风光互补发电系统设计方法研究

李习武

摘 要：风光互补发电系统是将风力发电和太阳能光伏发电组合起来构成的发电系统。整个发电系统由光伏电池阵列、光伏方阵直流防雷汇流箱、控制器、逆变器、交流防雷配电柜、防雷接地装置、蓄电池组、测量设备等各部分组成。阐述了风光互补发系统各部分的构成特点及设计中应注意的问题。

关键词：风光互补发电；风力发电；太阳能光伏发电；控制器

中图分类号：TM614；TM615 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）20-0002-02

风光互补发电系统作为一种综合利用光能、风能的电源系统，一方面可为供电不便地区的电网提供高可靠性、低成本的电源；另一方面也可为有效解决当前的环境污染和能源危机提供新的发展思路。单独的太阳能、风能系统通常会受到地域、时间上的限制，尤其是无法全天候地利用太阳能或风能。然而，太阳能和风能在时间、地域上具有非常强的互补性特点。比如，白天光照较强时，风速较小；而夜间光照较弱时，风速则会因地表温差变化不断地增大。从这一层面来讲，太阳能和风能在时间上是可以相互弥补的。

风光互补发电系统具体的构成参数取决于实际应用过程中的最大用电负荷和日均发电量。其中，最大用电负荷是系统逆变器容量选择的主要依据；而日均发电量则是风机容量、光电板容量和蓄电池组容量选择的主要依据。光伏发电单元采用的是光电板，可以对太阳能进行有效的转化，利用智能管理核心实现充电、放电以及逆变；而风力发电单元主要是利用一些小型的风力发电机对风能进行有效转化，通过智能管理核心对系统进行充、放电管控。从应用实践来看，上述2个基本单元在能源采集层面上表现出一定的互补性，而且各具特色，2套系统相互补充大大提高了供电的安全性。

1 风光互补发电系统的设计

图1所示为风光互补发电系统结构图。该系统是集风能、

太阳能和蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合再生能源发电系统。

1.1 光伏电池阵列

太阳能电池单体作为光电转换过程中的最小单元，面积仅有4～100 cm2。通常情况下，太阳能电池单体应用过程中的电压只有0.5 V，电流大约为20～25 mA/cm2，因此，实际操作过程中不可将其单独用作电源。太阳能电池单体串、并联封装完成后，构成了电池组，此时的功率为几瓦至几十瓦，可单独用作电源。太阳能电池组件以后，经串、并联后将其安装在支架上，此时便构成了一个电池方阵，可满足负载输出功率的要求。实践中，为满足实际应用要求，需要将太阳能电池用导线连接起来，构成一个电池组件。一般来说，每个组件上的太阳能电池数量为36片（规格为10 cm×10 cm），即每个组件可以产生17 V的电压，能够为12 V的额定电压蓄电池充电。太阳能电池组件通常具有防风、防腐、防雹和防雨等功能，而且在各领域和各系统中的应用都非常广泛。当实际应用过程中所需的电压、电流相对较高，单一的组件无法满足要求时，可同时将多个组件并联在一起，构成一个电池方阵，以此来提高电压、电流值。对于太阳能电池而言，其安全性和可靠性主要取决于防风、防腐、防雹和防雨能力与强度，主要的潜在质量问题为边沿密封、组件背面接线盒问题。太阳能电池前面为玻璃板，背面为合金薄片。合金薄片的主要功能是防污、防潮。通常情况下，太阳能电板被镶嵌在聚合物之中，太阳能电池组件中的接线盒及电池之间可用导线直接连接。

从实际运用中可以看出，太阳能电池组件的输出功率主要取决于太阳能光谱、辐照度以及太阳能电池的温度，因此，太阳能电池组件的测量工作一定要在标准条件下进行。具体条件为：光谱辐照度1 000 W/m2，大气质量系数AM1.5，太阳能电池温度25 ℃。满足上述条件的电池组件的最大输出功率被称为“峰值功率”。

1.2 光伏方阵直流防雷汇流箱设计

光伏方阵直流防雷汇流箱具有以下特点：①满足室外应用要求；②可接入3～6路电池串列，且每路电流的最大值可达10 A；③接入最大光伏串列开路电压为900 V；④熔断器的耐压值不小于DC1 000 V；⑤每路光伏串列具有二极管防反保护功能；⑥配有光伏专用高压防雷器，正极、负极都具备防雷功能；⑦采用正、负极分别串联的四极断路器提高直流耐压值，可承受的直流电压值不小于DC1 000 V。

1.3 选择合适的控制器

光伏充电控制器主要包括5种类型，即串联型、并联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型控制器。其中，串联型控制器一般用于高功率系统中，且继电器自身的容量在很大程度上决定着充电控制设备的功率等级；并联型控制器消耗热能较多，一般用于小型、低功率系统；脉宽调制型控制器充电时能形成较为完整的充电状态，可有效延长光伏系统蓄电池的循环使用寿命；智能型控制器采用CPU单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速、实时采集，同时，按照控制规律和要求，利用相关软件程序对多路、单路光伏阵列切离或接通管控；最大功率跟踪型控制器主要是将太阳能电池电压U与电流I检测后相乘，从而得到功率P，据此来判断太阳能电池的输出功率。如果不在最大功率点运行，那么需对脉宽进行调整，调制输出占空比D，并对充电电流进行合理调整。在实时采样时，需作出是否改变占空比的正确判断，通过不断地寻优来保证太阳能电池在最大功率点运行，并利用太阳能电池方阵将能量输出来。

1.4 选择合适的光伏逆变器

对光伏发电系统的逆变器有以下几点要求：①具有较高的逆变效率；②具有较高的可靠性；③直流输入电压有较广的适用范围；④逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。

1.5 交流防雷配电柜设计

配电柜加装电涌保护器，经交流断路器接入用户系统，并配备数字式发电计量表。每台交流配电柜都装有电压表和输出电流表，可以直观地显示发电单元的电压和电流。

1.6 防雷接地装置

实践中，为保证风光互补发电系统运行的安全性和可靠性，防止出现因雷击、浪涌等意外因素造成的系统器件损坏，防雷接地装置的布设是必不可少的。

1.6.1 接地装置

在配电室基础设施、太阳能电池方阵的建设过程中，拟建地点周围的土层一定要厚，而且要潮湿，地线坑的开挖深度为1～2 m，并且利用40×4扁钢将地线引出来，接地电阻应小于4 Ω。

1.6.2 直流侧防雷方法

电池支架应当有效接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏方阵直流防雷汇流箱。光伏方阵直流防雷汇流箱内配备高压防雷器保护设备，电池阵列汇流后接入直流防雷配电柜，经多级防雷设备保护可避免雷击，以免损坏设备。

1.6.3 交流侧防雷方法

每台逆变器交流输出需经过交流防雷柜（内部配备防雷保护设备）接入用户，以免出现雷击、浪涌现象。此外，应保证接地柜接地。

1.7 选择合适的蓄电池组

蓄电池组是光伏电站的贮能设备。通过蓄电池组将太阳能电池方阵从太阳辐射能有效转换来的直流电转换为化学能，然后贮存起来。蓄电池主要参数为蓄电池的电压、容量和型号。

1.8 测量设备

对于小型电池发电系统而言，只需对其进行简单测量即可，比如蓄电池电压、充放电电流等，测量所用到的电压表、电流表通常都安装在控制器面板上；就太阳能通信电源、阴极保护系统而言，通常需要对其进行更多参数的测量，比如太阳能辐射量、充放电电量和环境温度等，甚至需对其进行远程数据传输、遥控和数据打印，此时需对太阳能电池发电系统配备智能化数据采集系统。

2 结论

将太阳能和风能作为再利用资源，可使风光互补发电系统实现不间断的供电。在太阳能和风能资源丰富的偏远地区，由于负荷比较分散，用电量相对较少，长距离输配电投资和损耗都很大，因此没有必要实现并网发电。随着社会经济的快速发展，人们对用电量的需求越来越大，相信风光互补发电系统将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

[1]刘志煌.风光互补发电系统的优化设计研究[D].广州：广东工业大学，2009.

[2]吴春华.光伏发电系统逆变技术研究[D].上海：上海大学，2008.

[3]周志敏，纪爱华.风光互补发电实用技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

〔编辑：刘晓芳〕

实践中，为保证风光互补发电系统运行的安全性和可靠性，防止出现因雷击、浪涌等意外因素造成的系统器件损坏，防雷接地装置的布设是必不可少的。

1.6.1 接地装置

在配电室基础设施、太阳能电池方阵的建设过程中，拟建地点周围的土层一定要厚，而且要潮湿，地线坑的开挖深度为1～2 m，并且利用40×4扁钢将地线引出来，接地电阻应小于4 Ω。

1.6.2 直流侧防雷方法

电池支架应当有效接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏方阵直流防雷汇流箱。光伏方阵直流防雷汇流箱内配备高压防雷器保护设备，电池阵列汇流后接入直流防雷配电柜，经多级防雷设备保护可避免雷击，以免损坏设备。

1.6.3 交流侧防雷方法

每台逆变器交流输出需经过交流防雷柜（内部配备防雷保护设备）接入用户，以免出现雷击、浪涌现象。此外，应保证接地柜接地。

1.7 选择合适的蓄电池组

蓄电池组是光伏电站的贮能设备。通过蓄电池组将太阳能电池方阵从太阳辐射能有效转换来的直流电转换为化学能，然后贮存起来。蓄电池主要参数为蓄电池的电压、容量和型号。

1.8 测量设备

对于小型电池发电系统而言，只需对其进行简单测量即可，比如蓄电池电压、充放电电流等，测量所用到的电压表、电流表通常都安装在控制器面板上；就太阳能通信电源、阴极保护系统而言，通常需要对其进行更多参数的测量，比如太阳能辐射量、充放电电量和环境温度等，甚至需对其进行远程数据传输、遥控和数据打印，此时需对太阳能电池发电系统配备智能化数据采集系统。

2 结论

将太阳能和风能作为再利用资源，可使风光互补发电系统实现不间断的供电。在太阳能和风能资源丰富的偏远地区，由于负荷比较分散，用电量相对较少，长距离输配电投资和损耗都很大，因此没有必要实现并网发电。随着社会经济的快速发展，人们对用电量的需求越来越大，相信风光互补发电系统将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

[1]刘志煌.风光互补发电系统的优化设计研究[D].广州：广东工业大学，2009.

[2]吴春华.光伏发电系统逆变技术研究[D].上海：上海大学，2008.

[3]周志敏，纪爱华.风光互补发电实用技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

〔编辑：刘晓芳〕

实践中，为保证风光互补发电系统运行的安全性和可靠性，防止出现因雷击、浪涌等意外因素造成的系统器件损坏，防雷接地装置的布设是必不可少的。

1.6.1 接地装置

在配电室基础设施、太阳能电池方阵的建设过程中，拟建地点周围的土层一定要厚，而且要潮湿，地线坑的开挖深度为1～2 m，并且利用40×4扁钢将地线引出来，接地电阻应小于4 Ω。

1.6.2 直流侧防雷方法

电池支架应当有效接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏方阵直流防雷汇流箱。光伏方阵直流防雷汇流箱内配备高压防雷器保护设备，电池阵列汇流后接入直流防雷配电柜，经多级防雷设备保护可避免雷击，以免损坏设备。

1.6.3 交流侧防雷方法

每台逆变器交流输出需经过交流防雷柜（内部配备防雷保护设备）接入用户，以免出现雷击、浪涌现象。此外，应保证接地柜接地。

1.7 选择合适的蓄电池组

蓄电池组是光伏电站的贮能设备。通过蓄电池组将太阳能电池方阵从太阳辐射能有效转换来的直流电转换为化学能，然后贮存起来。蓄电池主要参数为蓄电池的电压、容量和型号。

1.8 测量设备

对于小型电池发电系统而言，只需对其进行简单测量即可，比如蓄电池电压、充放电电流等，测量所用到的电压表、电流表通常都安装在控制器面板上；就太阳能通信电源、阴极保护系统而言，通常需要对其进行更多参数的测量，比如太阳能辐射量、充放电电量和环境温度等，甚至需对其进行远程数据传输、遥控和数据打印，此时需对太阳能电池发电系统配备智能化数据采集系统。

2 结论

将太阳能和风能作为再利用资源，可使风光互补发电系统实现不间断的供电。在太阳能和风能资源丰富的偏远地区，由于负荷比较分散，用电量相对较少，长距离输配电投资和损耗都很大，因此没有必要实现并网发电。随着社会经济的快速发展，人们对用电量的需求越来越大，相信风光互补发电系统将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

[1]刘志煌.风光互补发电系统的优化设计研究[D].广州：广东工业大学，2009.

[2]吴春华.光伏发电系统逆变技术研究[D].上海：上海大学，2008.

[3]周志敏，纪爱华.风光互补发电实用技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

〔编辑：刘晓芳〕