风光互补发电系统研究

摘要：风能与太阳能作为一种绿色能源，已经成为一种新兴的能源形式，构造出一个风光互补型的能源系统在现代具有很好的理论及实际意义。风光互补型能源系统在缓解电网压力、自主发电、节约传统能源等方面都可以体现出重要作用。文章针对风光互补型发电系统的结构组成、原理、并网控制等进行了分析。

关键词：风能；太阳能；风光互补；发电系统；绿色能源；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）21-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.041

1 风光互补型发电系统的工作原理

独立运行的风光互补型发电系统主要是由风力发电机组、整流器、控制器、蓄电池、光伏电池阵列、功率变换器和负载等构成。其工作原理是，光能发电模块由光伏阵列将太阳能吸收并转换成直流电，再通过DC/DC功率变换器来完成最大功率跟踪；风能发电模块将风能转换为机械能，机械能驱动异步发电机输出交流电，经过整流器处理后变为直流电，再通过DC/DC功率变换器来完成最大功率跟踪。光能发电模块和风能发电模块均通过控制器进行控制，两者直接接到直流母线上，并实现给蓄电池供电的功能。同时蓄电池也连接到直流母线上，当光能发电模块和风能发电模块所输出的电能在供给负载后，存在多余电能时，蓄电池就把这些电能进行储存；当光能发电模块和风能发电模块所输出的电能无法满足负载所需求的电能时，就通过蓄电池给负载提供电能。

2 风力发电机

2.1 风力发电机的基本工作原理

风力发电机的运行原理是通过风轮机把风能转化为机械能，利用风力带动风车的叶片旋转，然后通过增速器，将叶片的旋转速度提高，使发电机发电。根据目前能达到的风车技术，风速在3m/s是风机就可以发电。最简单的风力发电机组由叶片和发电机两部分组成。风的动能作用在风车叶片上，并将其转换为机械能，从而使叶片转动，然后把发电机的转轴与叶轮的转轴相连，就可以带动发电机输出电能。

2.2 风力发电机组的主要结构

风力发电机组是由叶片、发电机、轮毂、主轴、控制系统、调向机构、增速齿轮箱塔架和机舱机座回转体制动器等部分组成的。风能的基本理论是由贝茨理论得来的，所以在讨论风轮机的控制和能量转换时，需要考虑到四个特性系数。

2.2.1 风能利用系数。风轮机从风能中可以吸收到的能量大小及程度，采用风能利用率系数来表示。

2.2.2 叶尖速比λ。为了可以识别风叶拥有不同的风速状态，将叶片叶尖部位圆周的速度与风速之比，表示为叶尖速比λ；在较低速度中，风轮λ取较小值；在较高速度时，风轮λ取较大值。

2.2.3 推力系数和转矩系数。为了把在气流作用下的风机所能产生的推力和转矩进行对比，通常把λ作为变量，从而作为推力和转矩的变化曲线。

2.2.4 风轮机的气动特性。风轮机是将风能转换为轮毂上的机械转矩。风轮机的气动特性用风能转换效率Cp与尖速比λ曲线来表示。尖速比表示为：

λ=

式中：ωm（rad/s）为风轮机的机械转速；R（m）为叶片半径；ν（m/s）为来流的线性风速。

在恒定频率应用中，发电机转速的变化比同步转速高一点，但风速变化范围可以很宽。尖速比可以在很宽范围变化，风轮机捕获风力功率可以写成：

P机械=0.5ρSCPV3

式中：P机械（W）是气动功率；ρ（kg/m3）是空气密度；S（m2）是扫掠面积；CP是风轮机的功率系数。

由此可知，风机应在追求CP最大的情况下，增加其输出功率。

2.3 异步发电机的基本工作原理

发电机在风光互补型系统中是可以将风能转换成电能的设备。异步电机的工作原理是将通过定子的三相电流所产生的旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用，根据电磁感应原理，产生电磁转矩，发生能量转换。发电机的基础性能会直接影响到整个系统的可靠性和工作效率。旋转磁场转速ns与转子的转速n之间的差值称为转差，转差与同步转速ns的比值称为转差率，用S表示为：

S=（ns-n）/ns

如果电机用原动机驱动从而使转子转速高于旋转磁场转速即n>ns，则转差率S<0，说明电磁转矩的方向同时与旋转磁场方向和转子转向的方向相反，此时电磁转矩为制动转矩，这时电机输出电功率处于发电机

状态。

3 太阳能发电

3.1 太阳能电池的电气特性

当太阳能电池两端的电压上升时，比如出现逐渐增加负载电阻的情况时，在太阳光辐射稳定的前提条件下，太阳能电池的输出电流几乎不发生变化，但是太阳能电池的输出功率不断增加。当电池两端的电压增加到一定数值时，输出电流开始减小，此时电池的输出功率达到最大值，然后随着电池电压的升高，其功率和输出电流都在不断减小，直至输出电流减为0时，输出电压达到最大值。太阳能电池的伏安特性与空气温度也有关系，随着空气温度的上升，电池的电压减小。在标准条件下，也就是光谱幅照度在1000W/mq，电池温度在25℃时，太阳能电池所输出的最大功率称为峰值功率。在衡量太阳能电池的基本性能时需要用到峰值功率，单位是峰瓦（Wp）。

3.2 光伏阵列的特性

太阳能光伏阵列的最大功率点电流（Im）和短路电流（Isc）随日照强度的上升而增大，然而日照的变化对开路电压影响不是很大，但对最大输出功率来说，变化显著。空气温度对于太阳能光伏阵列所输出的电压影响比较大，对于其输出电流的影响不大，但是对于最大输出功率的影响比较大。

4 最大功率跟踪控制的实现

风能和太阳能在不同的时间和地点，风力和光照的强度并不一致，而是随时发生改变的，因为风机和太阳能电池效率不太高，发电力也就不高。所以为了保证风机和太阳能电池每时每刻都工作在最大工作效率，因此本系统采用了最大功率跟踪控制。在分别比较了固定电压跟踪法、功率回授法与导纳微增法的优缺点后，决定采用导纳微增法。

导纳微增法也称电导增量法，通过比较太阳能电池阵列瞬时电导与电导变化量的方法完成最大功率点跟踪的功能。光伏阵列的功率曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数是零。电导增量法是准确性最高的一种方法，使系统在环境变化的情况下有良好的跟踪性能。

5 同步控制

在光伏并网控制系统中，必须保证逆变电流和电网电压是同频同相的，所以必须对逆变电流进行同步控制，因此本系统采用锁相环技术。

并网逆变器中所采用的锁相技术具体是由输入信号的硬件采样和锁相软件的处理来配合实现的。SPLL中的输入信号为电网电压经过变压器降压后，通过过零比较电路产生与其同步的方波信号。将这个方波信号传至单片机事件处理阵列（EPA）的捕获单元中，捕获其上升的时刻。同时在软件中设定在每次捕获中断时，时间计数器从零开始重新计数，这样记录两次中断时间后，寄存器所记录的时间差就是电网电压的周期值，根据周期值就可以计算出相位。因为本文采用的SPWM是异步调制方式，所以并网电流周期的调节量再进一步反映到载波比的调节量。

6 结语

本文以风光互补发电系统为研究对象，对太阳能和风力发电的互补系统组成、硬件、控制方法等内容进行了深入的分析，并在有关最大功率跟踪控制、同步控制方面进行了一些研究工作。风光互补型发电系统主要是由小型风力发电机组、控制器、蓄电池组、太阳能光电池板、并网逆变器等部分组成。风能发电模块的优点有发电量较高、实用性强、造价较低；缺点是小型风力发电机组的可靠性低。光能发电模块的优点是独立性较强、运行维护成本低、供电可靠性高；缺点是系统造价较高。由于风能和太阳能的不确定性，所以控制独立运行的风光互补型发电系统的操作比较复杂，本系统还需要解决一些技术难题，其中简化系统结构、提出有效的控制策略都对降低系统造价成本、提高系统运行的可靠性有非常重要的理论意义和实用价值。

参考文献

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作者简介：乔琳楠（1992-），女，黑龙江大庆人，中国石油化工股份有限公司天然气榆济管道分公司业务员，研究方向：电气工程及其自动化。

（责任编辑：王 波）