风光互补发电系统设计

焦利利，杨 风，罗 威

(中北大学计算机与控制工程学院，山西 太原 030051)

风光互补发电采用风光互补发电系统，风光互补发电系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，实现了全天候的发电功能。目前，世界各国都对新型能源进行了深入的研究和开发［1］。目前欧洲在这方面处于领先水平，特别是在风力发电和太阳能发电技术方面取得了大量成果。

因为太阳能与风能的互补性，即在有风的时节，风能多太阳能少，反之亦然。另外，太阳能与风能的蓄电池与逆变器可以相同。光伏发电的主要吸引力是光伏系统产生的电力对环境无破坏，通过将无尽的太阳能转换为电能。光伏阵列成本的持续下降和效率的增加意味着在不久的将来光伏发电系统将会有很大的前景。而我们需要利用这种性质，完善一个系统使之可以全年提供充足电能，同时可靠性与经济性也得到很好的满足。在电力能源比重与日俱增的今天，通过各种手段获得电力能源成为现阶段电气研究的重中之重，因为在一些地区，因为环境种种因素，无法实现电力能源的获取，但又对于电力能源有所需求。如山区，公路，林区，边防，港口等。为此，在研究的过程中，对于上述地区拥有的丰富的其他一级能源进行调研，从而确定了以光伏发电与风力发电相结合的太阳能风光互补发电，这种办法对于上述地区的电力能源的采集和输送是一个非常实际又行之有效的办法。因为此系统相对于其他单独的发电系统，弥补了太阳能无法昼夜发电与风力发电稳定性不足的缺陷。无论在稳定性，连续性与安全性上，都有很好的保障。同时在利用自然资源的时候对于环境没有污染，符合可持续性发展。

1 风光互补供电系统

风光互补系统主要构成有风力发电机，太阳能电池板，直流控制中心，发电端控制器，蓄电池组，逆变器与负载。风力发电机能够将风能转换为电能，太阳能电池板能够将太阳能转换为电能，得到的电能分别通过风力机控制器和光电板控制器输送给直流控制器，通过控制器进而控制电能的流向，得到的电能可以直接用于用电负载，而多余的电量将通过控制器直接输送给蓄电池，用于负载的供电需求，若需给交流负载供电，则需要通过逆变器将直流电转换为交流电再传送给负载。

1.1 风力发电部分

该部分主要有风力发电机组成。利用风力机将风能转换为机械能，再通过风力发电机将机械能转换为电能，再经过控制器对蓄电池充电，同时通过逆变器对负载供电。在风光互补的系统中，风力发电机组的参数也十分重要，主要有:切入风速与切出风速、额定风速与额定输出功率、最大输出功率、风能利用系数、对环境的适应能力、安装和维护的简易性等等。在进行设计时要综合考虑上述因素。

1.2 光伏发电部分

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能。然后对蓄电池充电。通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

1.3 逆变部分

逆变器是将太阳能输出直流电转变为交流电的一种设备。它是影响系统可靠性的关键因素。为了提高系统的适应工作，这就要求逆变器具有合理的电路结构，具备各种保护功能，整机效率高，输出电压波形的失真度低。直流输入电压有交换的适应范围［2］。

逆变器由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中的直流电能变换成为标准的220 V 交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电，同时可用蓄电池充电，然后靠蓄电池向负荷提供稳定的电能。若用户使用交流电器，通过加载逆变器，将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳能发电互补的结构形式，具有较广的应用范围。

1.4 控制部分

控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节:一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载;另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

1.5 蓄电池组部分

蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。蓄电池电压采集，用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM 功能，对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路，若在太阳能电池正常充电时，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。

2 系统工作原理

2.1 太阳能电池原理

太阳能电池是应用P-N 结的光伏效应(Photovoltaic Effect)进行能量转换。理想的P-N 结二极管，其对应的方程式如下:

式中，Ipn，Vpn为P-N 结二极管的电流及电压;k 为波尔兹曼常数(Boltzmann Constant:1.38 ×10－23J/K);q 为电子电荷量(1.602 ×10－19库仑);T 为绝对温度(凯氏温度K=摄氏温度+273 度);Is为等效二极管的逆向饱和电流;VT为热电压(Thermal Voltage:25.68 mV)。

太阳能电池将太阳光能转换为电能主要由自然光中的的量子-光子(Photons)完成的，而每个光子所携带的能量为:

式中，h 为普郎克常数(Planck Constant:4.14 ×10－15eV·S);c 为光速(3 ×108m/s);λ 为光子波长。

2.2 风力发电机原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机提升旋转速度，从而促使发电机发电。依据目前的风车技术，可以实现每秒三公尺的微风速度便可开始发电［3］。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。

2.3 蓄电池原理

目前，绝大多数的太阳能控制器用于自动切换充电方法的依据采用的是在线检测蓄电池的端电压来判断。但是，蓄电池的端电压受到很多因素的制约，特别是在充电过程中，蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的不同程度的影响，不能准确表示其荷电状态。为此提出了一种新的检测方法——离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中，蓄电池的电动势可表示为:

式中，E 为电池电动势;

E0 所有反应物的活度或压力等于1 时的电动势，

称为标准电动势;

R 为摩尔气体常数;

T 为温度;

F 为法拉第常数;

n 为电化学反应中的电子得失数目。

从上式可以看出，电动势与硫酸浓度有关，换言之就是与荷电状态有关。而且，根据有关文献，蓄电池的荷电状态与其稳态开路电压有良好的线性关系。因此，由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。

3 控制器设计

3.1 控制器原理

控制器是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池饿的特性曲线对蓄电池进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又要把蓄电池的电能送往负载［4］。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不能被过放电，保护蓄电池。

3.2 控制器设计

在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备，一般还具有简单的测量功能。蓄电池组经过充电或放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电控制器是不可或缺的。控制器要对蓄电池两端的电压进行实时检测，当两端电压过高时，要切断风力发电机和光伏电池板与蓄电池的联系，防止发生过充现象;当两端电压低于设定值时，要切断蓄电池与负载的联系，防止过放的情况。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。

由于蓄电池只能承受一定的充电电流和充电电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成很严重的损害。风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏。从而确保了蓄电池的使用寿命［5］。风光互补控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流，使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态，从而使产品设计更加人性化。

4 结论

太阳能发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，然后通过控制系统给蓄电池充电，进而给负载供电的系统。该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风力发电系统是利用风力发电机将风能转化为电能，然后通过控制系统给蓄电池充电。进而通过逆变器给负载供电的系统。该系统的优点是系统发电量较高，造价较低，运行维护成本低。缺点是风力发电机可靠性低。

太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，而且太阳能和风能都是洁净能源，对环境无污染。所以风光互补发电系统是资源条件最好的独立系统。

［1］杜荣华，张婧，王丽宏，等.风光互补发电系统简介［J］.节能，2007(3):60－61.

［2］魏云峰.新型逆变器及其数据采集系统的研究［D］.东北农业大学，2007:30－35.

［3］郭继高.风能发电小型风能发电及其发电机［J］.1999(5):43－45.

［4］艾斌，杨洪兴，沈辉，等.风光互补发电系统的优化设计Ⅱ匹配设计实例［J］.太阳能学报，2003(5):70－73.

［5］齐发.独立运行的风光互补发电系统的研究与设计［J］.电子设计应用，2005(7):105－107.