風光互補發電系統的優化設計

樊剛強 馬罕志 楊勇

摘 要：風能、太陽能等新興能源儲量豐富，對環境友好，能有效緩解因傳統化石能源匾乏帶來的經濟危機。獨立型風光互補發電系統能有效利用新能源，解決無電地區供電問題。在獨立系統建設過程中，對供電系統容量進行優化設計能有效降低系統投資，提高系統風光資源利用率。基于此，本文將著重分析探討分布式風力太陽能光伏互補發電系統，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：分布式風力；太陽能光伏；發電；技術

在人們生活與生產過程中，能源扮演著重要的角色，它是社會進步、經濟發展的可靠物質保障。在人類社會發展進程中，石油、煤炭與天然氣是能源體系中的重要成員，但此類燃料在使用過程中，造成了嚴重的污染問題，破壞著生態系統的平衡。近幾年，世界范圍內均十分關注能源的應用，可再生能源作為清潔、高效、無污染能源，滿足了人們的環保要求，同時也符合經濟發展的需要。在此背景下，風光互補發電系統得以建立、應用與發展，該系統積極利用了風能與太陽能，通過二者互補性的有效結合，進而形成了新型的能源發電系統。

1 風光互補發電系統的概況

風光互補發電系統主要是對風能與太陽能進行了運用，同時結合了多種能源發電技術，其系統是由智能控制技術實現控制的，它屬于可再生能源發電系統。該系統的構成主要有風力發電組件與太陽能發電組件，利用蓄電池將電能進行存儲，此時電池中的直流電將由逆變器將其進行轉換，使之成為交流電，再借助輸電線路，最后傳輸至用戶，從而滿足了用戶的供電需求。風光互補發電系統的建立具有一定的合理性，主要是由于太陽能與風能二者間具有良好的互補性。太陽能源于太陽內部的核聚變，在此反應下隨之產生了大量的、持續的能量；風能屬于太陽能的一種表現形式，地球表面能夠吸收太陽光照，此時吸收的形態存在差異，因而，吸收的能力也有所區別，在此基礎上，地球表面的溫差隨之出現，此后，在空氣對流過程中，形成了風能。太陽能與風能，二者具有一定的互補性，主要體現在時間分布上，具體如下：在白天，當風能較弱時，太陽能設備可作為互補輔助產能{在晚上，沒有太陽能時，風能設備可作為互補輔助產能；在夏季，氣溫高空氣體積膨脹，較低的空氣密度導致風能較小，但太陽輻射強，太陽能較大；在冬季，氣溫低空氣體積收縮，較高的空氣密度導致風能較強，但太陽輻射弱，太陽能較小。風光互補發電系統有效利用了二者的互補性，從而實現了資源的合理配置與高效利用。

2 風光互補發電系統的應用

在我國，太陽能、風能等再生能源均十分豐富，因此，對其應用具有廣泛性，在諸多領域，其應用均具有高效性、經濟性與可持續性。下文介紹了風光互補發電系統的應用，具體內容如下：

2.1 應用于無電農村

在中國，各個區域的經濟發展水平存在一定的差異，不平衡的經濟發展狀況，導致部分農村的生活與生產缺少電能，如：青藏高原與內蒙古自治區等，但此類地區擁有豐富的風能與太陽能，因此，利于風光互補發電系統的應用。現階段，我國為了滿足農村的用電需求，積極建立可再生能源供電系統，己建成的有千余個，通過系統的獨立運行，即：獨立式發電的運用，為農村提供了可靠的電能，但此時的供電系統，僅能夠滿足農村的生活用電及照明需求，由于系統不能滿足生產的用電負載，使得系統缺少經濟性。在此背景下，風光互補系統的應用要進行深入的研究，通過實踐，保證系統運行的可靠性與高效性，進而促進農村經濟的發展，使其生活水平不斷提升嘲。

2.2 應用于航標

太陽能航標在我國大部分地區均有所應用，它主要的依據為天氣情況，如果天氣條件不好，太陽能發電則不能滿足需求，進而需要風能發電，此時便彌補了天氣條件惡劣的空缺。通常情況下，在春季與夏季，太陽能配置均能夠滿足供電的需求，此時，風光互補系統則不被啟動；但在冬季或者天氣狀況不良時，太陽能發電的效果較差，此時，則要啟動系統，發揮風能發電的作用。

2.3 應用于日用品

風光互補發電系統在日用產品中的應用較為廣泛，主要包括路燈照明、供暖、充電電源、野營燈與獨立電源等。在城市路燈中對風光互補發電系統的應用是高效的，雖然其投資偏高，但減少了輸電線路與路面開挖埋管工程，同時也未能消耗電能，因此，該系統具有良好的經濟性。在城市道路與景觀照明等方面積極應用風光互補照明技術，其發展具有良好的態勢。

2.4 應用于建筑行業

隨著社會經濟的迅猛發展，為建筑行業的發展營造了良好的環境，該行業在發展過程中十分注重環保與節能，因此，對風光互補發電系統進行了全面的應用。在諸多建筑物中均安裝了太陽能集熱管與風力發電機，同時該系統也應用到了光伏一體化建筑、風光互補鍋爐、屋頂風力發電機與風光互補并網等。

2.5 應用于并網發電

并網發電過程中，光伏產品的應用是重要的，在發達國家，對于此產品的應用達到了80%，而在我國，未能有效利用光伏產品。在今后發展過程中，并網發電要積極應用光伏產品。如果在沙漠中安裝光伏產品，其總容量是可觀的，但如今，我國的裝機容量較少。風光互補發電系統應用于電網建設，不僅可以減少建設的成本，還可以降低能源的損耗，因此，我國在可再生能源的應用方面具有廣闊的市場。

2.6 應用于沙漠治理

在我國，雖然經濟的穩步發展，但沙漠治理的現狀不容樂觀，為了實現有效的治理，國家對其投入了大量的人力、物力與財力，在沙漠公路開通后，提高了當地居民的生活水平，改善了當地的自然生態環境。在沙漠治理過程中，對水資源、電能資源均有著較大的需求，因此，風光互補發電系統與風光互補水泵得到了積極有效的運用。

3 風光互補發電系統的優化

太陽能與風能二者的混合利用技術是由丹麥科學家提出來的，在1981年，科學家將風力機與光伏組件進行了簡單的組合，此時，對兩種能源的利用不夠充分。此后，世界各國均開始研究風光互補，主要是由于該系統滿足了可持續發展的需求，在技術不斷改進與完善后，于1982年，風光互補發電系統進行了實際應用。近幾年，國內外學者均十分關注對風光互補發電系統的研究。在國外方面，主要研究了系統的合理配置與優化設計等，加拿大科學家通過研究，建立了獨立的小型風光發電系統，此系統具有良好的可靠性與較低的成本，它以負載為依據，對風光資源進行了合理的配置，使得該系統發電成本得到了控制，同時也提高了系統的安全性、可靠性與可行性。在國內方面，主要研究了系統的性能、效率與控制策略等，有研究構建了風光發電系統的變結構仿真模型，在此模型的作用下，用戶可以對不同結構的風光發電系統進行重構，并且利用計算機進行仿真計算，進而全面了解了系統的性能、運行效率與控制策略；部分石油公司也對風光互補發電系統進行了研究，主要是為了保證邊際油田的高效開發，在研究過程中，對油田的特殊性、工程的實效性等因素均給予了考慮；在移動通信方面，也研究了風光互補系統，將其應用到了移動通訊配置中，有效解決了設備供電難的問題。

4 分布式風力——太陽能光伏互補發電系統

4.1 分布式風力——太陽能光伏互補發電系統的結構

風光互補發電系統一般由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池組、逆變器等組成。基于直流母線的組網方式，風光互補發電系統的結構。

4.2 風光互補發電系統工作狀態

根據天氣的變化情況可以將天氣情況大體分為四種：有風無光，有光無風，有風有光，無風無光。根據天氣的不同情況相應的風光互補發電系統中風力發電機組、太陽能光伏電池組和蓄電池組的工作情況如下表所示。

上表風光互補系統各部分工作情況“+”表示蓄電池充電，“-”表示蓄電池放電。系統出力有余時取“+”，出力不足時取“-”。由于風能和太陽能的隨機性，致使風力發電機和太陽能光伏電池組輸出的功率輸出也具有隨機性。風光互補發電系統的輸出功率關系可表示為：

Pz（t）=Pf（t）+Pg（t）±Px（t）

式中：Pz（t）為t時刻系統輸出的總功率；Pf（t）為t時刻風力發電機組輸出的功率；Px（t）為t時刻蓄電池組的輸出功率；Pg（t）為t時刻太陽能光伏電池組輸出功率；當風力發電機組和太陽能光伏電池組出力不足時取“+”，出力多余時取“-”。從公式可知，當風能與太陽能具有較好的互補性時，Pz（t）輸出保持較好的穩定性，Px（t）出力較少。則系統儲能容量的配置會相應地減小。

4.3 分布式風力——太陽能光伏互補發電系統技術

風速是影響風力發電系統功率輸出的重要因素，光照強度決定了光伏電池發電功率輸出的大小。同時負載用電量和蓄電池的儲能狀態也會影響系統的運行狀態，而且這些因素也會互相影響與制約。因此需要對風光互補發電系統進行合理控制，才能實現在不同條件下系統始終最優運行。控制的對象主要包括：對風力發電機和光伏電池的輸出功率進行控制；對蓄電池進行充放電控制；協調光伏發電與風力發電能量平衡等。

總而言之，隨著經濟發展，能源需求越來越大，特別是對電能的需求。目前，電能主要靠火。

5 結語

電廠產生，通過大量使用煤炭，導致空氣質量越來越差。為了社會的可持續發展，應對溫室效應，需要使用清潔能源來代替。太陽能與風能作為清潔能源資源，可以看做是可再生資源，可代替煤炭資源為人類經濟發展提供電能。風能發電系統與太陽能發電系統以其清潔、可再生等特點已經逐漸成了新的研究方向。對于遠離電網的偏遠山區、邊防哨所、島嶼等，需要獨立穩定的供電系統來提供可靠地電能。獨立的風能或太陽能由于受時間、區域等因素的影響，很難提供穩定的電能。在新能源應用領域，風光互補發電系統能夠充分結合這兩種資源優勢，應用前景廣闊。這就要求我們在以后的實際工作中必須對其實現進一步研究探討。

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項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目：NJZY17382

作者簡介：樊剛強（1984），男，碩士，講師，主要研究電氣控制、風光互補等。