風光互補供電系統的組成與結構

甘勇見

（浙江鴻遠科技有限公司，浙江 杭州 310015）

從系統的組成角度來說，風光互補發電系統具體分為兩大部分，包括風力發電機組與太陽電池組件。在實際應用中可以將風的動能以及太陽的光能，有效轉化為電能，屬于混合發電系統。使用的風力發電機，其是依靠自然風獲得動力，利用風輪吸收風的能量，進而帶動風輪和發電機運行，實現風能到電能的轉化。太陽能發電模式主要是運用光伏發電原理，實現的能量轉換。此系統的組成部件，具體包括風力發電組件、太陽電池組件以及風光互補控制器等，現對其進行以下分析。

1 風力發電機組

風力發電機是利用風輪帶動發電機來發電的，它是將風能轉換為電能的一種機械裝置。把風能轉變為電能是風能利用中最基本的一種方式。風力發電原理是：風能具有一定的動能，通過風力機把風能轉化為機械能，帶動發電機發電，經過整流器等設備得到穩定的直流電，可通過逆變器輸出三相交流電，供給三相負載。

基于能量轉換的層面來說，組成風力發電機的主要部分包括風力機和發電機。在實際應用中，風力機能夠實現風能到機械能的有效轉化，利用發電機可以實現機械能到電能的有效轉化。

1.1 太陽能電池方陣

從光電轉換裝置來說，太陽能電池屬于最小單元。其尺寸大小處于2×2~15×15cm范圍內；運行時，電壓大小處于0.45~0.5V范圍內；工作電流大小處于20~25mA/m2范圍內，通常需要組合使用提供電源。這需要對各個太陽能電池單體，采取串聯的方式組合起來，并且進行封裝處理，進而組建太陽能電池組件。實際應用中，其功率大小從幾瓦到百余瓦不等，能夠單獨作為電源使用。一個組件上，太陽能電池單體的標準數量是36個或40個或72個，大約能產生16V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池組進行有效的充電。太陽能電池組件再經過串并聯并安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，它的每個支路通過防反二極管、充電控制器并聯向負載和蓄電池供電，可以滿足負載所要求的輸出電壓和輸出電流。

1.2 蓄電池組

風光互補獨立供電系統中的儲能裝置是蓄電池組，蓄電池組由若干蓄電池串并聯而成。其作用是儲存風力發電機和太陽電池方陣發出的除負載耗電外的多余電能，并且在風力發電機和太陽電池方陣發電量不能滿足負載需求時向負載供電。在此供電系統的匹配設計中，在風光互補供電系統中，蓄電池組屬于重要設備。從系統構建的角度來說，風電發電技術以及太陽能電池技術水平不斷提高，其應用成本有所降低，使得蓄電池組的應用成本在系統總投資中的占比不斷增加，因此做好蓄電池容量的優化配置有著重要的意義。一般來說，容量越大，初期投資就越大，很容易出現蓄電池充電不足的問題，進而長期處于虧電的狀態，同時受到自身放電的影響，使得蓄電池很容易被損壞。相反，容量如果過小很容易過放，難以滿足負載用電的基本需求，缺少可靠性。

目前，應用較為廣泛的蓄電池，主要分為三個類型，具體包括鉛酸型、堿性鎘鎳型、鐵鎳型。在風光互補獨立供電系統中，多使用鉛酸蓄電池，重要場合也有用鎘鎳蓄電池，但是鎘鎳蓄電池價格較高，得不到廣泛應用。對于容量在200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業密封免維護鉛酸蓄電池；若容量小于200Ah，建議使用小型密封并且免維護類型的鉛酸蓄電池。

由于在風光互補獨立供電系統中，蓄電池組的蓄電量比負載所需電量大得多，蓄電池多數時間處于浮充放電狀態，因此還要對蓄電池的性能做一些基本的要求：（1）自放電率低；（2）電池的使用壽命要長；（3）具有一定的深放電能力；（4）具有較高的充電效率。

1.3 控制器

控制器也是風光互補獨立供電系統的核心部件之一，一般由各種電子元器件、儀表、繼電器和開關等組成。實現控制器控制功能的方式有多種，其中比較常用的有邏輯控制和計算機控制。而智能控制器多采用計算機控制方式，風光互補獨立供電系統中的控制器即是使用計算機控制方式。

風光互補獨立供電系統中控制器，其在實際應用中主要負責電量調節輸配以及控制。既可以將經過調整后的電量輸送到直流負載或者交流負載，也能夠將多出來的電量輸送到蓄電池組進行儲存。系統運行時如果風力發電機組以及太陽電池組的發電量，難以滿足負載的實際需要，利用控制器可以把儲存的電能輸送到負載。當蓄電池組處于滿電的狀態時，利用控制器對蓄電池進行控制，使其避免被過度充電。若蓄電池內儲存的電能可以達到最大放電深度，利用控制器可以避免被過度放電，實現對蓄電池性能的有力保護。

一般來說，控制器裝置的質量如何，直接影響蓄電池的使用效果，同時影響系統的性能。因此，設置的控制器必須具有多樣化功能。具體如下：（1）信號檢測功能。利用檢測系統中的各類裝置和單元的運行情況以及信息，為供電系統運行狀態判斷和控制等，提供相應的數據依據。在具體實踐中，通過采集輸入電壓和充電電流等，為相關工作的開展提供助力。（2）最優充電控制功能。利用設置的控制器裝置，能夠結合太陽能以及風能資源使用情況，同時根據蓄電池的荷電狀態，選擇適合的充電方式，進而實現高效并且快速充電。（3）放電管理功能。在蓄電池放電環節，必須要做好管理控制，比如負載自動控制開關機等。（4）設備保護功能。一般來說，系統中使用的各類用電設備，實際運行的過程中要利用控制器裝置提供保護，以免系統出現運行問題或者用電設備發生損壞。

1.4 逆變器

在實際應用中，逆變器的作用主要是對直流電進行轉換，使其成為交流電。從裝置的組成來說，其主電路的構成以大功率晶體管為主，使用的是正弦脈寬調制工作制，有著很強的抗干擾能力以及過載保護能力等。目前，風力發電機組以及太陽電池組運行發出的基本上都是直流電，如果負載為交流負載，那么要使用逆變器，逆變器也是風光互補獨立供電系統的重要部件之一。

按照運行方式，逆變器可以分為獨立運行逆變器和并網運行逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的風光互補供電系統中，為負載供電；并網運行逆變器用于并網運行的風光互補供電系統中，能將直流電轉變為交流電并將電能并入電網。依據輸出波型進行劃分，逆變器主要劃分為方波逆變器以及正弦波逆變器。其中，正弦波逆變器具有較強的優勢，是未來應用的主要趨勢，適用于光伏發電系統應用以及風力發電系統應用等。

為了提高風光互補獨立供電系統的整體性能，為確保供電系統可以長期處于高效運行狀態，要合理地選擇逆變器裝置。除了考慮性能水平外，還必須做好經濟性分析，保證發電的經濟效益。從專業角度來說，逆變器的選擇，要做好最大輸出功率的衡量。對于逆變器容量的配置，必須依據負載最大用電功率、負載性質進行綜合考慮，一般根據用戶同時使用負載功率的總和來確定。

1.5 系統各組件的運行控制策略

從使用的供電系統角度來說，負載的電能來源，以風力發電機組以及太陽能電池板系統為主。在實際應用中，如果發電機組以及太陽能電池組提供的電力，可以達到負載所需，那么可以運用機組提供電源，同時若存在多余電量，則利用控制器送到蓄電池組。如果無法提供所需的負載電量，則應用控制系統通過控制蓄電池組放電，提供相應的負載電力。控制系統作為整個系統的關鍵，其根據系統運行實際情況的參數，通過實時檢測以及運算分析，進而控制系統的啟閉。主要采集的數據信息包括電壓和電流等，基于動態分析和判斷，達到控制系統的各目的。除此以外，使用的控制系統，其具備儲存以及顯示系統各項運行數據的功能，利用通信接口，實現數據的傳輸以及顯示等功能，為后續的分析提供完整的數據資料。

2 結語

從實際應用中，風能和太陽能之間具有較強的互補特性，若單獨使用風力發電或者單獨使用光伏發電，則難以保證電力輸出的穩定性和經濟性，而采取風力和光伏互補的發電方式，可以保證系統運行的穩定性。不僅能夠保證供電量充足，還能夠減少電池容量，而且風光互補供電系統的應用，相比單一發電方式而言，具有不錯的電池保護功能，使用期限很長。