多种能源混合发电在海洋岛屿的应用

傅国明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江绍兴312000）

多种能源混合发电在海洋岛屿的应用

傅国明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江绍兴312000）

为了解决海洋小岛屿由于面积较小、电量需求较大，架线与变压的成本高这一大难题，采用太阳能光伏组件发电、风力发电、柴油机发电多种能源混合发电的方式，不仅提高了离网发电系统的可靠性和稳定性，还充分发挥了各能源之间的互补作用，充分利用了太阳能、风能等可再生能源。

太阳能光伏组件；风力发电；柴油机发电；离网发电系统

目前，市场上的太阳能光伏离网发电系统大体有2种：①由太阳能光伏组件与蓄电池组成；②在太阳能光伏组件与蓄电池的基础上增加了风力发电机，组成了风光互补的离网发电系统。这2个系统中，由于蓄电池在放电过程中有能量损失，效率只占80%，导致整个系统的效率下降，寿命一般为3～5年，独立系统的成本增加。

在太阳能光伏发电系统中，光伏组件发电依赖的是太阳光的强度，风力发电时受风速的限制，这在不同程度上加大了储存电能的蓄电池的容量。至今为止，任何一种电池，无论是锂电池，还是铅酸电池，都无法摆脱成本高这一问题。笔者的方案由此而生，即采用太阳能光伏组件、风力发电、柴油机发电多种能源混合发电，不仅能提高离网系统的可靠性与稳定性，又能充分发挥各能源之间的互补作用，还避免了柴油机连续运转。

1 市场调研

世界对能源的需求，尤其是电力在不断增加，为了减少温室气体的排放，国际上达成了共识，利用ECA和其他在世界各地提供资金的国际金融机构（IFI）的政策配合，降低国内市场对可再生能源的需求。风能因其具有可再生、无污染、不影响生态环境、蕴藏量大、装机规模灵活、建设周期短等优点，已经成为未来替代能源中最有希望的类型之一。在陆地上，风力发电因受陆地面积的限制而正走向海洋，成为今后风力发电技术的主要发展方向之一；同样，光伏太阳能组件在陆地上发电时，更加受陆地面积的限制，无法拓宽市场。太阳能光伏组件发电系统也会走向海洋。为此，在能源利用方面，可因地制宜、就地取材，这样降低了输变线路建设的难度与成本，更有利于满足海洋岛屿的用电需求。

目前，风能功率密度只是由风速决定，因此，只有在合理确定风速的情形下，才能准确地估算风能功率的密度。风能功率密度的大小与风速的三次方成正比，因此，风速对风能潜力的估计起决定性作用。

实际上，风速具有随机性，每时每刻都在变化，不能用某个瞬间风速来计算风能功率密度。

海洋小岛屿由于面积较小，好多地方无法用电网的电，主要原因在于：架线与变压的成本太高，海底电缆的架设也受路线长短和岛屿面积大小等因素的影响，最关键的是用电量的大小。

目前，大都采用了柴油机发电，但是，单一柴油机的机组不可能长时间连续运行，由于用户负载也不稳定，导致柴油的浪费。另外，尽管有些采用了光伏太阳能离网发电，从能源上来说，这种方式利用了太阳能，但是，太阳光只有白天才有，且受气象条件的限制，每天可利用的时间仅仅几个小时，只能增加离网发电系统蓄电池的数量来保证用户的电量。风光互补这一方案比单纯的太阳能发电系统要好得多，充分将风能发电并网应用于光伏太阳能发电系统中，相对来说减少了离网发电系统中蓄电池的数量，降低了系统的成本。同样，风能也受气象条件的限制，考虑到晚上、连续阴雨天等因素，离网发电系统的供电对蓄电池容量的依赖性还是比较强的。

2 工作原理

光伏、风力、柴油机三者发电，构成一定的互补关系，形成风机、光伏和柴油发电机一体化的混合供电系统，供电的可靠性和稳定性将大大提高。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，弥补风光互补发电系统发电功率的不足。自动启动柴油发电机组向负载供电，同时给蓄电池组充电，防止蓄电池组过放，并存储电能。另外，在逆变器无法正常工作的情况下，柴油发电机组作为应急电源可以直接通过离网局域电网给负载供电。当离网局域电网负载较轻和蓄电池处于充电饱和状态时，柴油机发电自动退出运行。

3 控制方案

3.1 自动对风机控制

当10 min平均风速超过自动对风风速时，风力发电机组开始自动对风，以便尽快跟踪风向的变化，进入起风状态；当10 min平均风速继续升高达到起动风速后，进入自动起动状态。风力发电机总是根据风向仪的信号选择沿就近的方向对风，当风向仪检测到主风超过一定角度后，重新对风，以保证风叶最大限度地捕获风能功率调节。图1所示为光伏风力柴油混合发电系统。

图1 光伏风力柴油混合发电系统

3.2 脉宽调制（PWM）控制器

光伏太阳能组件输出特性呈曲线变化，风机的发电更为明显。为解决这一问题，采用模拟量控制，该系统用模拟量控制系统单元机组，它包括协调控制系统和模拟量控制的子系统，用以满足机组安全起停及定压滑压运行的工况要求。经过双向逆变（柴油发电机组输出端一部分转换成脉冲直流电给蓄电池组充电，另一部分直接并入离网局域电网对负载供电），将蓄电池的直流电逆成正弦波交流电后馈送给离网局域电网给负载供电。

3.3 模块化双向逆变器

依据功率大小对逆变器进行标准化、模块化处理。该逆变器有并网的功能，可以将大功率光伏电站分解为多组光伏发电系统模块，通过交流侧联网运行，从而形成适宜向分散负载供电的集群式光伏发电系统。模块化逆变器使光伏系统扩容变得极为方便。在光伏、风力、柴油混合发电中，将3种不同电源的交流电转变为直流电，共同对蓄电池充电；蓄电池的直流电逆变成工频交流电，馈送给离网局域电网，提高了混合发电系统的可靠性、稳定性和适应性。

3.4 最大功率跟踪

由于日照强度、环境温度的不同，太阳能光伏组件的输出特性发生变化，风力发电的输出特性更为明显，加上离网局域电网用户负载不稳定，这样就导致风光输出特性与负载阻抗不匹配，由此产生的直接后果是太阳能组件不能稳定地运行于最大功率点上。最大功率跟踪是利用直流变换原理，把系统的输入直流电压调整在最大功率点上，而系统输出电压将跟踪输入功率和负载阻抗的变化，具体如图2所示。

图2 最大功率跟踪

4 结束语

采用太阳能光伏组件、风力发电、柴油机发电多种能源混合发电，不仅提高了离网系统的可靠性和稳定性，还充分发挥了各能源之间的互补作用；由原来以柴油机发电为主，转为柴油机辅助发电的形式，节省了柴油费用，缩短了柴油机发电机组的运行时间，减少了柴油机发电机噪声污染、尾气污染，从而减少了温室气体的排放量；缩短了柴油机连续运行的时间，降低了柴油机运行的风险；提升了离网发电系统的连续性与可靠性；解决了海洋小岛屿由于面积较小、用电需求较大，架线与变压的成本较高一大难题，并且充分利用了太阳能、风能等可再生能源。

［1］欧洲风能协会，国际绿色和平组织.风力12：关于2020年风电达到世界电力总量12%的蓝图［M］.中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会，绿色和平中国，译.北京：中国环境科学出版社，2004.

［2］胡晨明，R.M怀特.SOLAR CELLS［M］.李采华，译.北京：北京大学出版社，2001.

〔编辑：刘晓芳〕

TK09；TM611.3

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.142

2095－6835（2017）18－0142－02