[科普中国]-风力-光伏电力系统

发展过程及现状

最初的风力-光伏电力系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风力-光伏电力系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。

在国外对于风力-光伏电力系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。1

据国内有关资料报道，目前运行的风力-光伏电力系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风力-光伏电力系统等。

风力-光伏电力系统的研究一方面集中在系统的计算机仿真和优化设计目前，国外进行这方面研究的大学有Colorado State University，University of Massachusetts等。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory(美国可再生能源研究室)合作开发了hybrid2应用软件。该软件功能强大，能对一个风力-光伏电力系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得8760小时的运行结果。但它只是一个功能强大的仿真程序，并不具备优化设计功能。而在国内，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了一整套利用以CAD进行风力-光伏电力系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。

风力-光伏电力系统另一方面的研究主要是利用飞速发展的电力电子技术和微计算机控制技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。通过电力电子技术来实现风力发电和光伏发电的最大输出功率追踪捕捉以及负载端的交流/直流逆变输出。在这方面的技术创新层出不穷。华南理工大学研究设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输通过微计算机控制技术来实现对系统的控制与保护，保证系统在无人职守的情况下能稳定可靠地运行。这方面的研究多见于西北部偏远山区农牧民供电系统以及海岛居民生活用电系统。西藏K4w风光互补电站示范工程的完成、内蒙古户用风光互补系统的推广以及山东省某海岛30WK风力-光伏电力系统的成功运行都能体现出微计算机控制技术对风力-光伏电力系统控制带来的优越性。这方面的研究也是本文的重点。

风力-光伏电力系统的应用，就目前来看，如前所述，多作为独立的供电系统，用于远离电网的地区。如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远山区及海岛。2

系统结构风力-光伏电力系统的典型结构如右图所示。整个系统由能量产生环节、能量 存储环节、能量消费三个环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和光伏发电部分了，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，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，可分为直流负载和交流负载两类，交流负载连入电路时需要逆变器。另外，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。1

风力发电机组风力发电机组是风力-光伏电力系统中风能的吸收和转化设备。从能量转换角度来看，风力发电机组由两大部分组成，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。

1、风力机类型

作为风能接收装置的风力机，自古以来就有多种形式，特别是在近代得到了很大的发展。其分类方法有两种：

（1）以接受风能的形式可以分为升为式和阻力式；

（2）以风轮回转轴的方向，可以分为竖直轴式和水平轴式。

2、风力机工作特性

风力机起动时，需要一定的力距来克服其内部的摩擦力，这一力距称作风力机的起动力矩。起动力距与风力机本身传动机构的摩擦阻力有关，因此风力机有一个最低的工作风速，只有风速大于最低的工作风速时风力机才能工作。而当风速超过某一值的时候，基于安全上考虑，风力机应当停止运转，所以每台风力机都规定有最高工作风速，该风速值与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。介于最低风速和最高风速之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出，风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速称为该风力机的额定风速。为充分利用风力资源进行发电，应按当地的风力资源来确定风力机的起动风速和额定风速，进而选择合适的机型。

3、风电机组的工作方式

可用于风力发电的变速恒频发电方式有多种。如交流/直流/交流系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阶发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些方式的实现都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。

在风力-光伏电力系统中，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。1

光伏阵列1、光伏发电原理

光伏发电是基于“光电效应”原理的，利用太阳光线发电的一种新型、清洁发电供能方式。光伏发电系统中主要部件有：太阳能光伏电池、蓄电池、逆变器、用电负载。

RS为硅片内部电阻和电池电阻构成的串联电阻；Rsh就是结的分路电阻，就是一个漏损电阻。对一个理想的太阳能光伏电池来说，RS得很小，而Rsh就应该很大。由于Rs和Rsh分别是串联和并联在等效电路中，所以在进行电路计算时，它们阻值可以忽略不计。那么实际负载电流为：

IR=IL-ID-Ish

2、光伏电池

光伏电池是光伏发电系统中最基本且最重要的组成部分，所以必须根据必须根据适当场合选择合适的光伏电池，但这一切都必须基于对光伏电池的深刻了解。

目前比较实用的太阳能电池主要有：单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池最主要的优点是能够很快达到高效率，并且也使得光电转换效率不易随时间衰退，但缺点是价格昂贵。多晶硅太阳能光伏电池价格就相对便宜。非晶硅电池成本低，但是效率低以及光电转换效率随时间波动较大。3

工作原理风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，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充电，经过逆变器对负载供电；光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风力-光伏电力系统的供电质量；控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，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；蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏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。

风力-光伏电力系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。1

特点风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：

(1)利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

(2)在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；

(3)通过合理地设计与匹配，可以基本上由风力-光伏电力系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

风力-光伏电力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，无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风力-光伏电力系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。应该说，风力-光伏电力系统是最合理的独立电源系统。

太阳能和风能虽然存在上述一些优点，但是也有不足之处：

(1)能量密度低

太阳能和风能相对于火电、水电、核电等传统能源，其能量密度偏低，对于太阳能发电需要足够的受热面积，而风力发电机如果要提高输出功率，则必须要增加风轮的尺寸和整个风场的规模，才能达到我们所需要的电量，这都需要占用大面积土地资源。

(2)间歇性、不稳定性和不可控性

传统能源我们可以根据需求来调节供应，而太阳能只有在晴天和白天时才能，风机只有在风力达到要求时才能发电，且根据风速的大小风机输出的电量也随时都在变化，太阳能和风能的这种间性和不稳定性直接导致了不可控性，所以要有效利用太阳能和风能，储能是必不可少的。

由于这些不利的因素，太阳能或风能单独的经济可靠地使用就遇到许多技术问题。随着科学技术的发展，将太阳能和风能综合利用，组成一个互补系统成为一种实用的方式，使得我们可以更加稳定可靠经济合理地使用这无穷无尽的风光资源。1

应用前景1、偏远农村的生活生产用电

中国目前的农村人口数目众多。但偏远农村若靠电网供电，则需架设很长的输电线路，其经济性很差．很不现实。而在这些地方其风能和太阳能蕴藏量十分丰富。若采用太阳能，风能这些可再生能源进行发电。则可基本满足偏远农村的生活及照明用电。利用风力-光伏电力系统可以有效的解决用电问题。

2、路灯照明系统

风光互补路灯不需要输电线路。不消耗电网电能，一次性投入与常规路灯大体相当的建设经费后即可一劳永逸地利用取之不尽用之不竭的风能与太阳能提供稳定可靠的能源。与单纯由太阳能供电的路灯相比。风光互补路灯也有着显著优点：

(1)风能的充分利用不单大大提高了能量转换率。还显著降低了太阳能系统设备的成本。使其在长期阴雨天气下仍能持续工作，提高了供电系统稳定性；

(2)能量效率的提高使得风光互补路灯在光源配置上更灵活。

3、通信基站中的应用

移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信。都各自在全国建立了一定数量的通信基站。如今通信基站的建设已从最初期的城市内建设向城镇乡村发展．在未来的几年。还将更多地向不发达的西部地区、偏远山区发展。这些基站负荷比较小，若采用市电供电，架设输电线路代价很大。而采用风力-光伏电力系统可以很好的解决问题。可使用清洁能源自给自足。在十分重要的基站，则可以配备备用的柴油发电机，形成风光柴油混合发电系统，提高供电的可靠性。保证实时通信。

4、并网发电

弥补了独立风电和光电系统的不足。向电网提供更加稳定的电源。充分利用土地资源。风力发电设备利用高空风能。光伏发电设备则利用风机之间的地面太阳能实现地面和高空的有效结合。由于共用一套送变电设备。降低了工程造价。大大提高了经济效益。1