風光互補發電系統設計方法研究

李習武

摘 要：風光互補發電系統是將風力發電和太陽能光伏發電組合起來構成的發電系統。整個發電系統由光伏電池陣列、光伏方陣直流防雷匯流箱、控制器、逆變器、交流防雷配電柜、防雷接地裝置、蓄電池組、測量設備等各部分組成。闡述了風光互補發系統各部分的構成特點及設計中應注意的問題。

關鍵詞：風光互補發電；風力發電；太陽能光伏發電；控制器

中圖分類號：TM614；TM615 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）20-0002-02

風光互補發電系統作為一種綜合利用光能、風能的電源系統，一方面可為供電不便地區的電網提供高可靠性、低成本的電源；另一方面也可為有效解決當前的環境污染和能源危機提供新的發展思路。單獨的太陽能、風能系統通常會受到地域、時間上的限制，尤其是無法全天候地利用太陽能或風能。然而，太陽能和風能在時間、地域上具有非常強的互補性特點。比如，白天光照較強時，風速較??；而夜間光照較弱時，風速則會因地表溫差變化不斷地增大。從這一層面來講，太陽能和風能在時間上是可以相互彌補的。

風光互補發電系統具體的構成參數取決于實際應用過程中的最大用電負荷和日均發電量。其中，最大用電負荷是系統逆變器容量選擇的主要依據；而日均發電量則是風機容量、光電板容量和蓄電池組容量選擇的主要依據。光伏發電單元采用的是光電板，可以對太陽能進行有效的轉化，利用智能管理核心實現充電、放電以及逆變；而風力發電單元主要是利用一些小型的風力發電機對風能進行有效轉化，通過智能管理核心對系統進行充、放電管控。從應用實踐來看，上述2個基本單元在能源采集層面上表現出一定的互補性，而且各具特色，2套系統相互補充大大提高了供電的安全性。

1 風光互補發電系統的設計

圖1所示為風光互補發電系統結構圖。該系統是集風能、

太陽能和蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合再生能源發電系統。

1.1 光伏電池陣列

太陽能電池單體作為光電轉換過程中的最小單元，面積僅有4～100 cm2。通常情況下，太陽能電池單體應用過程中的電壓只有0.5 V，電流大約為20～25 mA/cm2，因此，實際操作過程中不可將其單獨用作電源。太陽能電池單體串、并聯封裝完成后，構成了電池組，此時的功率為幾瓦至幾十瓦，可單獨用作電源。太陽能電池組件以后，經串、并聯后將其安裝在支架上，此時便構成了一個電池方陣，可滿足負載輸出功率的要求。實踐中，為滿足實際應用要求，需要將太陽能電池用導線連接起來，構成一個電池組件。一般來說，每個組件上的太陽能電池數量為36片（規格為10 cm×10 cm），即每個組件可以產生17 V的電壓，能夠為12 V的額定電壓蓄電池充電。太陽能電池組件通常具有防風、防腐、防雹和防雨等功能，而且在各領域和各系統中的應用都非常廣泛。當實際應用過程中所需的電壓、電流相對較高，單一的組件無法滿足要求時，可同時將多個組件并聯在一起，構成一個電池方陣，以此來提高電壓、電流值。對于太陽能電池而言，其安全性和可靠性主要取決于防風、防腐、防雹和防雨能力與強度，主要的潛在質量問題為邊沿密封、組件背面接線盒問題。太陽能電池前面為玻璃板，背面為合金薄片。合金薄片的主要功能是防污、防潮。通常情況下，太陽能電板被鑲嵌在聚合物之中，太陽能電池組件中的接線盒及電池之間可用導線直接連接。

從實際運用中可以看出，太陽能電池組件的輸出功率主要取決于太陽能光譜、輻照度以及太陽能電池的溫度，因此，太陽能電池組件的測量工作一定要在標準條件下進行。具體條件為：光譜輻照度1 000 W/m2，大氣質量系數AM1.5，太陽能電池溫度25 ℃。滿足上述條件的電池組件的最大輸出功率被稱為“峰值功率”。

1.2 光伏方陣直流防雷匯流箱設計

光伏方陣直流防雷匯流箱具有以下特點：①滿足室外應用要求；②可接入3～6路電池串列，且每路電流的最大值可達10 A；③接入最大光伏串列開路電壓為900 V；④熔斷器的耐壓值不小于DC1 000 V；⑤每路光伏串列具有二極管防反保護功能；⑥配有光伏專用高壓防雷器，正極、負極都具備防雷功能；⑦采用正、負極分別串聯的四極斷路器提高直流耐壓值，可承受的直流電壓值不小于DC1 000 V。

1.3 選擇合適的控制器

光伏充電控制器主要包括5種類型，即串聯型、并聯型、脈寬調制型、智能型和最大功率跟蹤型控制器。其中，串聯型控制器一般用于高功率系統中，且繼電器自身的容量在很大程度上決定著充電控制設備的功率等級；并聯型控制器消耗熱能較多，一般用于小型、低功率系統；脈寬調制型控制器充電時能形成較為完整的充電狀態，可有效延長光伏系統蓄電池的循環使用壽命；智能型控制器采用CPU單片機對光伏電源系統的運行參數進行高速、實時采集，同時，按照控制規律和要求，利用相關軟件程序對多路、單路光伏陣列切離或接通管控；最大功率跟蹤型控制器主要是將太陽能電池電壓U與電流I檢測后相乘，從而得到功率P，據此來判斷太陽能電池的輸出功率。如果不在最大功率點運行，那么需對脈寬進行調整，調制輸出占空比D，并對充電電流進行合理調整。在實時采樣時，需作出是否改變占空比的正確判斷，通過不斷地尋優來保證太陽能電池在最大功率點運行，并利用太陽能電池方陣將能量輸出來。

1.4 選擇合適的光伏逆變器

對光伏發電系統的逆變器有以下幾點要求：①具有較高的逆變效率；②具有較高的可靠性；③直流輸入電壓有較廣的適用范圍；④逆變器的輸出應為失真度較小的正弦波。

1.5 交流防雷配電柜設計

配電柜加裝電涌保護器，經交流斷路器接入用戶系統，并配備數字式發電計量表。每臺交流配電柜都裝有電壓表和輸出電流表，可以直觀地顯示發電單元的電壓和電流。

1.6 防雷接地裝置

實踐中，為保證風光互補發電系統運行的安全性和可靠性，防止出現因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統器件損壞，防雷接地裝置的布設是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎設施、太陽能電池方陣的建設過程中，擬建地點周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來，接地電阻應小于4 Ω。

1.6.2 直流側防雷方法

電池支架應當有效接地，太陽能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內配備高壓防雷器保護設備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經多級防雷設備保護可避免雷擊，以免損壞設備。

1.6.3 交流側防雷方法

每臺逆變器交流輸出需經過交流防雷柜（內部配備防雷保護設備）接入用戶，以免出現雷擊、浪涌現象。此外，應保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設備。通過蓄電池組將太陽能電池方陣從太陽輻射能有效轉換來的直流電轉換為化學能，然后貯存起來。蓄電池主要參數為蓄電池的電壓、容量和型號。

1.8 測量設備

對于小型電池發電系統而言，只需對其進行簡單測量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽能通信電源、陰極保護系統而言，通常需要對其進行更多參數的測量，比如太陽能輻射量、充放電電量和環境溫度等，甚至需對其進行遠程數據傳輸、遙控和數據打印，此時需對太陽能電池發電系統配備智能化數據采集系統。

2 結論

將太陽能和風能作為再利用資源，可使風光互補發電系統實現不間斷的供電。在太陽能和風能資源豐富的偏遠地區，由于負荷比較分散，用電量相對較少，長距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒有必要實現并網發電。隨著社會經濟的快速發展，人們對用電量的需求越來越大，相信風光互補發電系統將會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]劉志煌.風光互補發電系統的優化設計研究[D].廣州：廣東工業大學，2009.

[2]吳春華.光伏發電系統逆變技術研究[D].上海：上海大學，2008.

[3]周志敏，紀愛華.風光互補發電實用技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

實踐中，為保證風光互補發電系統運行的安全性和可靠性，防止出現因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統器件損壞，防雷接地裝置的布設是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎設施、太陽能電池方陣的建設過程中，擬建地點周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來，接地電阻應小于4 Ω。

1.6.2 直流側防雷方法

電池支架應當有效接地，太陽能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內配備高壓防雷器保護設備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經多級防雷設備保護可避免雷擊，以免損壞設備。

1.6.3 交流側防雷方法

每臺逆變器交流輸出需經過交流防雷柜（內部配備防雷保護設備）接入用戶，以免出現雷擊、浪涌現象。此外，應保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設備。通過蓄電池組將太陽能電池方陣從太陽輻射能有效轉換來的直流電轉換為化學能，然后貯存起來。蓄電池主要參數為蓄電池的電壓、容量和型號。

1.8 測量設備

對于小型電池發電系統而言，只需對其進行簡單測量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽能通信電源、陰極保護系統而言，通常需要對其進行更多參數的測量，比如太陽能輻射量、充放電電量和環境溫度等，甚至需對其進行遠程數據傳輸、遙控和數據打印，此時需對太陽能電池發電系統配備智能化數據采集系統。

2 結論

將太陽能和風能作為再利用資源，可使風光互補發電系統實現不間斷的供電。在太陽能和風能資源豐富的偏遠地區，由于負荷比較分散，用電量相對較少，長距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒有必要實現并網發電。隨著社會經濟的快速發展，人們對用電量的需求越來越大，相信風光互補發電系統將會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]劉志煌.風光互補發電系統的優化設計研究[D].廣州：廣東工業大學，2009.

[2]吳春華.光伏發電系統逆變技術研究[D].上海：上海大學，2008.

[3]周志敏，紀愛華.風光互補發電實用技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

實踐中，為保證風光互補發電系統運行的安全性和可靠性，防止出現因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統器件損壞，防雷接地裝置的布設是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎設施、太陽能電池方陣的建設過程中，擬建地點周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來，接地電阻應小于4 Ω。

1.6.2 直流側防雷方法

電池支架應當有效接地，太陽能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內配備高壓防雷器保護設備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經多級防雷設備保護可避免雷擊，以免損壞設備。

1.6.3 交流側防雷方法

每臺逆變器交流輸出需經過交流防雷柜（內部配備防雷保護設備）接入用戶，以免出現雷擊、浪涌現象。此外，應保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設備。通過蓄電池組將太陽能電池方陣從太陽輻射能有效轉換來的直流電轉換為化學能，然后貯存起來。蓄電池主要參數為蓄電池的電壓、容量和型號。

1.8 測量設備

對于小型電池發電系統而言，只需對其進行簡單測量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽能通信電源、陰極保護系統而言，通常需要對其進行更多參數的測量，比如太陽能輻射量、充放電電量和環境溫度等，甚至需對其進行遠程數據傳輸、遙控和數據打印，此時需對太陽能電池發電系統配備智能化數據采集系統。

2 結論

將太陽能和風能作為再利用資源，可使風光互補發電系統實現不間斷的供電。在太陽能和風能資源豐富的偏遠地區，由于負荷比較分散，用電量相對較少，長距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒有必要實現并網發電。隨著社會經濟的快速發展，人們對用電量的需求越來越大，相信風光互補發電系統將會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]劉志煌.風光互補發電系統的優化設計研究[D].廣州：廣東工業大學，2009.

[2]吳春華.光伏發電系統逆變技術研究[D].上海：上海大學，2008.

[3]周志敏，紀愛華.風光互補發電實用技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕