信號塔風光互補供電系統的應用設計

盧法波

(神華北電勝利能源有限公司，內蒙古自治區 錫林郭勒盟 026015)

1 概述

野外設備一般指氣象與地震監測、森林防火、水文監測等，大致都在比較偏遠地區使用，一般用電負荷都不大，但其供電系統卻要保持長期的供應，所以給供電系統帶來很大的難題。用電網送電就不合理，一來不便于架設電纜電線，二來成本過高，三來今后維護麻煩。而只能在當地直接發電，最常用的就是采用柴油發電機。但柴油的儲運對我地區成本太高，而且難以保障。所以柴油發電機只能作為一種短時的應急電源。要解決長期穩定可靠的供電問題，只能依賴當地的自然能源，隨著新能源、新技術的發展，使得發電系統的多元化，可以利用大自然的能源為我們所取用，太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。近20余年來，太陽能的應用已逐漸擴大，已廣泛用于戶用太陽能光伏電源系統(SHS);部隊的邊防哨所、海島駐軍供電系統;氣象與地震監測、森林防火、水文監測用太陽能電源系統;郵電通訊的中繼站、鐵路的信號站、地質勘探和野外考察的工作站、高速公路的監控電源系統;屋頂光伏電源系統;大型光伏發電站等方面。太陽能和風力發電是解決遠離電網的地區供電困難的首選系統，單獨的供電系統不能滿足多方面的需要，因此風光互補供電系統因此就成為野外設備最佳的供電電源［1］。

太陽能是地球上一切能源的來源，風能是太陽能在地球表面的另外一種表現形式，由于地球表面的不同形態(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數不同，在地球表面形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產生風能［2］。因此，太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太陽光最強時，風很小，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，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發電系統是資源條件最好的獨立電源系統［3］。

由于森林防火監控系統多數架設在林區的至高點，大多都沒有電源，所以它們的設備所需電源采用風光互補發電系統來供電是最佳的、最經濟的。

2 技術評價

光伏發電系統是利用光伏板將太陽能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統。該系統供電可靠性高，運行維護成本低，但系統造價高(一次性投入高，但長期來看還是比較合算，而且環保)［4］。

風力發電系統是利用小型風力發電機，將風能轉換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統。該系統的優點是系統發電量較高，系統造價較低，運行維護成本低。缺點是小型風力發電機可靠性低(受制于自然氣候影響大)［2］。

另外，風力發電和光伏系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致發電與用電負荷的不平衡，風力發電和光伏系統都必須通過蓄電池儲能才能穩定供電，但每天的發電量受天氣的影響很大，會導致系統的蓄電池組長期處于虧電狀態，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風力發電和光伏獨立系統在資源上的缺陷。同時，風力發電和光伏系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。

風光互補發電系統可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，既可保證系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價。無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風光互補發電系統都可作出最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。應該說，風光互補發電系統是最合理的獨立電源系統［3，4］。

3 風光互補發電系統的合理配置

風光互補發電系統由太陽能光伏板、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成［3］。

圖1 離網風光互補供電系統組成示意圖

控制器對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器的性能不好時，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統的可靠性。

蓄電池的任務是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。

逆變器負責把直流電轉換為交流電，供交流負荷使用。逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由于使用地區相對落后、偏僻，維護困難，為了提高光伏風力發電系統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發電成本較高，逆變器的高效運行也顯得非常重要。

發電系統各部分容量的合理配置對保證發電系統的可靠性非常重要。一般來說，系統配置應考慮以下幾方面因素。

3.1 用電負荷的特征

發電系統是為滿足用戶的用電要求而設計的，要為用戶提供可靠的電力，就必須認真分析用戶的用電負荷特征。主要是了解用戶的最大用電負荷和平均日用電量。

最大用電負荷是選擇系統逆變器容量的依據，而平均日發電量則是選擇風機及光伏板容量和蓄電池組容量的依據。

3.2 太陽能和風能的資源狀況

項目實施地的太陽能和風能的資源狀況是系統光伏板和風機容量選擇的另一個依據，一般根據資源狀況來確定光電板和風機的容量系數，在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數，最后光伏板和風機的容量。

4 風光互補系統設備選擇方案

系統配置 規格參數描述風力發電機(YF－600)最大功率720W/24V，啟動風速2.3m/s，切入風速3m/s，額定風速10m/s，制動風速14m/s，電磁及離心制動，額定轉速400r/min，鋁合金材料葉片3片，風輪直徑2.4m。太陽能光伏板(WLS－120C)最大輸出功率240Wp，采用二塊17.5V/120Wp單晶硅晶片的光伏板并聯使用，輸出電流可達6.86A。風光互補控制器(CZ2430)輸入24V/30A，輸出DC24V，風光互補控制器，基于CIFC系統穩定技術設計，蓄電池工作在均衡充電模式下，能有效延長蓄電池的使用壽命。風力發電機的轉速、輸出電壓、電流及輸出功率采用了柔性控制技術，系統實現了精確的功率分配，并采用了風機輔助啟動功能和異常保護功能，具有高效節能、安全可靠、適應惡劣工作環境等優點。蓄電池(TP200－12)采用中美合資免維護膠體鉛酸蓄電池4塊12V200Ah，2塊串聯為24V再兩組并聯成400Ah，可在零下35度正常工作。風機桿 斜拉式6m高電池箱備注:120W 電池板安裝參數及重量如下images/BZ_222_556_1489_859_1630.png組件尺寸W×L×H(mm)安裝孔縱向間距A安裝孔橫向間距B 安裝孔尺寸 重量1482×670×35 810 930 6－φ6.4 14kg

其性能特點:它具有特別適合內陸地區低風速時發電特性好、發電量大的特點，工作風速范圍寬，過載及抗大風能力強，運行平穩，效率高，保護功能齊全完善，安裝使用便捷，安全可靠。安裝方便、獨立供電、無需人值守、維護量少、搬遷方便、一次性投資免交電費。具有機械、電子卸荷剎車裝置，可以確保在高風速時，風機轉速穩定控制在安全可靠的范圍內，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓，達到國內一流水平［5］。太陽能光伏板設計周密而做了防腐、防潮處理，抗風能力強、無需維護。太陽能光伏板設計壽命為20～25年，風力發電機設計壽命為15～20年(機械磨損部件除外)，免維護蓄電池設計壽命為7～10年。這套方案在陰天并且無風時，系統還能正常給設備供電7天。

風力發電機組選用YF－600W/24V，在風速達到10m/s時，其輸出額定功率達600W，可同時給設備供電和蓄電池充電;平時風速不到10m/s、只要能達3m/S以上時，輸出功率有25W以上，足夠陰天下單獨給設備供電。

太陽能光伏板選用WLS－120C單硅晶片，光電能轉換效率在16%以上，選二塊120Wp的太陽能光伏板串聯使用，能輸出最大額定功率240W，完全滿足無風的狀態下，不只是單獨給設備供電，還能小電流的給蓄電池充電，這樣配置有利于今后增加設備。

風光互補控制器使用了專用電腦芯片的智能化控制器，能縮小使用空間、提高穩定性、安裝方便尤其是適合室外作業。具有短路、過載、獨特的防反接保護，充滿、過放自動關斷、恢復等全功能保護措施，詳細的充電指示、蓄電池狀態、負載及各種故障指示。本控制器通過電腦芯片對蓄電池的端電壓、放電電流、環境溫度等涉及蓄電池容量的參數進行采樣，通過專用控制模型計算，實現符合蓄電池特性的放電率、溫度補償修正的高效、高準確率控制，并采了用高效PWM蓄電池的充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態，大大延長蓄電池的使用壽命。具有多種工作模式、輸出模式選擇，滿足用戶各種需要。當外部電路異常或短路時，本機自動關閉輸出;當蓄電池電壓低于額定值的85%時，為防止蓄電池過放電將自動關閉輸出電路;當電壓超過額定值+22%時，機器將自動開啟泄荷旁路，并且具有防反接保護。控制部分是智能化自動調節輸出功率的分配，在系統達到總額定輸出時，能控制輸出的70%給蓄電池充電，30%給設備供電;在不足總額定輸出時，會自動調整功率分配百分比，這樣就能到達設備正常工作所需的電能。

圖3 信號塔風光互補供電系統實物圖

［1］李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與維護［M］.人民郵電出版社，2010.1

［2］張希良.風能開發利用［M］.北京:化學工業出版社，2005.1

［3］Mehdi Dali，Jamel Belhadj，Xavier Roboam，Hybrid solar-wind system with battery storage operating in grid-connected and standalone mode，7th International Conference on Sustainable Energy Technologies，June 2010

［4］馮垛生.太陽能發電原理與應用［M］.人民郵電出版社，2007.7

［5］Jiabing Hu，Yikang He，DFIG wind generation systems operating with limited converter rating considered under unbalanced network conditions-A-nalysis and control design，Renewable Energy，Volume 36，Issue 2，2011