風光互補發電技術的研究

王茂映 張湘

摘 要 隨著人們對環境重視度的提升，新能源得以迅速發展，但是目前傳統太陽能和風能發電受天氣影響較大，單獨入網使用較為困難，本文對風光互補發電系統進行綜述性研究，通過從風光互補發電系統的結構分析，闡述了互補發電面臨的問題，以及現有的解決方法，對目前還存在的問題和現狀進行探討，為進一步的研究提供參考。

關鍵詞 可在生能源 風光互補發電系統 風光互補發電結構

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）03-0001-02

1 背景

當今時代，能源和環境友好發展逐漸引起人們的關注，其中風能和光能的應用成為重要的研究方向;但是傳統太陽能和風能發電受天氣影響較大，單獨入網使用較為困難，太陽能和風能在時間上的互補性使得風光互補發電系統在資源利用上具有很好的匹配性[1]。因此風光互補發電在眾多的發電方式脫穎而出，風力發電和光伏發電廣泛的分布于我國各個地區，且開發潛力大，兩者的有機結合并不斷發展是今后研究的重要課題。

2 風光互補發電系統的結構

系統的發展，使風光互補系統的結構大致有以下幾部分組成：風力發電機組、太陽能電池方陣、集中控制系統、蓄電池組和負載等[2]。根據采用的母線結構不同，可以分成直流母線結構和交流母線結構，這兩種母線結構的分析可以得出直流母線結構只適用于單個用戶供電使用，交流母線結構由于其擴展性高，是未來風光互補系統引用到千家萬戶的主流選擇[3]。風力發電機組有很多的種類，就我國而言，主流供應商能提供的機組有：變槳變速機、定槳變速機兩種，但風機的選擇，還是要根據投入的地區來進行選擇。太陽能電池板是利用類似“硅”的材料制成，但單個太陽能電池板產生的電能有限，更何況其產能更是受到各種因素影響，所以采用太陽能電池方陣才能有效的產電[4]。集中控制系統囊括了對產生的電能進行轉換利用、對蓄電池組的充、放電策略選擇、對不同負載輸入交、直流的選擇等功能的實現。控制風電機和太陽能電池方陣隨不同環境變化而變化運行方式，來提高發電的效率。

3 風光互補發電技術的難題及解決方法

3.1 能量供需不平衡

蓄電池在風光互補發電系統中擔任儲電的角色，負載主要是直流負載、交流負載以及其他能耗，若兩者在系統中無法維持同步，將會對蓄電池的使用壽命產生不利的影響[5]。風光互補發電系統的發電受風速和光強的影響，天氣的好壞決定著整個系統的使用，天氣好時系統產生的盈余電量會儲存在蓄電池中;而天氣糟糕的情況下，系統對負載的供電量不足，則需要蓄電池穩定持續地供電，若使蓄電池長期處于虧電的狀態，將會使蓄電池的使用壽命減少[6]。蓄電池在風光互補系統中起微調和平衡負載的作用，但是電池的衰減會導致風光互補系統電能成本的增加。因此目前提出了解決方法：

1.大電流充電—限流充電—浮控制方法[7]。主充階段用大電流使電池電壓快速達到閾值，之后限流充電，直至利用浮充電壓時，將電池電量充滿。此方式的第三階段彌補了蓄電的自放電。

2.恒流充電—恒壓充電—浮充控制方法[8]。顧名思義，先采用恒流充電方式，在一定容量的基礎上再利用恒壓充電，當兩者的充電容量達到蓄電池的額定容量的80%左右，開始用比恒定電壓低的浮充進行充電。

3.二段式充電控制。開始用恒定電流充電至一定電壓，再用恒定的電壓充電。采用穩定的方式避免析氣對蓄電池的影響[9]。

4.新型控制系統。選擇對蓄電池合適的控制策略，除了充放電的控制，還要對蓄電池運行過程中進行保護的控制。

3.2 控制的精確性

目前太陽能電池板和風力發電機的控制還存在問題，太陽能和風能的間歇性和不穩定性增加了控制的難度，使得整個系統的精確性降低。太陽能電池板主要的控制方法有：擾動觀察法、恒壓控制法、電導增量法。風力發電機的控制方法有：擾動觀察法、最大功率給定法、電導增量法。整個系統需要搭配合適的控制方法對各個環節、負載、蓄電池以及太陽能電池板和風力發電機等進行更準確、穩定的控制，使風光互補發電系統更可靠。

3.3 其他的問題

1.有學者對風機的風速進行限定，防止風速過大對風力發電機產生過載、振動和破壞等不利影響，并且風速過大還會加速機械磨損，降低各個環節的配合、系統可靠性和安全性。

2.縱觀以往風光互補發電技術的研究，風光互補發電系統的追蹤控制策略和合理的發電與儲能容量的配置為當前主要研究的方向，應該從其他角度對整個系統進行研究，像有加拿大的學者對太陽能、風能和氫氣混合發電系統進行了開發和評估，因此可以從這方面入手[10]。

4 風光互補系統的應用現狀及方向

4.1 在輸水工程上的應用

輸水工程中有一個使用頻率少，但在整個系統中又起到很重要的作用——閥門，針對閥門的控制，如果控制不當，會對整個系統產生不可估量的影響，所以在控制方面采用手電兩用的方式，用電部分就采用風光互補系統，在控制方面，通過改進能適應在水下工作，控制箱上沒有設置實體開關，而是采用磁力筆、紅外藍牙遙控，不僅能防止錯誤操作，還能實現實時編程[11]。

4.2 在大型起重機上的應用

以輪胎式起重機（RTG）為例，傳統的RTG采用的動力源是大功率柴油發電機，但其輔助設備和控制系統都屬于小功率運行設備，采用柴油發電機供電會導致其使用效率低，所以采用風光互補系統，能提高能量的利用效率[12]。

4.3 產生其他清潔能源

能讓我想到的能源——氫，通過系統產生的電來電解水產生氫，能夠大大降低風光電場由于位置偏僻而產生的運輸成本，間接性產生清潔能源[13]。

5 結語

風光互補系統經過幾年的發展，系統框架逐漸成熟，針對各個部件的最優采用方案也在不斷進步，[14-15]所剩下的就是因地區的投入對部分組件的選擇與優化研究方面是一個困擾投入使用的重大問題。現如今，石油類的能源逐漸枯竭，可持續能源的不斷開發，促使其應用方向漸漸擴大，所以更應該加強系統與環境的最優匹配研究。[16-18]

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