[科普中国]-离网风光油互补发电系统

简介所谓风光互补，顾名思义，强调的就是风能与太阳能的结合。事实上，风能与太阳能的结合有着天然优势。风能是太阳能的另一种转化，太阳照射地球引起温度变化产生风。我们可以注意到，一般白天风小太阳辐射大，夜晚风大太阳辐射小，夏季风小太阳辐射大，冬季风大而太阳辐射小，晴天风小雨天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性和随机性的缺陷，实现不间断供电。

风光互补发电系统大体上可以分为两类，一类是并网型发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂，将接受来的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、同相的正弦交流电流;另一类是离网型发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，系指采用区域独立发电、分户独立发电的离网型供电模式，将接收来的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。离网型较并网发电而言投资小、见效快，占地面积小，从安装到投入使用的时间视其工程量，少则一天多则二个月，无需专人值守，易于管理1。

离网型风光互补发电系统的结构系统由太阳能电池板、风力发电机、智能控制器、蓄电池组、逆变器等组成。太阳能电池板输出的直流电和风力发电机发出的交流电(经三相整流桥整流成直流电)，通过智能控制器对蓄电池进行充放电管理，在蓄电池未充满时，对蓄电池进行最大功率充电;当蓄电池被假充满时，控制器控制蓄电池不被过充，使蓄电池处于浮充状态;当蓄电池放电至蓄电池过放电压时，控制器将发出蓄电池电量不足告警并切断蓄电池的放电回路，以保护蓄电池。通过逆变器去带动交流负载，通过DC-DC转换电路去带动直流负载。实时采集太阳能电池板、风力发电机、蓄电池组件和负载的状态，实现系统智能控制，系统稳定、可靠及无人值守工作。该系统具有广泛的用途和商业价值，比如风光互补路灯、风光互补移动电源、风光互补家用电源、风光互补移动基站等。

离网型风光互补发电系统的原理(1)风力发电部分是利用风力机捕获风能并将其转换为机械能，然后通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池进行充电，可直接对直流负载供电，也可经过逆变器对交流负载供电;

(2)光伏发电部分利用太阳能光伏阵列的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，可直接对直流负载供电，也通过逆变器将直流电转换为交流电对交流负载供电;

(3)逆变器部分的作用是将风光互补发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。在很多场合，都需要提供AC220V, AC110V的交流电源。由于蓄电池的直接输出一般都是DC12V, DC24V, DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，因此需要使用DC-AC逆变器。同时它还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量;

(4)控制器部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，协调风力发电机组、光伏阵列的最大功率跟踪，以及实现对蓄电池的充放电控制、过充过放保护等功能。它不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节:一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载;另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性;

(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在风光互补系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统和风力发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用，从而保证负载工作的连续性和稳定性。

研究应用现状起初的风光互补发电系统，就是将风力发电机和光伏阵列进行简单的组合，由于缺乏详尽的数学计算模型，同时系统只是在保证率低的用户中使用，因此导致系统使用寿命不长。

近几年来，风光互补发电系统的研究一方面主要是利用飞速发展的微计算机控制技术和电力电子技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。为提高系统的供电高效性，现在的风光互补发电系统大都采用最大功率跟踪来保证光伏电池和风力机输出功率尽可能最大，提高整个系统的工作效率。随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展，MPPT技术达到鼎盛时期，人们将MPPT控制与DC/DC变换器连接起来，结合定电压法等已有的控制算法，通过

硬件和软件控制相结合的方法来达到最大功率点的跟踪。除了恒定电压法、增量电导法、扰动观察法等常见算法外，近几年出现一些新的算法如滞环比较法最优梯度法、间歇扫描法跟踪、模糊逻辑法、神经网络预测法等等，由于这些控制算法复杂，要求微机配置高及出于成本等诸多因素的考虑，应用于工程实践中还需一段时间。

风光互补发电系统另一方面的研究集中在系统的计算机仿真和优化设计。国外相继开发出一些模拟光伏阵列、风力发电机及其互补发电系统性能的大型工具软件包。我们通过模拟不同系统配置性能和供电成本便可得出最佳的系统配置。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory合作开发了hybrid2应用软件。 hybrid2本身是一款很优秀的软件，它可对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的太阳辐射、风速数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有合肥工业大学、中科院电工研究所、内蒙古农业大学、内蒙古大学等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率2。

风光互补发电系统的应用前景为推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设，政府不断推出扶持政策来支持风光互补系统的发展。随着光伏发电技术，风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，风光互补发电系统的推广应用越来越广泛。其应用前景如下:

(1)无电农村的生活、生产用电。中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。

(2)半导体室外照明中的应用。目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有:风光互补LED智能化路灯、风光互补LED小区道路照明工程、风光互补LED景观照明工程、风光互补LED智能化隧道照明工程、智能化LED路灯等。

(3)航标上的应用。风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行、效果明显。

(4)监控摄像机电源中的应用。应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗的可能，有效防盗。

(5)通信基站中的应用。目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。

(6)抽水蓄能电站中的应用。风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。

总结近年来，受传统能源价格上涨和全球气候变化的影响，新能源开发利用日益受到国际社会的重视;:我国有非常丰富的可再生资源，能够满足开发利用的需求。我国也把大力开发利用新能源及可再生能源作为优化我国能源结构、保障我国能源安全的战略新高点。新能源产业被纳入国家战略性新兴产业。

通过分析风光互补发电系统的工作原理和国内外发展现状，深入研究光伏阵列工作原理，风力发电机工作特性以及蓄电池充、放电过程中电化学反应机理，蓄电池充放电控制原理，太阳能、风能的最大功率跟踪(MPPT)算法等的基础上，本文采用一种改进的MPPT跟踪算法一变步长扰动观察法，解决了传统算法跟踪速度慢、易在最大功率点附近产生振荡的难题3。