风光互补发电系统及应用综述

李 丹，付 静，姜广军

（吉林建筑工程学院 城建学院， 吉林 长春 130111）

风光互补发电系统及应用综述

李 丹，付 静，姜广军

（吉林建筑工程学院 城建学院， 吉林 长春 130111）

风光互补发电系统充分利用了风能和太阳能资源的互补性，实现了能源的有效利用.本文论述了风光互补系统的构成、应用前景以及设计中存在的问题.

风光互补发电系统；可再生能源；风光互补发电应用

风能、太阳能是目前世界各国在新能源利用方面最具规模和潜力的能源，据统计，我国风能在 10m高度储量为3.2TW，可利用量超过 1.0TW[1]；太阳能较发达的地区达到了国土面积的 67%，可利用年平均日照强度达到 6×109MJ/m2[2].风能、太阳能作为单一性的可再生能源，其在利用上存在弊端，二者的利用均受地理条件、气象环境影响很大，但是风能和太阳能的利用在时间和地域生存在着天然的互补性.风光互补发电系统可以很好的弥补独立的风力发电和太阳能发电的缺陷，将成为未来可再生能源开发和利用的新趋势.

1 风光互补发电系统的构成

图1为风光互补发电系统的结构示意图.风光互补发电系统由风力涡轮发电机，太阳能光伏发电阵列，风光互补系统控制器，蓄电池组，逆变器，交流负载、直流负载以及其他部件组成.发电系统工作时输出直流电，直接供给直流负载使用；也可以经蓄电池存储，然后由蓄电池向用户提供稳定的电能；若用户使用的是交流电，则可通过逆变器将直流电转变为交流电供交流负载使用.

图1 风光互补发电系统的结构示意图

1.1 发电部分.发电部分主要由风力发电机组和太阳能光伏发电组件组成.风力发电部分的主要作用是将风能转化为机械能，然后通过风力发电机组将机械能转换为电能.风力机组的输出功率一般按式（1）计算：

式中 Vin、Ve、Vout分别为风力发电机的切入风速、风机额定风速以及风机的切出风速；ρ 为空气密度；R为风轮半径；V为风速；Cp为风能利用系数，其最大值为 0.593.

对于小型风力发电机，当月风机发电量为[3]：

式中，Q为当月发电量；Q1、Q2为不同风速的发电量；Vin、Ve、Vout分别为风机的切入风速、额定风速和切出风速；Pe为风机额定功率；hi为该月中与 V相对应的小时数.

太阳能光伏发电系统主要是利用光电效应将光能转化为可以利用的电能.太阳能电池方阵在安装时应该保证足够的间距，并且实现无阴影遮挡.太阳能电池方阵的间距公式如下[4]：

式中，D为太阳能方阵间距，mm；H为方阵的高度；φ 为方阵倾角，为了更好的接受和利用太阳的辐射，提高光伏电池的发电效率，太阳能电池的方阵倾角一般为当地纬度+5°.

太阳能组件在倾斜面上的太阳辐射量的 klein模型[5]：

式中，Hb为太阳能在水平面上直接辐射量；Hd为太阳能的散射辐射量；Rb为太阳能在倾斜面与水平面的直接辐射量的比值；H0为大气层外水平面上的太阳辐射量；β 为倾角；H为水平面上总辐射量；ρ 为地物表面反射率.

太阳能光伏电池的电力的输出主要受光照强度影响，其次是温度，一般对于电力输出的计算采用基于实测数据的简单模型[6]：

式中，E为光伏电池的电力输出，W/m2；Ht为入射太阳辐射度，W/m2；T为光伏电池表面温度，W；c1为实验标定的常数，W/m2；Hf为标定的太阳能辐射强度，W/m2；c2为太阳能组件的温度系数，W/K.

太阳能电池阵列的各月发电量由下式计算：

式中 N为当月太阳能发电天数；P为太阳能发电组件的功率；η1为输入回路效率；η2为输出回路的效率.1.2 控制部分.控制部分是整个风光互补发电系统的核心部分.控制部分根据外部环境条件，如光照强度、风速、负载的用电需求等来调节发电部分的工作状态以及蓄电池的工作状态，从而实现风力发电和光伏发电模式的转换，并将富余的电能存储在蓄电池当中，当电量不足时，由蓄电池向负载提供正常工作所需要的电能.目前风光互补发电系统的控制方案主要包括最大功率跟踪控制、负载跟踪控制、电池充放电保护控制和发电机超速保护等.

1.3 储能部分.蓄电池的作用是储存富余电能，以减少和消除气候等客观因素引起的能量供需不平衡的问题，蓄电池在整个系统中起到调节电能以及平衡负载用电需求的作用.目前，储能技术主要有铅酸电池技术、全钒氧化还原液流电池技术、锂离子电池技术、钠硫(NaS)电池技术.近年来，飞轮储能技术、超级电容储能技术也成为今年来研究的热点[7]. 1.4 逆变部分.逆变器的主要作用是在需要运行交流负载时，发电部分输出的直流电通过逆变器来转变为交流电，从而满足交流负载的需求.逆变器在性能上主要具有断路、过流、过压、过热保护功能.逆变器容量见下式：

式中，PN为逆变器容量；P额为额定输出功率；N为用电同时率；M为各相负载不平衡系数；S为负载功率因数；ηN为逆变器效率.

2 风光互补发电系统的应用

（1）可应用于农村地区用电和照明需求.我国农村地区地域辽阔，太阳能风能资源丰富，大多数地区的平均风速在以上，风光互补发电在农村地区发展必将是满足农村生产和生活用电的经济、有效的方式.

（2）可以应用于城市路灯照明系统以及交通指示灯、公园和广场的照明、广告牌等.风光互补技术在政府部门、市政设施以及高校等方面的应用推广，不仅具有节能减排的环保意义，而且具有美化社会及教育意义.

（3）可以应用于建筑行业.风能发电机和太阳能集热管已经应用于北京奥运村的设计和建设，而且风光互补发电系统还可应用于光伏建筑一体化（BIPV）和风能建筑一体化（BIWE）、屋顶风力发电等.

（4）可应用于并网发电.2004年 12月，华能南澳建成了100KW风光互补发电站并且成功的实现了发电并网，标志着中国第一个正式商业化运行的风光互补发电系统建成.随着国家对可再生能源开发和利用的重视，并网发电规模持续不断扩大.2012年，中节能玉门昌马 9MW风光互补发电示范项目实现并网发电成功，是我国第一座大规模风光互补发电项目.未来国家在可再生能源的开发和利用上支持和扶持力度必然不断加大，因此风光互补并网发电在电量产量中的比例也必然显著提高.

3 风光互补发电系统设计中存在的主要问题

风光互补系统的研究目前处于对静态体系结构、蓄电池储能设计、发电控制等方面的研究.目前，在风光互补系统设计时还存在以下主要问题：

（1）风能和太阳能在时间上和地域上存在间歇性和不稳定性，这就对风光互补发电系统的发电控制和电力输出的控制要求较高.因此需要调研安装地区的资源分布情况和负载用电需求、优化系统的设计、提高系统的稳定性.目前控制上主要集中于选择适当的运行控制方案，通过最优算法搜索确定系统的最优控制策略和最佳配置方案的研究上.另外，控制器集成化程度较低，也影响了整个产业的发展.

（2）由于风光互补发电和用电负荷间的存在着不不平衡的特点，为了保证对负载的供电能够实现连续性以及稳定性，这就对蓄电池的充放电能力以及储能能力提出了较高的要求.目前，对于蓄电池性能的研究上，主要存在的问题是蓄电池供放控制策略选择不合理，使蓄电池充电曲线与电池固有充电特性相差甚远，导致电池寿命降低.

（3）风光互补发电系统的逆变器要有较高的效率、较高的可靠性、较大的直流输入电压范围、交流输出电压稳定、并网发时电逆变器还要有并网发电功能.我国对逆变器的研究处于起步阶段，加强逆变器的研究是实现和优化风光互补发电的重要支撑.

（4）风光互补发电系统的发电效率还有待进一步提高.对于小型风电发电效率的研究主要是通过扰动观察法来研究如何实现小型风力发电系统最大功率跟踪控制[8]以及通过模糊控制法实现小型风力机的最大功率的跟踪[9].目前，还没有很好的 MPPT方法，能够有效的提高风光互补发电系统的发电效率.

4 结语

经济的不断发展必将促使可再生能源的开发和利用成为未来能源领域研究的重要内容，风光互补发电系统以其特有的优势在新能源领域扮演着极其重要的角色.随着我国风光互补发电技术的不断完善和提高，风光互补发电在市场上的竞争力必定不断增强，在能源消费结构中的份额必将不断上升，风光互补发电具有广阔的发展前景.

〔1〕黄毅城.大力发展风电[J].电网与清洁能源,2008，24（1）：01-02.

〔2〕王志新，刘立群，张华强.风光互补技术及应用新进展[J].电网与清洁能源,2008，24（5）：40-45.

〔3〕李涛，孙韵琳，杜晓荣.风光互补发电系统应用分析[J].青海师范大学学报,2011（03）：24-27.

〔4〕韩旭.小型风光互补发电系统的研究与应用[J].能源与节能,2012（08）：40-42.

〔5〕杨金焕,毛家俊，陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角计算[J].上海交通大学学报，2002（07）：1031-1036.

〔6〕季杰，何伟.光伏墙体年发电性能年得热动态预测[J].太阳能学报，2001，22（3）：311-315.

〔7〕吴佳梁,曾赣生,余铁辉.风光互补与储能系统[M].北京：化学工业出版社，2012.

〔8〕包道日娜,刘志璋，张万祥.小型风力发电机的功率控制方法[J].可再生能源,2009,27(4)：69-71.

〔9〕刘立群.分布式风光互补系统控制与最大功率跟踪策略研宄[D].上海：上海交通大学,2011.

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1673-260X（2014）08-0046-02