2 000 kW风光互补发电站设计

纪彦伟，王秀平,刘 朋

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.国网新源吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)

1 概 况

在风光互补系统设计的前期，必须对当地的地理条件和资源条件进行分析，尽量在风力和太阳能资源都比较丰富的地区建造风光互补发电站。目前，我国现具有的风光互补发电厂的规模还是比较小的，国外已经有相对较大规模的互补电厂出现。随着技术研究的不断深入和风光互补系统的进一步推广应用，风光互补终将成为多能互补体系中的重要组成部分，在新能源发电系统中占据重要的位置[1-3]。

光能资源的划分是根据所接受辐射量的多少而分为五类地区，黑龙江省绥化市太阳能资源属于中等型地区，全年日照时数为2 600～2 900 h，年辐射总量达(4 200×5 000 MJ/(m2×a))，日照气温高于10 ℃的天数普遍在200天以上。太阳能板在倾斜角度为45°时，辐射量吸收为最优，所以黑龙江省绥化市比较适合建设太阳能光伏电站。

经查阅资料得到黑龙江省绥化市的2009～2017年的相关风速，得出9年平均风速大约为9 m/s,虽然平均风速直接利用有缺点，但仍然是反应风能资源潜力的一项重要指标[4-7]。当今世界对于能源方面的综合技术，只有在每一年的平均风速大于3.5 m/s时，才有使用的价值。所以，黑龙江省绥化市比较适合建立风力机发电站。

2 风光互补发电系统

风光互补发电系统：风光互补系统是利用两种能源在同一个系统中共同发电，同时将可再生能源——太阳能和风能转化为电能，再利用蓄电池作为发电系统能量存储设备的一种发电系统[5]，如图1所示。

图1 风光互补发电系统

2.1 风能资源分析

根据黑龙江省绥化地区近年来的风能资源，光能资源分析出风光各占2 MW中的多少，从而可以更优的利用资源。根据查阅相关资料得到2009～2017年的风级情况，利用公式求出每天的风速，从而得出这几年的每月平均风速情况，如表1、图2所示，风力发电机相关参数、逆变器和控制器相关参数如表2、表3所示。

表1 绥化市2009～2017年1～12月风速情况

图2 2009～2017风速情况

根据风能密度计算公式：

433.74 W/m2

(1)

式中，Cp为根据叶素动量理论得到的最大风能利用小时数(h)；ρ为 空气密度(g/l)；V为风速(m/s)。

平均每年平均风能可以使用的时间为1 214h。日平均发电量为

(2)

根据分析，可以获得风力发电和光伏发电日平均发电量，由于该设计为2 MW风光互补发电站，故按照上面所分析的风能、光能情况，得出一天内太阳能与风能的比例为3.69:1.44=2.57:1，光伏发电站应该发电1.44 MW，约为1.5 MW,风力机发电站应该发电0.5 MW。

表2 风力发电机相关参数

2.2 太阳能资源分析

所调查地区的近22年来的数据显示本地光能资源情况如表4、图3所示。

太阳能光伏发电系统的组成如图4所示，其中包括：光伏组件方阵、控制器、逆变器等。蓄电池的选型，如表5所示。

2.3 光伏系统蓄电池的串并联设计

太阳能发电原理是采用半导体电池片，电池实质为一个半导体二极管，一般单个电池的面积只有几个平方厘米，其基本发电原理是，当太阳照射在半导体的PN结上时，它就会产生一个光电效应，这就达成把光转换成所需电能的目标。分别给一个P型和N型层焊接金属引线，形成正负极，连接到一个负载，在阳光的照射下，通过外部电路产生电流，它形成了一个电池组，将大量的此类电池元件进行串并联就可以组合成一个光伏组件，组件在太阳光的持续照射下产生所需的电流电压。

表3 逆变器和控制器相关参数

表4 近22年的每月发电量

图3 近22年的每月发电量情况

图4 光伏发电系统系统图

型号GFM-2000C额定电压/V2额定容量/Ah2 000长*宽*高/mm3629*346*341总高/mm351重量/kg174短路电流/A20 000参考内阻/mΩ0.9

查阅相关资料得知光伏电池每天大约工作8个小时，得出光伏发电系统的发电量为18×250×61×8=2 196 kWh，每组光伏电池板的输出电压为30.5×18=549 V，故蓄电池需要储存的容量为2 196 kWh÷549 V=4 000 Ah串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压为：600 V/2 V=300块，并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量=4 000 Ah/2 000 Ah=2。故需要6组这样的蓄电池串并联，所以能满足24小时工作的负载的功率为2 196 kWh÷24 h×6组=549 kW。需要如图5所示这样的蓄电池组一共6组。光伏电池板的性能参数如表6所示。

图5 一组蓄电池电气连接图

项目数值项目数值最大额定功率/W250功率公差/%±3最大功率时电压/V28.50最大功率时电流/A8.20开路电压/V30.50短路电流/A8.71系统最大电压/V1 000组件转化效率/%15.30功率温度系数/(%/℃)-0.45开路电压温度系数/(%/℃)-0.33短路电流温度系数/(%/℃)0.04标准组件发电条件/℃46±2

控制器的选型：光伏控制器的名称是汇能精电-单路电站控制器，型号是EPIP603。具体参数见表7。

表7 控制器的相关参数

此种控制器是为独立的发电系统而设计的，它具有通讯功能。可以为更大的电池阵列服务，更多的适用于集中供电系统之中。

主要特点：

1)具有智能优化控制的功能，更加稳妥、速率高、优秀；

2)使用效率更高的凡是充电—串联式—PWM；

3)采用保护温度传感器进行过热保护，从而保证了系统更高的可靠性；

4)采用PS232接口，可以保存30天以上的历史数据记录和下载；

5)具备后备电源开关信号输出；

6)4个接触按键，用户可设定系统工作参数；

7)LCD中英文菜单显示，可设置；

8)精确地实时性和电池电量显示，而且断电后不会丢失。

逆变器的确定：根据设计要求，确定了逆变器的参数如表8所示。

表8 逆变器的相关参数

1)61串光伏电池的输出功率为

61×250×18=274 500 W=274.5 kW<275 kW

(3)

2)每串光伏组件的电压为

30.5×18=549 V<900 V

(4)

MPPT的跟踪范围为280 V～820 V，故形同的输出电压581.5 V在其跟踪范围内；

3)61串光伏组件的电流为

8.71×61=531.31 A<600 A

(5)

3 结 论

风光互补发电系统是一种利用清洁的、可再生的新型能源进行发电的系统。对风力发电、太阳能发电以及风光互补发电系统的设计展开研究，通过对绥化地区的地理环境、风光资源做了详细分析，依据实测数据进行了相关计算，得出风光比例，确定了合理的进行风、光功率分配；通过系统容量，场地面积，本着经济性的原则，选取合理的风力机、太阳能电池板、逆变器、控制器、蓄电池等部件，以最佳的组合方式进行匹配，构成发电系统，并完成了稳定性校验，最终设计了一套2 000 kW的风光互补发电站。研究探索了一种风光互补发电系统的设计方法，为风光互补发电系统的推广利用提供了有价值的参考。

[1] 陈 岚,史伟伟.并网型风光互补的研究现状[J].机电信息，2010,36(3):3-4.

[2] 孟克其劳,贾大江，王利平.风光互补控制器的智能化设计[J].太阳能学报,2005,26(2)：134-138.

[3] 郭创新，张 理，张金江，等.风光互补综合发电系统可靠性分析[J].电力系统保护与控制，2013,41(1):102-108.

[4] 赵 邀.风光互补并网发电系统及最大功率点追踪[D].长沙:长沙理工大学，2011.

[5] 魏 单，陈 琳.“农光互补”光伏电站设计[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2017,13(2):108-112.

[6] 王 宇.风光互补控制系统的研究与开发[D].天津:天津大学，2004.

[7] 贺 炜.风光互补发电系统的应用展望[J].上海电力，2008,(2):134-138.