风光柴发电系统

吴文健，陈晓宁，陈兵权，高洪涛

(解放军理工大学，江苏南京 210007)

风光柴发电系统

吴文健，陈晓宁，陈兵权，高洪涛

(解放军理工大学，江苏南京 210007)

介绍了风光柴发电系统的结构和基本工作原理，对系统中的各工作单元进行了分析.提出了控制器是系统的核心部件，应该具有最大功率点跟踪、蓄电池优化充电和控制柴油发电机启停等功能的观点，并对器件性能的选择提出了一定的要求.

风光柴发电系统;控制器;最大功率跟踪;蓄电池;柴油发电机

在广大的偏远地区，架线连接电网成本高、难度大、建设周期长，而太阳能和风能具有取之不尽和使用便利等优点，就地采用太阳能、风能发电是比较好的选择.太阳能和风能发电受地理和气候环境影响较大，单一采用太阳能或风能发电都具有一定的局限性，但二者可互补，可以采用风光互补发电［1－2］.由于遇到连续阴雨天气或无风天气，太阳能和风能发电都不能正常进行，而蓄电池存储的电能有限，对于比较重要或供电稳定性要求较高的负载，还需要考虑采用备用柴油发电机发电，提高供电的可靠性和稳定性.因此可采用风力发电、太阳能发电和柴油发电机发电一体化的供电系统.

从发电的经济角度来考虑，采用风光柴系统发电，即按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例以达到最佳的经济目标，同时大幅度减小蓄电池组的容量.

柴油发电机平时可设计成备用状态或小功率运行待机状态，当风光发电不足和蓄电池储能不足时，由柴油发电机补充发电，缓解发电系统发电功率的不足.作为备用的补充发电机，其容量可以相对较小.

1 发电系统的结构和工作原理

如图1所示，风光柴互补联合发电系统主要有太阳能电池阵列、风力发电机、柴油发电机、数据采集系统(Data Access System，DAS)、控制器、DC/DC变换器、蓄电池、逆变器等部分组成.

图1 风光柴互补联合发电系统

正常情况下太阳能和风能发电机均能正常工作发电，发出的电能经DC/DC和AC/DC变换器后对蓄电池进行充电.蓄电池放电时，输出的直流电升压后经逆变器变换成交流电，送至电源切换器供选择使用.如果太阳能和风机都不能正常发电，控制器检测到蓄电池内的电能也不足以满足负载需求时，启动具有“自启动调控”功能的柴油发电机，在10 s内柴油发电机就能输出满足要求的电能，电源切换器自动切换成柴油发电机输出.在太阳能和风机发电正常、蓄电池重新充电到一定程度时，逆变器开始工作，输出满足要求后，电源切换器将自动切换过来，同时控制器向柴油发电机发出停机指令.

2 系统的各组成部分设计

2.1 太阳能发电系统和风力发电机系统

太阳能发电系统是由一定数量的太阳能电池板串并联而成的光伏阵列，辅以电器连接，并配装有内置避雷器的分接线箱和总接线箱，输出的为直流电［3］.

在太阳能发电系统中，太阳光跟踪系统也很重要.电池板垂直面与太阳光线角度偏大，会使电池板因采集能量过少而导致输出功率急剧下降.太阳的运动轨迹从早到晚都在变化，同时又随季节的变化而变化，使得太阳的入射角和方位角总在不停变化.据研究表明，采用太阳跟踪的光伏发电系统比固定式的太阳能利用率提高30%以上［4－5］.为了使光伏阵列始终与太阳保持一个最佳的角度和位置，提高对太阳辐射能量的采集，客观上必须使用太阳跟踪系统.

风能发电机主要由风轮、调向结构(调整风轮叶片工作平面和空气流动方向的相对位置)、发电机等部件构成.

2.2 蓄电池

储能是风光柴发电系统中的重要部分，同时起到能量调节和平衡负载两大作用.储能系统的好坏直接影响到发电系统的好坏［2］.在实际的风光发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分.储能部分主要由蓄电池、充放电器和控制器构成.

2.2.1 蓄电池充放电策略

蓄电池的充放电主要有3种方式:循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制［6］.在这里主要采用连续浮充制，即长期将蓄电池组并联在负载回路上，蓄电池保持少量的充电电流，并对波动的负载电流起补偿作用，正常情况下总有直流电压加在蓄电池两端柱上，只要蓄电池电压低于输入直流电源，该电源就给该蓄电池充电.当风光发电系统输出电能较少或完全没电时，就启用蓄电池对负荷供电，这样就保证了不中断负荷电源.

在蓄电池充放电过程中，为防止对蓄电池过充或过放造成的损害，应设定过充和过放的电压值.以12 V蓄电池为例，设定当蓄电池电压高于14.4 V时，控制器停止对蓄电池充电，防止过充;当蓄电池电压下降到13.6 V时，可继续对蓄电池充电;当蓄电池放电电压低于10.8 V时，控制器需停止蓄电池输出，防止过放;当电压升至13.2 V时，蓄电池可继续放电.

2.2.2 蓄电池充电方式

充电是蓄电池得以持续工作的重要手段.传统的充电方式可分为恒流充电、恒压充电及恒压限流充电.现在一般采用恒压限流方法.

当系统检测到蓄电池亏电时，先采用恒流充电方式充电.为了避免产生剧烈的化学反应而影响蓄电池寿命，充电电流一般为0.1倍率制.随着充电的进行，蓄电池电动势不断升高，端电压也不断升高，一般2 V单体端电压升至2.33 V时就不能再升了.通过和设定的电压值比较，超过设定值时就转入恒压充电阶段.实验表明，以恒流充电到达限压时，只能充进80%的电量，此后要通过恒压充电方式来进行补充充电.随着恒压充电进行，充电电流逐渐减小，当充电电流小于0.01 C时，再延时3 h转入浮充阶段.

2.2.3 蓄电池种类选择

常用蓄电池属于电化学电池，把化学中的氧化还原所释放出来的能量直接转变为直流电能，因此是一种储藏电能的装置.

蓄电池一般分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类.根据实际使用情况，常用的有3种:铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池［6］.其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，已得到广泛应用.为了维持尽量长的供电时间，应选择储能容量较大的蓄电池，同时兼顾使用寿命和维护方便.现在应用较多的是阀控封闭式铅酸蓄电池和富液电站铅酸蓄电池.

2.3 DC/DC变换器和AC/DC变换器

DC/DC变换器是依靠半导体开关器件的开关动作，将某一直流电压变换成另一个直流电压.通过控制开关器件的导通和关断时间，配合电感和电容器件以连续改变直流电压.典型的DC/DC变换器有直流斩波器和开关型 DC/DC变换器［7］.主要是对光伏直流电进行直流变换，便于对蓄电池进行充电.

AC/DC变换器是依靠半导体单向导电特性，将交流电变换为直流电的电路.典型的AC/DC变换器相控整流和脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，PWM)整流2种.主要把风力发电机发出的交流电整流成直流电，供蓄电池充电.

2.4 控制器

如图2所示，控制器包括对采集数据的A/D转换、PWM信号输出和柴油机启停控制信号的输出功能.其中输出的PWM信号能实现太阳能发电系统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，实现对蓄电池充放电控制和实现逆变器输出正弦波形的电压.

图2 控制器功能结构图

2.4.1 最大功率点跟踪控制

光伏阵列输出特性具有非线性特点，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响.在一定条件下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一个输出电压值时，电池输出的功率才能达到最大值，即为光伏系统的最大功率点［8－9］.

在DC/DC变换中，通过改变PWM信号波形脉宽，相应改变了光伏电池的输出电压，输出电流也随之改变.观测其后的功率变化方向，根据结果调整PWM信号脉宽变化方向，直到找到光伏系统最大功率点.在常用的干扰观测法、最优梯度法中都使用PWM信号改变光伏电池的输出电压.

2.4.2 蓄电池充电控制

充电控制主要分并联型、串联型和PWM控制等.PWM控制的主回路类似于串联型充电器，通过控制串联开关管的导通脉宽，实现对充电电压或电流的控制.其控制目标可以是充电电压也可以是充电电流，当预置好蓄电池充电策略后，可以实现对蓄电池的分阶段控制，实现按蓄电池特性进行优化充电，并可对蓄电池的过充电进行保护.充电开始时，充电电流开通的脉宽较宽，充电电流也较大，随着蓄电池电压的升高，充电电流的开通脉宽将变窄，充电电流变小.当蓄电池到达满充电状态后，充电电流将下降至涓流充电电流以下.

2.4.3 逆变器控制

为了使逆变器输出满足使用要求的正弦波电压，需将PWM信号脉宽按正弦波的幅值调制，经驱动电路驱动开关管依次通断，加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波.

2.4.4 柴油机启停控制

当控制器检测到风光发电和蓄电池电量均不足时，发出柴油机启动指令信号，柴油机进入自动启动状态;当柴油机启动正常后，控制器检测到柴油机输出电压、频率稳定，切换器自动切换到柴油发电机输出;逆变器停止工作，风光发电和柴油机发电均对蓄电池充电.

当检测到蓄电池电量高于某一值，控制器启动逆变器工作，输出电压正常后，切换器切换成逆变器输出，控制器发出柴油机停机指令信号.

一般自动柴油发电机都是在检测到市电断电或电压异常等情况确认3 s后才自动启动，从柴油机启动到发电机输出电压、频率稳定后自行切换一般需要15 s左右，如果出现柴油机不能一次顺利启动则需要耗费额外时间.这样的电能中断严重影响了一些重要设备的正常工作.而该系统中风光柴控制器能提前向柴油发电机发出启动指令信号，柴油发电机输出电压、频率稳定后自动切换，实现了对负载的连续、稳定供电.

2.5 逆变器

蓄电池输出直流电能，但大多数负载都需要交流电能.逆变器的主要功能是将直流电转换为交流电.此外，逆变器还具有自动稳压功能，可以改善风光互补发电系统的供电质量.

逆变器应该有如下特点:正弦电压稳定;电压和频率在运行范围内;可以在输入电压大范围变化时继续运行;轻负载时高效率;逆变器产生很少的谐波，从而避免导致电子设备的损坏、损耗和发热增加;对过/欠电压、频率和短路电流等，有足够的保护浪涌容量;很低的空闲和无负荷损耗;电池电压过低自动断开;很低的音频和射频噪声.

2.6 电源切换器

电源切换器用于在柴油机输出和逆变器输出之间进行切换.正常时使用逆变器输出电能，当控制器检测到柴油机输出正常，确认3 s后，自动切换到柴油机输入线路上，保证负载在不停电状态下工作.当蓄电池充电到一定程度，逆变器输出电压能正常满足负荷时，电源切换器自动切换到逆变器输出.

2.7 柴油机发电系统

柴油发电机是一种小型发电设备，是以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械，即柴油机驱动发电机运转，燃油是其原料，电能是其产品，能保证连续、正常、稳定、安全用电［10］.小型柴油发电机主要是指30 kW以下的发电机组，视应用场合不同而定.

2.7.1 柴油发电机的自启动和停止

柴油发电机平时可设计成备用状态或小功率运行待机状态.当接收到控制器发出的启动指令信号，柴油机进入自动启动状态，启动成功后进入全速运行状态;当接收到控制器发出的停机指令信号后，柴油机主动降速到怠速，运行3 min后正常主动停机，柴油发电机进入准启动状态.

2.7.2 自动保护

柴油发电机在运行过程中，如果出现油压过低(小于0.3 MPa)、冷却水温过高(大于95℃)、电压异常故障，则紧急停机，同时发出声光报警信号.如果出现水温高(大于90℃)、油温高等故障，则仅发出声光报警信号，提醒维护人员进行干预.

2.7.3 3 次启动功能

机组有3次启动功能，若第1次启动不成功，经10 s延时后再次启动，若第2次启动不成功，则延时后进行第3次启动.3次启动中只要有1次成功，就按预先设置的程序往下运行;若连续3次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号.

2.7.4 自动维持准启动状态

柴油发电机能自动维持准启动状态.此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投入工作.

3 结语

在风光柴发电系统的总体结构中，如何设计和选择合适器件特别是其中的蓄电池、控制器和逆变器，对提高风光柴发电系统效能起极大的作用.

［1］王金良.风能、光伏发电与储能［J］.电源技术，2009，33(7):628－632.

［2］赵争鸣，刘建政.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［3］王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［4］张宝剑，高国红.双踪太阳能光伏发电系统研究［J］.安徽农业科学，2010，38(3):1446 －1447.

［5］邹建，姬兴，杜海涛.一种新型的太阳自动跟踪系统研究［J］.光电子技术，2010，30(3):159 －163.

［6］王文凭，冯根生，邢一帆.铅酸蓄电池充电控制技术研究［J］.仪器仪表用户，2011，3(30):83 －84.

［7］金海明，郑安平.电力电子技术［M］.北京:北京邮电大学出版社，2005.

［8］王东娇，朱林泉，薛忠晋.太阳能独立光伏发电系统控制系统的研究与设计［J］.山西电子技术，2010，2(2):78－79.

［9］张智峰.太阳能光伏发电系统控制器的设计［J］.科技创新导报，2010，21(4):117 －118.

［10］吴根忠，谢庆伟，潘东浩.柴油发电机组的自动控制系统［J］.机电工程，2002，19(5):9 －11.

The Wind-solar-diesel Power Generation System

WU Wen-jian，CHEN Xiao-ning，CHEN Bing-quan，GAO Hong-tao
(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

The main structure of the wind-solar-diesel power generation system and its basic working principle is introduced in the paper，and each unit of work in it is analyzed.Based on the detailed study，the paper proposes that the controller is the core of the system，and it should have the such functions as Maximum Power Point Tracking，battery charging optimization and diesel power generator start-stop control.The paper also puts forward a certain requirement on choosing the suitable components with regard to their performance.

the wind-solar-diesel power system;controller Maximum Power Point Tracking;storage battery;diesel power generator

1002－5634(2012)02－0082－04

2011－12－15

吴文健(1982—)，男，安徽黄山人，硕士研究生，主要从事电力系统自动化方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)