳能电池的光电转换效率约12％，使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短，制作成本相对较低。因此得到大量发展。非晶硅太阳能电池是近年开始应用的一种新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，最高只能达到10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减较快。薄膜式太阳电池是太阳能电池今后的发展方向。
按照性能价格比，系统宜选取多晶硅太阳能电池。据淘宝网检索，多晶硅价格为10元~15元/瓦，面积为0.008平方米/瓦，则300瓦价格为3000元~4000元左右。面积为2.4平方米。
3、风光互补控制器
主要用于控制太阳能电池和风力发电机同时对蓄电池进行智能充电。装置采用单片机控制系统，具备防雷、PWM卸载、太阳能防反充、过电压自动刹车、蓄电池反接和开路保护等完善的保护功能，并有液晶显示。控制系统的风电、光电均采用PWM 脉宽调制充电方式，智能三阶段充电模式，即采用主充、均充、浮充的方式进行充电，其中光电采用最大功率跟踪（MPPT）充电技术；卸荷采用无级卸载的方法；保护功能包括防雷、过充、过放(蓄电池低电压告警、关断、恢复)、反接、蓄电池过压、太阳能光电池过流、输出过载以及短路等。具有如下设计指标：
(1)PWM整流电路：采用具有PWM端口的单片机软件控制与外围整流电路相结合的方法，调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。将风力发电机输出的交流电变换成为可控制的直流电提供给蓄电池充电。(2)PWM无级卸载：在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池和逆变输出需要时，控制系统必须将多余的能量通过卸荷释放掉。普通的控制方式是将整个卸荷全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷，则阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。装置采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，只将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用，并确保了蓄电池的使用寿命。
(3)智能限压限流充电：由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过充电电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。本控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制光伏充电电流和风机充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，从而确保了蓄电池的使用寿命。
(4)液晶显示蓄电池电压和充电电流和运行数据：能够直观了解蓄电池的电压状态，并可以根据蓄电池的电压来调节使用负载的大小和时间。(5)完善的保护功能：
a、太阳能防反充：在夜间等光线不好的情况下，蓄电池的电压可能会高于太阳能电池阵列的端电压。装置配置防反充电路，以防止蓄电池对太
阳能电池产生反充。b、防雷保护：内带有避雷装置，能将雷电产生的瞬时强电压和电流释放掉，以保护本控制器及后级设备不受雷击损伤。c、蓄电池反接保护：如果蓄电池不小心反接，则相当于发生短路，即会产生巨大的瞬时电流。如果不加保护，则必然会损坏蓄电池和设备本身。装置具有完善的蓄电池反接保护功能，在不小心反接时，电路中的保险丝会自动熔断，使得整个蓄电池回路断开，从而有效保护蓄电池和本设备。d、蓄电池开路保护：长期使用后，蓄电池可能会发生开路或接触不良。装置在蓄电池开路后会发出声光报警，并保护设备自身不被损坏。e、过风速和过电压刹车：在大风或过电压状态下，本控制器将自动启动电磁刹车，以保护风机和蓄电池。
(7)数字化智能控制：核心器件采用功能强大的单片机进行控制，外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，确保系统运行的稳定。
意法半导体的STM32F103单片机芯片功能强大，有较强的PWM控制功能，且研发人员均已熟练掌握该芯片的使用，因此控制器设计拟选STM32F103单片机。
4、逆变器
逆变器是一种电源转换装置，主要功能是将蓄电池的直流电逆变成标准工频交流电。逆变器通过全桥电路，采用正弦波脉宽调制SPWM技术经过调制、滤波、升压等，得到与电网负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供用户使用。
正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波，在负载中只有很少的谐波损耗，对通信设备干扰小，整机效率高。随着电力电子技术的进步，脉宽调制技术的普及，SPWM型正弦波逆变器逐渐成为逆变器的主流产品。以单相全桥式逆变器为例，四个对角的开关功率管以每个对角线的两个开关管为一组，依次导通和关断，在负载两端就产生交替的正负电压，形成交流输出。当此交替导通的频率与负载所需的交流频率相同时，其输出的电压为方波电压。当开关管以比逆变交流输出电压高许多的频率开关，且每次开关的脉宽按照正弦波的幅值调制时，就变成了正弦波脉宽调制输出的逆变器，加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波输出逆变器。
逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。在中、小容量的逆变器中，由于直流电压
较低，如蓄电池的公标电压为直流12V、24V、48V，就必须设计升压电路。
中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。
全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。
推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变。
采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。
正弦波输出的逆变器控制电路，可采用微处理器控制，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间，完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。
逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管(BJT)，功率场效应管(MOSFET)，绝缘栅晶体管(IGBT)和可关断晶闸管(GTO)等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般均采用GTO作为功率元件。
此外，逆变器还应具备如下保护功能或措施，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤：
(1)输入欠压保捷当输入端电压低于额定电压的85％ 时，逆变器应有保护和显示。
(2)输入过压保捷当输入端电压高于额定电压的130％时，逆变器应有保护和显示。
(3)过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。当工作电流超过额定值的150％ 时，逆变器应能自动保护。
(4)输出短路保捷逆变器短路保护动作时间应不超过0．5s。
(5)输入反接保护：当输入端正、负极接反时，逆变器应有防护功能和显示。
(6)防雷保护：逆变器应有防雷保护。(7)过温保护等。
（8）逆变器还应有输出过电压防护措施，以使负载免受过电压的损害。系统逆变器是最关键的核心部件，涉及单片机嵌入式技术、正弦波脉宽调制SPWM控制技术、全桥逆变电路、高频变压器升压变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变一系列复杂的电力电子技术。是项目重点攻关的技术难点。逆变器设计拟选意法半导体的STM32F103单片机芯片，该芯片有较强的PWM控制功能，且研发人员均已熟练掌握该芯片的使用。
项目开发应将重点放在系统控制器与逆变器的核心技术上，只有拥有系统控制器与逆变器核心技术作为自主知识产权，该产品才有市场和技术生命力。
5、蓄电池组
在常用的蓄电池中，主要有锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和铅酸蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，得到了广泛的应用。随着各种蓄电池技术的发展，国内外电池充电技术也不断更新，目前多模式充电技术被认为是最佳充电技术。其综合了恒压和恒流充电法优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。多模式充电方法的四种充电状态分别是涓流充电，大电流充电，过
充电和浮充电。该充电模式需要设计单片机嵌入式软件进行才能进行精确控制。
(1)涓流充电
如果蓄电池电压低于阈值电压，充电器将用预先设定的涓流充电电流给电池充电。随着涓流充电继续，电池电压逐渐升高，当电压升高到阈值电压时立即转入大电流快速充电。如果电池电压在充电周期开始就高于其阈值电压时，则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式。
(2)大电流快速充电
在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流给电池充电。最大电流与电池容量有关，往往以电池容量的数值来表示。在大电流快速充电这段时间里，电池电量迅速地恢复。当电池电压上升到过充电压时，大电流快速充电模式结束，转入过充电状态。
(3)过充电
如果从大电流充电状态直接转入浮充状态，电池容量只能恢复到额定容量的80％～90％。在过充电状态下，充电电压保持恒定不变，充电电流连续下降。当充电电流下降到足够小时，电池容量己达到额定容量的100％，充电过程实质上己经完成，转入浮充状态。
(4)浮充电
该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的能量。在浮充电模式下，充电器输出电压下降到较低的浮充电压值，充电电流通常只有10～30mA，用以补偿电池因自身放电而损失的电量。浮充电压仍将随环境温度变化而变化。当电池电压下降到浮充电压的90％时，充电器将转入大电流充电状态，使上述充电过程重新开始。
多模式充电法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿铅酸蓄电池电量的优点和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100％电量的优点。它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命,是目前光伏系统应用最多的一种控制方式。
随着近年来微电子技术的飞速发展，以单片机嵌入式技术为核心的充电控制技术进入了一个全新的自适应、智能阶段，即自适应智能充电技术。自适应充电系统遵循各类电池的充电规律进行充电。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按一定的算法不断调整充电参数，同一
充电器可适应不同种类电池的充电，充电系统自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。以光伏充电系统为例，光伏电池将太阳能转变为电能，蓄电池将转变出来的电能储存起来，充电控制环节在系统中起着枢纽作用。一方面充电控制环节调节光伏电池的输出功率，使尽可能多的太阳能转变为电能，提高系统效率；另一方面它需要根据不同条件来选择蓄电池的充电模式，从而加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命。光伏系统输入能量稳不稳定，控制环节具有举足轻重的作用。
系统选用循环寿命长，使用寿命长，性能价格比高的风光发电系统储能用固定型(开口式)铅酸蓄电池。按1000瓦负载计算，电流约为5安培，要保证在连续2天无风、无晴天时．蓄电池组可独立保证系统给重要负载正常供电。需容量240ah，若按负载500瓦，需容量120ah。单体蓄电池额定电压为12 V，蓄电池组可选1块或多块蓄电池串联组合而成总容量满足要求。根据淘宝网检索价格，光伏系统用蓄电池单位价格约为11元/ah,240ah约需2600元左右，120ah约需1300元左右。
初步估算，研制一套系统的组件、材料费约需2万元左右。定型产品成本按1000瓦容量约需1万元。300瓦约需7000元左右。
五、系统研发的初步计划
（1）项目课题组人员组成（略）
（2）项目研发经费概算
略(3)项目进展时间
从经济角度浅议风光互补发电系统 篇3
【摘要】进入二十一世纪之后，因为经济发展造成的生态破坏和能源紧缺问题越来越严重，世界经济的发展模式开始发生转变，以低碳经济为主要理念的经济发展模式开始在世界经济发展中应用，本文将从经济角度出发，对风光互补发电系统进行探究和探讨。
【关键词】经济性；风光互补；发电系统
前言
在当前严峻的经济发展形势下，可再生清洁能源的需求极为强烈，顺应这一需求，太阳能、风能、潮汐能等可再生清洁能源进行了大范围的深度研究，虽然在各自领域都取得了一些成果，但是可再生清洁能源的市场应用还是存在不同程度的问题，风光互补发电系统巧妙的利用风力和太阳能的互补性，降低了总体的发电成本，提高可再生清洁能源的经济适应性。
1、风光互补发电系统的市场现状
风光互补发电系统在可再生清洁能源中的优势就是市场适应性，其对风能和太阳能的巧妙结合，成功的降低清洁能源生产的平均成本，极大的提升了可再生清洁能源的市场竞争力。在以往，虽然国家出台各种政策大力扶持清洁可再生能源的生产和利用，但是因为清洁能源的生产成本和销售价格与传统能源之间差距悬殊，在市场竞争中毫无优势，巨大的价格差距致使国家也无力进行补贴推广。只能在一些政策性工程中使用，这种政策性的使用是无法促进清洁能源的大规模利用的，也不可能对我国的能源利用结构产生影响，所以在清洁能源的研究开发中如何降低清洁能源的生产升本一直是一个关键性的难题，风光互补发电系统的出现一定程度上解决了这一难题，利用风能和太阳能之间的互补性成功的降低了清洁能源的成本，增加了清洁能源的市场竞争力[1]。
在一些能源资源比较匮乏的地区，已经开始有市场主体在应用风电互补发电系统提供能源，但是我们必须看到的是，风电互补发电系统的结构太过复杂，虽然在价格上能够接近传统能源，但是风光发电系统的建设投资还是极为巨大的，进入的门槛也比较高，在市场中的应用还是主要集中在政策性工程和能源困乏地区，总体来讲风光互补发电系统在市场中的应用发展并不迅速的，但是因为其自身的优越性和清洁能源的政策支持，风光互补发电系统的市场应用呈现出逐渐向好的趋势。
2、风光互补发电系统的使用现状
风光互补发电系统作为一种清洁能源的综合利用系统，其在社会经济活动中的使用有较大的限制，其中最主要的限制因素就是就是环境因素，在风光互补发电系统的应用过程中，首先，系统建设要选在风能充沛同时对风能的限制因素少的地区，因为风能作为发电系统的一种主要动力来源是保证发电系统发电量和发电效率的关键，这些地区的特点是风能充沛且稳定，地形平缓、地表面光滑；同时这一地区的太阳能资源也要尽量充沛，环境对太阳能的限制因素要尽量少，尽可能选在海拔高、云层薄、阴雨天气少的地区进行风光互补发电系统的建设，对这两种能源的需求，有系统性满足能力的地区才适宜建立风光互补发电系统。这些限制性条件在客观上限制了风光互补发电系统的扩大发展[2]。
虽然风光互补发电系统的使用受到不小的限制，但是在适宜的地区进行风光互补发电系统的建设，能够有效的提高风光互补发电系统的发电效率，而且随着光伏电池产业制造规模的扩大，技术效率的不断提高，生产成本的不断下降，其用户系统的供电成本会不断下降，在一些环境条件优越的地区已经率先实现了风光互补发电系统的并网发电，通过实践的检验风光互补发电系统被证明是一种行之有效的清洁能源利用形式，在社会经济生活中具有实用价值，值得大范围的推广应用[3]。
3、风光互补发电系统的推广前景
风光互补发电作为一种创造性的清洁能源结合体出现在社会经济活动中，其本身的优势是较为明显的，作为一种清洁能源与其他的清洁能源相比有着明显的成本优势，作为一种新型能源相比于传统能源有清洁无污染的优势，作为一种综合性的能源利用方式它的资源利用效率更高，這一清洁能源生产方式在应用过程中的种种优势，都促进了它在市场经济中的推广应用。随着我国经济的发展和经济发展模式的转变，在未来，清洁能源必将占据能源供应的主体地位，而风光互补发电系统必将以自己独有的优势成为清洁能源中的佼佼者[4]。在未来的能源生产领域大放异彩。
对于风光互补发电的应用推广，可以运用系统性分析的原则进行，风光互补发电系统本身是一种综合性的清洁能源利用系统，在这一利用过程中风能和太阳能，能保持微妙的平衡以提高总体的能源利用效率，但是在推广应用过程中要综合的考虑风能和太阳能的利用条件，限制条件太多，在大规模的推广应用时必然会受到限制，如果在推广过程中能够结合其他的清洁能源形式，将风光互补发电系统作为一个清洁能源的综合利用系统来进行推广，必然可以减少推广过程中的阻力，扩大风光互补发电系统的影响，提高风光互补发电系统的市场占有率。
结论
风光互补发电系统作为一种面向能源建设现代化，面向能源建设未来的可再生清洁能源利用系统，其通过对风能和太阳能两种清洁能源的综合利用，有效的提高了清洁能源的利用效率，降低了清洁能源的生产成本，提高了可再生清洁能源的市场竞争力，真正让清洁能源的“应用”成为现实。
参考文献
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[2]张东凤.离网型风光互补发电系统的匹配与效益分析[D].南京农业大学，2006.
[3]钟勇.风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究[D].合肥工业大学，2006.
风光互补发电系统的实验研究 篇4
风光互补发电系统主要依靠风能和太阳能发电,不消耗任何传统资源。风光互补发电系统主要由风力发电机、光伏板、蓄电池、控制器、逆变器、整流器等组成(见图1)。
2 应用实例
本文介绍的风光互补复合发电系统主要由室外发电系统和测量系统(见图2)以及室内控制系统(见图3)组成。该项目于2003年由山东建筑大学热能学院与香港理工大学联合投资建设。
室外发电和测量系统主要包括:6块额定功率为100W的MBF100光伏板,2块额定功率为150W的DBFQ150光伏板,额定功率为1000W的北京博力XL.1型风力发电机,风速风向仪以及光照度测试仪。
室内控制系统主要包括:风力发电机控制器,系统控制器,逆变器,线路控制柜和数据采集用电脑。
该风光互补系统所处地区常年的主导风向为西南和东北。春夏多西南风,秋冬多东北风。年平均风速3.2m/s。风力相当于2～3级。最大风速33.3m/s(1951年7月21日),风力相当于12级以上。一年中4月风速最大,平均风速4.3m/s,最大风速26m/s。全年月平均大风天数为2.1天,年平均风速为3.3m/s。该系统所处地区标准年全年风速频率分析如表1所示。该地区水平面上太阳辐射逐月平均值如表2所示,系统设备性能参数如表3～表5所示,系统测量的某段时刻数据如表6所示。
根据采集数据可以得到每天的太阳能以及风能安时数,经过计算可得到该系统一年发电量。该系统光伏板列阵和风力发电机一年的总发电安时为91847 Ah,系统输出电压24V。
MJ/m2
计算得该风光互补发电系统年发电量约为 2200kWh。该系统从2003～2008年运行期间,工况稳定,年发电量基本保持在2000kWh,完全可以满足设计负荷用电量。但由于风能与太阳能发电量利用率比较低,在一定程度上制约其发展,发电量的低利用率以及系统长时间损耗导致运行费用偏高,目前该系统已经停用。
3 结论
风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源利用上的缺陷。同时,风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的,无论是什么样的环境和什么样的用电要求,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。应该说,风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。但是由于系统发电利用率较低,且初投资较高,在一定程度上有制约了其发展。
今后该类研究需要注意:(1)应该加强系统平时的维护检修,以保证延长系统的运行年限;(2)在系统的投资和建设前应该具有具体的投资回收期,尽量降低投入与产出比;(3)将系统发电并入国家电网,享受国家能源补贴,降低投资成本。
参考文献
[1]方然,施明恒,王希麒.可再生能源概述[M].北京:机械工业出版社,2007.
风光互补优缺点 篇5
一、概念及技术原理
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机，将风能转化成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低。缺点是小型风力发电机可靠性低。
风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。
技术构成：
1.发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风－电；光－电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。
2.蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。3.充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对
于蓄电池组充电的自动控制。
4.供电部分：由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器，,或者采用小功率led 光源，蓄电池可以直接供电。
2、特点
A、风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。
B、由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
C、风光互补发电站是针对通信基站、微波站、边防哨所、边远牧区、无电户地区及海岛，在远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。
3、风光互补的优点
A、昼夜互补——中午太阳能发电，夜晚风能发电 B、季节互补——夏季日照强烈，冬季风能强盛。C、稳定性高——利用风光的天然 D、互补性，大大提高系统供电稳定性。
对比：单纯的风能与太阳能供电有显著的缺陷 A、季节性障碍无法克服 B、供电不稳定
C、公用设施供电不适宜
4、产品及应用
A、风光互补公共照明系统
完全利用风和太阳光能为灯具供电（无需外接电网）。系统兼具风能和太阳能产品的双重优点，由风、光能协同发电，电能储于蓄电池中，开关智能控制，自动感应外界光线变化，无须人工操作，主要用于乡村结合道路、高速公路、城市道路、防洪堤及景观道路。产品特点：
1、零电费、零排放，节能减排、绿色环保、未来照明发展的重要方向之一。
2、三免产品：
免能耗：利用自然资源自身发电，无需外界供电； 免配套：独立供电，无需其他辅助输电设备； 免电费：自身发电，运行不需要电费支出； 风光互补公共照明系统应用范围：
城市路灯 ；农村路灯——“路路亮”高速公路； 防洪堤；景观工程；小区公共照明等。
B、家庭供电系统：主要用于农村无电户、别墅度假屋、渔船游艇、家庭并网系统。
C、风光互补分布式电站系统：主要应用于分布式电站、用户侧并网、海岛、边防哨所 无电村集中供电。
D、风光互补离网型独立供电系统：主要应用于通信基站、加油站、收费站、养殖场等。
E、风光互补监控指示系统：主要应用于：交通监控、指示；治安国防监控；石油、天然气、电力线监控；森林防火监控等。
二、风光互补发电系统技术评价
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机，将风能转化成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。
另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
风光互补发电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，既可保证系统供电的可靠性，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。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推广风光互补发电系统最大保障是小型风力发电机的可靠性问题。
几十年来，小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定的成就，但从根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。长期以来，出于成本上的考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是通过空气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护。机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞的实验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。
目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是
尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决办法。
华豫新能源公司研究开发的限速保护理念是一种全新的磁电限速保护，其技术要点在于当风力机处于“过功率”状态时给发电机一个反向磁阻力距，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮输出的功率，从而使风轮转速下降，风轮转速的下降，使风轮的叶尖速比减小，从而降低定桨距风轮的风能利用率，减小风轮吸收的风能，从而进一步减低风轮转速„„为此连锁作用所产生的实际效果是减速而不是限速，而磁电响应的过程，使保护动作十分安全可靠。随着传统能源的日益紧缺和低碳生活理念的倡导，太阳能的应用将会越来越广泛，尤其太阳能发电领域在短短的数年时间内已发展成为成熟的朝阳产业。下面浅谈太阳能路灯照明的优缺点：
1：目前制约太阳能发电应用的最重要环节之一是价格。
2：一些工程商常选用LED灯做为太阳能路灯的照明，但是LED灯的质量层差不齐，光衰严重的LED半年就有可能衰减50%光照度。所以一定要选择光衰较慢的LED灯，或者选用无极灯、低压钠灯等。
3：蓄电池的使用寿命也应该考虑在整个路灯系统应用中，一般的蓄电池保修三年或五年，但一般的蓄电池在一年、甚至半年以后就会出现充电不满的情况，有些实际充电率有可能下降到50%左右，这必
将影响连续阴雨天时期的夜间正常照明，所以选择一款较好的蓄电池尤为重要。
4：控制器的选择往往也是被工程商忽略的一个问题，控制器的质量层差不齐，12V/10A的控制器市场价格在100-200元不等，虽然是整个路灯系统中价值最小的部分，但它却是非常重要的一个环节。控制器的好坏直接影响到太阳能路灯系统的组件寿命以及整个系统的采购成本，5:控制器的防水，控制器一般装于灯罩、电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中控制器端子的连接线往往因为雨水顺着连接线流入控制器造成短路。所以在施工时应该注意将内部连接线弯成“U”字型并固型，外部连接线也可以固定为“U”型，这样雨水就无法淋入造成控制器短路，另外还可在内外线接口处涂抹防水胶。6：距离市区较远的地方还应该注意防盗工作，很多工程商因为施工疏忽，没有进行有效的防盗，导致蓄电池、电池板等组件被盗，不仅影响了正常照明，也造成了不必要的财产损失。
风光互补系统 篇6
摘 要：根据本地区新能源区域经济特点及人才需求，新开设了风光互补发电综合实训实验。主要围绕光伏发电、风力发电、逆变控制开展综合实训。学生自主搭建基于PLC或单片机的光伏发电自跟踪控制、风力偏航控制系统，通过MATLAB软件对控制系统进行仿真实验后，在上位机控制界面进行控制组态，进行实物平台调试和数据测试，通过优化控制算法，获得最佳功率转换输出。实验有助于锻炼学生实践开发能力，为京津冀地区培养新能源方面的高级工程技师应用人才。
关键词：光伏发电；风力发电；风光互补；综合实训
1 概述
根据国家大力发展新能源的产业政策，结合本地新能源区域经济特点，新开设了风光互补发电控制综合实训实验课。让学生通过学习光伏发电、风力发电、逆变控制的基本原理，完成风光互补综合实训实验。学生通过自主搭建PLC或嵌入式单片机控制系统平台、系统仿真、控制算法优化，实物调试和数据测试综合实验等实验环节，完成风光互补综合实训，提高学生分析问题、解决问题的能力。
2 系统构成
实验系统平台由单片机、PLC控制系统构成，采用MCGS软件完成上位机监控，通过SQLite数据库实时存储数据并对模拟光源、光伏跟蹤、模拟风场与侧风偏航进行遥控。实验软件具有曲线显示、历史查询报表、EXCEL文档输出、打印等功能。
3 实验内容
3.1 光伏发电测试
光伏电池动态特性进行测试，通过Set PG/PC Interface查找和设置通讯模式，选择PC/PPI电缆，包含串口和USB，通常选择与主机相同的串口进行数据传输；编写和调试程序，最终在工控机上达到控制光电池追踪光源的效果。
通过太阳能发电重点跟踪控制系统，为光伏发电自跟踪控制系统搭建测试平台。检查设备通讯正常，打开光伏发电灯泡负载实时监测系统，实验选择自动跟踪状态。
本地光伏发电数据采集系统，可以通过工控平台上曲线选择栏，选择在工控机界面显示光伏输入电压、光伏功率等曲线。本地光伏发电自跟踪控制经纬度数据采集监控，记录包括年平均最大辐射量、月平均辐射量。
3.2 风力发电测试
通过STEP设置与光伏发电类参数，编程调试；通过风力发电系统监控界观察风机转速、功率转速等实时曲线，通过手动操作变频器按键，实现可变风量输出。通过对风力动态特性进行测试，搭建风力自动跟踪控制系统，观察实时风速曲线图，记录各时刻风量值，输出电压值。通过工控机上观察风力发电机装置的各项实时参数。
3.3 逆变系统测试
通过Matlab/Simulink电路仿真软件，完成逆变控制系统仿真。模拟逆变器仿真输出结果，此时经过逆变器后产生的占空比按正弦规律变化的方波。最后点击经过RLC滤波电路之后的仿真图形，通过优化控制算法得到逆变和滤波之后的输出波形为380V 50Hz的正弦波。当实物系统平台连接电源和蓄电池开关，接通逆变器输入开关，逆变器主控板上电工作时，观察蓄电池电压，在蓄电池电压正常状况下，启动升压板开关；正常升压后，逆变器开始工作。
MCGS上位机控制系统组态软件，为实测交流电压表显示的数据，通过MATLAB优化控制算法，得到逆变器最佳实际输出测试曲线。
通过本实验系统平台，让学生学习光伏发电及风力系统的构成及工作原理，掌握由IGBT等大功率开关器件构成整流及逆变电路拓扑结构及电路设计方法，掌握PWM控制算法及多种逆变器控制策略，以及正弦脉宽调制、锁相环控制的设计方法。
通过本实验学生综合运用自动控制原理、单片机原理及应用、传感器原理及应用、过程控制、计算机控制、电力电子技术等所学知识，完成太阳电池的输出特性、太阳电池自跟踪控制设计、模拟风场控制设计、风力发电偏航控制设计、风力发电机输出特性、风光互补综合实验等实验项目。
4 结论
本实验通过对光伏和风力动态特性设计集建模、控制和优化的实验系统，融合实物和虚拟仿真技术，支持自定义的高级控制和优化算法，搭建的风光互补控制系统，不仅可在模拟仿真器上进行高级算法的研究，也可针对实物平台进行风光互补控制算法的研究。系统具有虚实结合、模块化的开放性实验特点。开设的实训系统，有助于提高学生在新能源应用方面的综合设计、探索创新的能力。本实验系统不仅用于加深学生对风光互补控制原理相关知识的综合运用，提高对学生实践创新能力的培养，还可用于京津冀地区风力发电和光伏发电等新能源公司的员工培训。
参考文献：
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风光互补型智能路灯系统的研究 篇7
1 研制背景及意义
长期以来, 人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接收到的太阳能, 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右, 这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍, 可谓取之不尽, 用之不竭。其次, 宇宙空间没有昼夜和四季之分, 也没有乌云和阴影, 辐射能量十分稳定。因而发电系统相对比地面简单, 而且在无重量、高真空的宇宙环境中, 对设备构件的强度要求也不太高。再者, 太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同, 不会导致“温室效应”和全球性气候变化, 也不会造成环境污染。正因为如此, 太阳能的利用受到许多国家的重视, 大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料, 以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来, 在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下, 我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置, 其应用十分广泛, 在某些领域, 太阳能的利用已开始进入实用阶段。
风力发电是一种主要的风能利用形式, 风力发电已经开展了多年, 随着能源环境的变化和风力发电产业的成熟, 未来几年风力发电将呈现新的趋势。随着风力发电技术的改进, 风力发电机组将越来越便宜和高效。增大风力发电机组的单机容量就减少了基础设施的投入费用, 而且同样的装机容量需要更少数目的机组, 这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验丰富, 项目开发的成本也相应得到降低。风力发电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。
以上我们所说的发电形式, 无论是光伏发电还是风能发电, 都不能在我国大多数城市进行单一实现, 比如太阳光照在冬季的时候相对较弱, 不能提供足够的能量来发电;而风能在我国大多城市更是无法长久持续, 城市气候对城市中的风形成起到了较大的作用, 使得风力发电出现了短缺, 这就让我们考虑是不是应该把两种或两种以上的新型能源结合形成一种复合式能源提供给我们, 两者互补, 综合利用, 这就说到我们提出的风光互补型复合型能源。
2 设计方案
2.1 控制流程设计
无论是外界环境怎样变化, 风光互补能源供给系统都可作出优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说, 风光互补能源供给系统是最合理的独立电源系统。图1就是风光互补能源供给系统的控制框架图, 我们可以从中了解到风电与光电相互结合的基本原理[2]。
2.2 机械部分
图2就是风光互补型智能路灯系统的机械设计图, 在机械设计中需要解决的问题有:
2.2.1 在保证机械结构的同时, 保证连接的紧密性和传动效率;
2.2.2 在实现其基本效果的同时, 使结构尽量合理、简单。
2.2.3 要实现传统太阳能路灯功能的同时, 更要实现其智能控制。
智能控制系统:
风光互补型智能路灯系统需要智能控制部分, 其智能控制部分就是一个单片机控制电路系统, 其包含两部分内容:一是系统扩展, 二是系统的配置, 即按照系统功能要求配置外围设备, 要设计合适的接口电路[3]。系统的扩展和配置应遵循以下原则:
①尽可能选择典型电路, 为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。
②系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。
③硬件结构应结合程序设计方案一并考虑。考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实现, 以简化硬件结构。
④系统中的相关元器件要尽可能做到性能匹配。
⑤可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。
⑥尽量减少外围。系统器件越多, 器件之间相互干扰也越强, 功耗也增大, 也不可避免地降低了系统的稳定性[3]。因而在选择器件上尽量的简洁。
根据要求, 分析出需要的功能有:具备时钟功能、时间调节的调节、二极管 (模拟路灯) 的显示功能、定时开灯关灯的时间调整功能、按键控制功能。
基于以上功能要求, 我们决定使用AT89C51芯片, 显示器件选用数码管和二极管, 数码管采用动态显示方式来显示指令, 系统开关状态通过二极管显示。图3为风光互补型智能路灯单片机控制系统结构框图。
2.3自动控制系统设计
我们可从图4风光互补型智能路灯的电路控制框架图中分析控制原理, 系统根据需要设计感受外界光照强度的反馈电路和路灯故障反馈电路, 感受外界光照强度一般采用光敏电阻或光敏二极管, 通过单片机来对路灯的开与关的设置, 以及电能的蓄电补充采用光敏二极管感受外界光照变化, 无光照时, 有很小的饱和反向漏电流, 二极管截止;光照时反向电流增大, 形成光电流。采用光敏电阻对光源的感应改变自身电阻, 由电压比较器提取之间电压, 考虑到电阻变化的灵敏度, 采用两个光敏电阻串联的方式, 通过改变与光敏电阻串联的电位器的值可以调节光敏电阻的感光范围[4]。
3性能分析
该风光互补型智能路灯系统工作原理: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。
4 创新点及应用
①节能环保, 无紫外线、红外线和汞污染, 符合ROHS要求;
②内置隔离低压恒流驱动, 安全、稳定、可靠;
③可频繁开关启动, 无闪烁和眩光的现象;同时显色性能好;抗震性能强;
④外观轻盈, 款式新颖, 便于安装和运输
⑤维修成本低, 一个路灯损坏时不影响其他路灯正常使用。
⑥可靠性高、使用年限长。
该风光互补型智能路灯系统适用于各类型道路照明:高速路、主干路及迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路、偏远山区等难以实现远距离输电和控制的地区。
5 市场前景
目前, 随着地球不断的恶化, 节能环保问题己经成为世界各国共同面对的重要问题, 开发新能源和可再生清洁能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一, 充分开发利用太阳能和风能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策[5]。面对能源的急缺与全球性的金融危机, 众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划, 推动相关节能技术和产业的发展。各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税收政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格, 为这两类能源市场的发展提供了了良好的基础。
基于太阳能和风能供给能源的相关产品不断大量应用, 以及其生产成本不断的降低, 利用风能和太阳能已经是大势所趋[6]。我们设计的风光互补型智能路灯系统利用风能、太阳能进行双重供电, 大大减少了对电能的依赖, 同时节能, 环保, 可靠性高, 使用成本低廉, 因此具有良好的市场前景。
参考文献
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山区风光互补发电系统优化研究 篇8
目前, 我国还有8亿多人口居住在农村, 偏远山区大约有2000万人还未接通电力, 偏远山区距离中心城镇较远且分散, 不集中, 电网架设费用高、利用率低, 制约了当地居民生产、生活用电。同时, 偏远山区风能、太阳能储量丰富, 利用风光互补发电系统将丰富的风能、太阳能转化为电能, 可解决偏远山区居民生产、生活用电, 并为冬季取暖提供电能, 减少煤炭、木材燃烧、污染物排放, 为解决雾霾提供一种可借鉴的发电方式, 促进偏远山区经济发展[1~4]。
2 山区风光互补发电系统组成及工作原理
山区风光互补发电系统主要包括将风能转换为电能的风力发电机、太阳能转为电能的光伏电池板、整流桥、单双向DC/DC变换器、控制器、蓄电系统、逆变器、负载、卸荷系统等。该系统利用自然风作为动力, 风力发电机的风轮吸收风能, 带动发电机旋转, 将风能转变为电能, 光伏电池板利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电。风能发电经整流桥、DC/DC变换, 太阳能发电经单向DC/DC转化成直流电, 并分别直接向直流负载或者通过逆变器逆变向交流负载供电;多余电能经双向DC/DC变换器, 然后储存到蓄电系统。由于某个时段风能、太阳能特别丰富, 发电超出了负载和蓄电系统需要, 提前检测, 并通过无极逐渐卸荷方式将多余电能释放掉;由于某个时段阴天、下雨造成风能、太阳能较弱时, 发电不能满足负载需要, 蓄电系统可通过双向DC/DC变换器向系统供电, 使供电系统可以连续、稳定工作。蓄电系统、卸荷系统共同作用起到电能调节和负载平衡的作用, 提高电能利用率。
3 山区风光互补发电系统优化
偏远山区生产、生活用电主要集中于照明、电视、冰箱、洗衣机、电脑及其附件、电风扇、电暖等, 日耗电量约为6kW·h, 偏远山区居民各月耗电量、总发电量及盈亏量变化曲线分别如图1、2、3所示。
由图1、2、3可知:8月份系统发电低于耗电量, 可采用减少用电设备的方法避免。同时, 依据偏远山区风能、太阳能资源调查数据, 综合考虑风力发电机、太阳能电池板效率, 选用2kW的风力发电机和4块150 W的光伏电池板组成风光互补发电系统。考虑到8月份亏损量, 在实际应用中, 采用2kW的风力发电机和6块150 W的光伏电池板组成风光互补发电系统, 多余电量通过并网供其它附近居民使用, 有效地提高了电能利用率, 避免了卸荷造成浪费, 同时也为安装用户带来了额外的经济效益, 其它少量居民使用多数安装用户的多余电能也可满足用电需求, 节约了投资。
4 结语
依据偏远山区风能、太阳能资源调查数据, 采用风光互补发电系统满足偏远山区居民用电, 优化了系统配置, 提高了利用率。实际应用表明系统供电及并网运行平稳, 满足山区居民用电量需求。
参考文献
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风光互补系统 篇9
1 系统随机模型
1.1 风电场出力随机模型
1.1.1 风速随机模型
国内外提出了很多的模型来模拟风速的随机分布,如瑞利分布、Γ分布、耿贝尔分布、威布尔分布等。其中威布尔分布被公认为是描述风速分布最好的模型,因此本文采用风速的双参数威布尔分布模型,其概率密度函数为
式中:v表示风速;k称作威布尔分布的形状参数,反映风速分布的特点;c称作威布尔分布的尺度参数,反映该地区平均风速的大小。风速的分布图如图1所示。
双参数威布尔分布的参数k、c采用风速的平均值和标准差来进行估计,用平均风速v珋来估算样本平均值μ,用标准差S来估算样本的方差σ2[4]。
1.1.2 风力发电机输出功率随机模型
知道了风速的随机分布,就可以通过风力机组的输出功率与风速之间的关系得到输出功率的随机分布。风力机组有功出力与风速之间的关系如图2所示。
根据图2可以得到风力发电机有功出力与风速之间的函数表达式为
式中:Pr为风力发电机额定功率;vci为切入风速;vr为额定风速;vco为切出风速。
风力发电机有功出力的概率分布可由风速的概率分布和发电机的功率特性求出:
由此可知,其有功出力的概率分布在风电机组零出力和额定出力点处是非连续的,因此,为了使随机潮流计算精度更加准确,将风电机在零出力和额定出力之间的概率分布离散化,如图3所示。
对于离散点PW有
并网运行的风力发电系统大多采用异步发电机,并不产生无功,而为建立旋转磁场,需要向电网吸收无功功率,且通过并联补偿器保持功率因数不变,因此,可将风力发电机简化为PQ节点,即无功功率Q为
由有功出力与无功功率的关系可知,风电机组出力的概率分布可以用有功功率与无功功率及相应概率的离散数据来表示。
1.2 光伏出力随机模型
1.2.1 太阳能光照强度分布的随机模型
根据大量的历史统计数据显示,在若干小时的时间段内太阳光照强度近似服从Beta分布[5],其概率密度函数为
式中:r为某时刻的实际光照强度,W/m;rmax为这段时间内的最大光照强度,W/m;α和β均为Beta分布的形状参数;Γ为Gamma函数。
1.2.2 光伏发电系统输出功率的随机模型
知道了光强的随机分布模型之后,便可由光伏发电系统的输出功率与光强的近似关系求出输出功率的随机分布,即
通过式(1)和式(2)可以得到太阳能电池方阵输出功率的概率密度函数:
式中:Pmax为电池方阵的最大输出功率,Pmax=Aηrmax。
光伏发电系统并网时,通常由并网逆变器自动投切来使其输出功率为单位功率因数,因此在潮流计算中可以将光伏发电系统看作无功出力为零的PQ节点。
2 随机潮流计算模型
本文采用的计算模型基于线性化潮流方程,考虑的随机因素包括风电出力、光伏发电出力的不确定性,常规发电机组故障停运出力的不确定性以及负荷功率波动的不确定性等,并将各节点视为相互独立的随机变量。系统的潮流方程可表示为
式中:W为节点注入量,包括各节点有功、无功;X为节点状态变量,包括各节点电压幅值和相角;Z为各支路潮流。
考虑到节点注入功率的随机性,将式(3)在基准运行点处线性化可得
式中:J0为确定性潮流计算最后一次迭代的雅可比矩阵;S0称为灵敏度矩阵,通过对雅可比矩阵J0求逆得到;X0为基准运行点处状态变量的期望值,通过卷积运算可求式(4)的状态变量。
为减少计算量,本文采用半不变量法和GramCharlier展开级数相结合来取代卷积计算。
3 相关概率理论和算法研究
半不变量具有重要的可加性,能够避免复杂的卷积运算。随机变量的各阶半不变量与其原点距的关系为
式中:kr、mr分别为随机变量的半不变量和原点矩;r为阶数。由此,已知原点矩即可求其各阶半不变量,反之亦然。
Gram-Charlier级数展开式把随机变量的分布函数表达为由正态随机变量各阶导数组成的级数,而级数系数则由该随机变量的各阶半不变量组成。
根据Gram-Charlier级数展开理论,随机变量的概率密度函数f(x)和累积分布函数F(x)可分别表示为
用gv表示v阶规格化后的半不变量,即
4 含分布式电源的配电系统随机潮流计算流程
本方法只考虑各节点注入功率相互独立的情况,暂不考虑线路随机停运等问题。用半不变量结合Gram-Charlier级数展开求随机变量的概率分布,只有当随机变量的偏度系数γ1和峰度系数γ2都接近于0时,所求的概率分布才有效,否则其概率密度曲线会出现负值或大于1的值,从而使得概率密度曲线失真。当配电网中接入的分布式电源概率输出的波动性较大时,便会导致Gram-Charlier级数展开式的偏度系数γ1和峰度系数γ2远偏于0,使得此方法不能准确描述随机变量的概率分布。针对这一弊端,提出一种基于半不变量的改进随机潮流算法,计算流程如图4所示。
5 算例仿真分析
以IEEE-33节点配电网络[6]系统为例,在系统基础上加入分布式电源,通过MATLAB7.1来编制分布式电源接入配电系统后的随机潮流程序。仿真分析分布式电源接入种类与接入容量的不同对配电网潮流的影响,以便为配电网规划人员提供更全面有用的信息。IEEE-33节点配电网络接线如图5所示。
5.1 不同类型分布式电源接入对配电系统的影响可分如下4种情况来讨论。
Case1:系统没有任何分布式电源接入,只有负荷的随机变化。
Case2:系统末端第33节点处接入一个额定功率为100 k W的风力发电机。
Case3:系统末端第33节点处接入一个额定功率为100 k W的光伏发电系统。
Case4:为了使得所接入的分布式电源总功率不变,在末端第33节点接入一个额定功率为50 k W的风力机和一个额定功率为50 k W的光伏发电系统。
对于Case1,首先用牛顿-拉夫逊法进行确定性潮流计算得到正常状态下的节点状态变量和支路潮流情况,并且可以作为随机潮流计算的期望值。
然后结合所编制的半不变量法和Gram-Charlier级数展开随机潮流程序便可求出各节点电压以及支路潮流的概率密度函数和累积分布函数。以系统末端节点33为例,取离散点步长为0.0001,通过MATLAB仿真得到其节点电压的概率密度函数曲线(PDF)和累积分布函数曲线(CDF)如图6所示。
对于Case2中风力发电系统,由已知数据可求出风速随机模型中风速的形状参数k=2.80,尺度参数c=5.14。风力发电机输出功率的随机参数k1=0.0091,k2=-0.0273。从而可求出风力发电随机出力的各阶矩,然后由矩与半不变量的关系即可得到其各阶半不变量。
对于Case3中光伏发电系统,由原始数据可得光强Beta分布的形状参数α=0.45,β=9.19,再通过矩与半不变量的关系可得光伏电池随机出力的各阶矩与各阶半不变量。
对于Case4中的风光混合发电系统,由于额定功率都缩小一半,相应的参数也要减小,同理,通过编程计算得到风光混合发电系统有功出力的各阶半不变量。
在求出风力发电机和光伏发电系统输出功率的各阶半不变量后,根据本文编制的基于半不变量法的Gram-Charlier级数展开随机潮流计算程序,可以分别求出Case2、Case3和Case4中各节点状态变量的各阶半不变量以及概率分布函数。这三种情况下节点33电压的概率密度函数和累积分布函数如图7~9所示。
通过比较Case2和Case3可知,在额定容量相同的情况下,光伏发电随机出力使得节点电压的波动性比风力发电更大,同时光伏发电对系统末端节点电压的改善程度也比风力发电要大。通过比较分析Case2、Case3和Case4的概率分布图形可知,在额定功率相同的情况下,风光互补混合发电系统接入配电网时造成的节点波动情况较单一类型分布式电源接入时要小。
四种情况下节点33的前4阶半不变量以及偏度系数和峰度系数计算如表1所示。
由表1分析可知,节点电压的偏度系数γ1和峰度系数γ2的值越大,其概率密度曲线的波动性就越大,使得其畸变率越大。对于Case2、Case3和Case4三种情况可以看作风力发电与光伏发电容量的比例不同对33节点电压产生的不同影响。其不同容量比例时的节点电压波动情况如表2所示。
综上所述,当没有风电与光伏接入配电系统时,节点电压的随机波动符合正态分布。而当有风电与光伏接入时,虽然线路电压有所改善,但风电与光伏出力的随机性使得节点电压波动增大,概率密度曲线会出现小于零而累积分布函数曲线出现大于1的值。
5.2“峰压比”指标的提出
由概率理论可知,峰度系数要比偏度系数能更加直观准确地反映曲线的畸变情况。本文考虑用不同种类分布式电源接入到配电系统所带来的节点电压变化量与对应的峰度系数的比值作为标准来衡量其对系统的影响程度,把它定义为峰压比,即
由于节点电压的波动幅度要比对应峰度系数小,因此ξ值越大,说明对系统的影响越小。根据表1再结合式(5)可以分别得到其峰压比如表3所示。
%
从表3可知,在系统额定容量相同的情况下,Case4对应的峰压比要大于Case2对应的峰压比,同时Case2对应的峰压比又大于Case3对应的峰压比。所以说风光互补发电系统接入对配电系统最有利,其次是单独风电接入系统,而光伏发电对系统的影响要大一些。
5.3 风电出力较大时改进的随机潮流算法应用
当系统风电出力过大时,其强随机性和波动性使得Gram-Charlier级数展开式中的偏度系数γ1和峰度系数γ2的绝对值远大于零,之前的随机潮流算法求得的概率分布将会严重失真。为此,采用改进随机潮流算法可以有效地处理分布式电源波动较大的情况。
由于风力发电机有功出力的概率分布在风电机组零出力和额定出力点处是非连续的,为了使随机潮流计算精度更加准确,将风电机在零出力和额定出力之间的概率分布离散化,离散化的结果如表4所示。
由此,可以根据离散结果求出其有功出力的各阶半不变量以及对应的状态变量的各阶半不变量,再由半不变量与矩的关系得到各阶矩,然后由Von Mises法拟合其概率分布,最后与状态变量对应的正态部分进行卷积得到最终的概率分布。应用此改进算法求得节点33的电压概率密度函数和累积分布函数如图10所示。
对比图7和图10可知,应用改进的潮流算法节点33的电压波动得到了明显的改善,波动范围有所减少,而且其概率密度函数和累积分布函数曲线没有发生畸变。因此改进的含分布式电源的配电网随机潮流算法能够有效处理分布式电源波动性较大的情况。
6 结论
本文通过半不变量和Gram-Charlier展开级数相结合的方法计算出配电网各节点电压和支路潮流的概率分布,并且针对风电出力波动较大时GramCharlier展开级数的概率分布失真的弊端,提出了一种改进的混合随机潮流算法。通过算例仿真的计算与分析证明了改进的混合随机潮流算法的有效性和“峰压比”指标的准确性。
参考文献
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风光互补发电系统经济调度的研究 篇10
随着环境问题与能源危机日益突出,光伏发电和风力发电已经成为广泛应用的新能源发电技术。但是,大规模的单一风电并网和光伏并网会对系统带来不确定因素,影响系统的稳定运行。考虑到风能和太阳能在时间和空间上均具有互补特性,而且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[2]。风光互补发电系统经济调度策略的研究就十分重要。
1风光互补发电系统
风光互补发电系统是将风能和太阳能有机结合,利用各自能源的优势,实现自然资源配置、 技术方案整合等方面的互补,较单一的能源相比有很好的能量输出[1]。
并网式风光互补发电系统一般有两种形式[2]: 可调度式(带有蓄电池)与不可调度式(不带蓄电池)。图1为典型的可调度式风光互补发电结构示意图。
如图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[3]。 其中,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、日照资源转化为高品位的电力能源;能量的存储环节由蓄电池来承担;当地电网的交流负载以及网内其他电力设备构成了能量消耗环节[2]。
2风光互补发电经济调度模型
文献[4] 指出,在具有公共电网的地区,光伏发电系统和风力发电系统与电网连接并网运行,可以省去储能装置,大幅度降低造价,而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。所以,本文建立的风光互补发电系统模型没有考虑蓄电池。
在传统的电力系统调度中,火电机组的发电成本没有体现出火电机组排除的大量废气对环境的污染成本。而当风力发电、光伏发电接入系统时,由于其成本较高,需考虑到发电机组的环境效益,从而引入环境污染惩罚成本CEPi[5]。
其中,CEPi为环境惩罚成本,ηEPi为环境惩罚成本系数,SNi为火电机组i的排污量[6]。
SNi与发电功率PGi成二次函数关系,即:
其中 αi,βi,γi均为火电机组i的排污特性系数。
火电机组的发电成本CGi为发电成本CBGi和环境惩罚成本CEPi之和,即:
其中,ai,bi,ci都是火电机组i的成本系数。
风电接入电网会影响电网的安全稳定运行, 引起备用容量的变化,引入备用容量惩罚成本:
其中,ρRWj为风电备用容量惩罚系数,PWja为风电机组j计划发电量,PWj为风电机组j实际发电量[7]。
风力发电成本为:
其中,ηWj为成本系数,PWj为风电机组j的发电出力。
光伏的发电成本函数与风力发电类似,同样引入备用容量惩罚成本:
其中,ρRPm为备用容量惩罚系数PPma,为光伏机组m计划发电量,PPm为光伏机组m实际发电量。
光伏发电成本为:
其中,ηPm为成本系数,PPm为光伏机组m的发电出力。
系统的总发电成本为:
所以目标函数为:
其中,Uit,Kjt,Jmt分别为启停变量,N、M、 L分别为火电、风电、光伏机组的个数。
功率平衡约束条件:
机组出力上下限约束条件:
式(9)、式(10)和式(11)为含有风电、 光伏和火电机组的电力系统考虑环境效益和备用容量变化的经济调度模型。
3风光互补发电经济调度策略
目前,应用于经济调度的优化算法主要有遗传算法、直接搜索算法、模拟退火算法、进化规划算法和粒子群算法等及其改进算法。
其中, 遗传算法(Genetic Algorithm) 是基于进化论的原理发展起来的一种广为应用, 高效的随机搜索与优化的方法[6],它也是解决经济调度问题的最为有效的算法之一。
因此,本文采用遗传算法对发电系统经济调度模型进行优化计算。优化算法如下:
1) 确定参数值:给出种群规模N、杂交概率Pc、繁殖概率Pr及演化代数T。
2) 初始化种群:为使初始种群更具全局性, 采用均匀设计法产生初始种群P(0),t=0。
3)while( 若代数t不等于T或连续几个适应度函数值相差不小于 ε=10-3)
{ 计算个体适应度函数值,并根据适应值及选择策略确定P(t) 内的每个个体的选择概率Pi;
for(k=0;k<N;k=k+2)
{随机地产生变量r;
按照选择概率,从当前种群P(t) 中选择2个父体;
执行繁殖操作,将2个个体不变地插入到种群P(t+1) 中;
执行杂交操作, 并将其后代加到种群P(t+1) 中;
else对2个父体分别进行变异. 并将变异结果加到种群P(t+1) 中;}
4算例及仿真结果
选取IEEE30测试系统,仿真模型的系统结构如图2所示。
假设风电场在13节点接入系统,光伏在11节点接入系统,1、2、5、8节点发电机组均为火力发电机组。风电运行成本系数ηW取300$/MW;光伏运行成本系数ηP取400$/MW;火电环境成本系数ηEPi取5$/t CO2;风电备用容量补偿成本系数ρRW取200$/MW;光伏备用容量补偿成本系数ρRP取200$/MW。火力发电机组和风电场的相关参数分别见表1和表2。
构建目标函数:
火电机组的发电成本:
风电机组的发电成本为:
光伏的发电成本为:
总成本为以上三者之和,即为目标函数:
夏季某日,风电功率、光伏功率及两者之和随时间变化的曲线如图3所示:
从图3可以看出,风电功率的特点是夜间高于白天,光伏功率的特点是夜间没有,午后最高。所以,两者恰好具有互补特性,把风电和光伏接在一个电力系统里使得这两个波动性很大的电源结合起来以后波动并不是很大。
当天的负荷功率预测曲线如图4所示。
对于遗传算法而言,适应度函数的选取至关重要。本文仿真所选取的目标函数为系统的发电总成本,即为适应度函数。初始种群采用完全随机的方法产生,种群的大小取200。在此初始种群的基础上进行遗传算法的选择、交换、变异操作。
选择操作的目的是把优化的个体直接遗传到下一代,或通过配对交换产生新的个体,再遗传到下一代。本文采用随机遍历抽样法,即当设定M为需要选择的个体数目时,等距离选择个体,选择指针的距离为1/M。
按交换概率0.75把2个母个体的部分结构加以交换重组而生成新个体。重组之后的子代以0.05的概率产生变异。本文采用群体代数超过预先设定值作为优化准则。经过选择、交换和变异操作就得到一个新的种群,上述步骤经过给定的循环次数200次后,算法终止,并将当前群体中的最佳个体作为所求问题的最优解输出。
用MATLAB软件对模型进行仿真,得出四组火电机组的最优负荷分配情况,如图5所示。
系统机组的最优配制情况是:火电机组5台、风力发电机32台、太阳能光伏电池109个。 此时系统的总净现值最大,为3 788 748元。其中,接入的太阳能电池在STC下的输出功率是300 W。系统的不同配置与系统总净现值的关系如表3所示。
由表3,配置4与遗传算法的最优解最为接近。通过比较第1至6种配制方案可知,对太阳能光伏阵列和风力发电机进行优化配置,提高太阳能和风能所占比例,减少火力机组所占份额,系统的总净现值明显增加,这说明风光互补达到了降低成本的目的。
进一步与常规机组出力比较,风光互补并入电网进行互补调度后,虽然风电场和光伏电站的出力波动增加了,但是其整体出力却表现相对平稳。这样就大大减弱了单一风电场或者光伏变电站输出功率的大幅度波动问题给电力系统调度造成的不利影响[7]。同时,风光互补并网后总成本明显降低。
5结束语
介绍了风光互补发电系统的基本组成,建立了计及环境效益和惩罚成本的经济调度模型, 采用遗传算法计算出了模型系统火电机组的最优负荷分配情况。仿真结果表明,经济调度后的系统总净现值增加,总成本明显降低。文章为风光互补发电系统经济调度提供了理论性参考依据。
摘要：介绍了风光互补发电系统的构成,并对其经济调度模型进行了研究。本文采用遗传算法对风光互补发电系统经济调度模型进行了优化并且仿真,仿真结果验证了所提算法的正确性、有效性。
关键词：风光互补,经济调度,仿真模型,遗传算法
参考文献
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风光互补发电系统的研究与应用 篇11
金融危机带来的是机遇也是挑战，产业升级、科技创新，国家提出十大产业振兴规划。当前，随着金融危机影响的逐步减弱，世界经济特别是中国经济的快速复苏，世界各国对能源的需求必将急速增长，而传统的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量有限，人类又将面对更加严重的能源危机。据估计，煤炭还可以持续使用320多年，石油还可以维持40多年，天然气还可以维持50多年，近几年来严重困扰人民生活和生产的电力紧张现象是能源危机的典型表现形式[1]。日益枯竭以及日益严重的环境污染问题的有效途径就是开发绿色可再生能源，大力发展新能源战略，实施可持续发展战略是世界各国的基本能源策略。光伏发电系统是利用太阳能光伏电池将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。光伏系统的优点是系统可靠性高、运行维护成本低，缺点是系统造价高，对日照的要求较高。我国有着丰富的太阳能资源，大部分地区位于北纬45°以南，全国2/3的国土面积年日照小时在2200 h以上，太阳能年辐射总量为3350-8400MJ/m，平均值是5860MJ (相当于199kg标准煤) ，全年陆地表面每年接收到的太阳辐射能约为5×1.022k J，相当于2.4万亿t标准煤。风电系统是利用风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电。风电系统的优点是日发电量大、系统造价及运行维护成本低，缺点是常规水平轴风力发电机对风速的苛刻要求一直没能解决。风能是一种最具活力的清洁能源，如果风能的1%被利用，则可以减少世界3%的能源消耗，风能用于发电，可以产生世界总电量的8%～9%。中国拥有丰富的风能资源，储量约为32亿k W[2]。采用太阳能光伏发电和风力发电是利用可再生清洁能源的重点，而且已成为最具商业化发展，必将成为未来世界最重要的替代能源。作为普遍存在的自然资源，太阳能和风能具有很好的互补性，而蓄电池是目前应用最为广泛的化学储能方式，为风力发电和太阳能发电产生稳定的电力品质提供了技术可能。因此从资源环境和技术评价两方面来看，风光互补电源形式是一种合理的离网型供电方案。
1、系统组成
如图1所示，一套完善的风光互补电源系统主要包括发电部分、控制部分、负载部分、蓄电池和泄荷单元等。各部分受风光互补控制器控制，为离网型独立电源。
2、发电部分
由太阳能电池板和风力发电机组成，白天光照强时风弱，夜间或阴天光弱时风强，时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性，为风光互补电源系统的建立提供了能源保障。太阳能电池板产生直流电，可选用多晶硅太阳电池组件，要求用高透光率低铁钢化玻璃，外加阳极化优质铝合金边框，具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性；风力发电机产生交流电，在选型时要求风力发电机是低速型风机，具有发电效率高、结构简单、质量稳定、维护量低、在恶劣的天气情况下自动偏航保护等特性。
3、蓄电池和泄荷单元
根据负载选择合适功率的蓄电池，它具有放电功率大、充电更迅速、循环寿命长、重量轻、性能可靠、均衡等优点，蓄电池完成电能的储存及负载的供电。20世纪60年代中期，美国科学家马斯提出了以最低出气率获得蓄电池的最佳充电电流曲线。由最佳曲线可知，充电初期采用大充电电流以加快充电速度，充电末期减小充电电流以免产气过于剧烈使极板上的活性物质脱落损坏，降低电池容量和寿命。本系统蓄电池的充电采用阶段充电法，阶段充电法综合了恒压充电和恒流充电两种充电方法，有效地防止了这两种充电方法的不足[3]。泄荷器的作用是，当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电量时，即发电量过剩时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，充电电路受泄荷控制电路接通泄荷器，将多余的电能通过泄荷器消耗掉。
4、负载部分
该部分根据实际运用场合完成设计，其中逆变技术的引入，转直流为交流为交流负载和并网发电提供了可能。当前，该系统主要用于照明，例如：路灯、偏远地区照明、高速公路照明等。照明路灯采用了两种形式：低压钠灯 (LPS) 和发光二极管 (LED) 。低压钠灯的问世是人类室外照明，特别是风光互补照明光源的一次革命。对比常用电源，同样的光通量及照度，节电可达50%以上。LED照明灯具的出现，使人类照明产业开始了第三次飞跃，其特色如下： (1) LED为半导体元件，与白炽灯不同，没有玻璃、钨丝等易损可动部件，故障率极低，可免维护； (2) 寿命长，可达20000～25000h (传统光源寿命仅2000～3000h (3) 响应时间短，只有60ns； (4) 高效率、低能耗，电能利用率高达80%以上； (5) 体积小、重量轻，最适合设计成紧凑的路灯灯具； (6) 绿色照明光源，不含汞等有害物质，发热量、辐射很少； (7) 大功率白光LED的发光效率一般为80Im/W，目前已突破100lm/W，这对白光LED灯的设计创造了良好的条件[4]。
5、控制部分
风光互补控制器为该系统的核心部分，如图2所示：单片机系统完成风机输出电压、光伏电池输出电压、负载电流、蓄电池电压的采样，并进行负载控制、完成译码显示，通讯接口电路进行各种功能设定。其中系统电路的工作电源为+5V，由+5V直流稳压电源电路提供；风机输出电压为三相交流电，因此需要通过整流、滤波、稳压将其转换为直流电供蓄电池充电使用；对于路灯等应用系统，光伏电池输出电压的采样可对光电池电压进行监测，进而控制灯亮灯灭；蓄电池电压的采样可对蓄电池电压进行监测，完成充电控制和过放保护；负载电流的采样可对负载电流进行监测，完成负载短路保护、超负载保护。
6、结束语
总之，风光互补发电系统作为独立的电源系统，具有一定的合理性和可靠性，有着广泛的应用领域。在远离电网的地区，独立供电系统已经成为人们最需要的电源。边防哨所、邮电通讯的中继站、公路、渔船和铁路信号站、地质勘探野外的工作站以及偏远的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统；对于城市里的景观灯、路灯等，随着政府对节能环保的重视，应用前景也相当广阔。
摘要：风能和太阳能作为可再生能源, 复合发电的互补性很强。本文给出完善的风光互补发电系统组成, 对各部分原理进行了叙述。该系统为离网型发电, 发电成本低、无污染、使用场合广泛, 是一种极具发展前景的可再生能源组合。
关键词：风光互补发电系统,可再生能源,离网型发电系统
参考文献
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