风光互补供电系统的组成与结构

甘勇见

（浙江鸿远科技有限公司，浙江 杭州 310015）

从系统的组成角度来说，风光互补发电系统具体分为两大部分，包括风力发电机组与太阳电池组件。在实际应用中可以将风的动能以及太阳的光能，有效转化为电能，属于混合发电系统。使用的风力发电机，其是依靠自然风获得动力，利用风轮吸收风的能量，进而带动风轮和发电机运行，实现风能到电能的转化。太阳能发电模式主要是运用光伏发电原理，实现的能量转换。此系统的组成部件，具体包括风力发电组件、太阳电池组件以及风光互补控制器等，现对其进行以下分析。

1 风力发电机组

风力发电机是利用风轮带动发电机来发电的，它是将风能转换为电能的一种机械装置。把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电原理是：风能具有一定的动能，通过风力机把风能转化为机械能，带动发电机发电，经过整流器等设备得到稳定的直流电，可通过逆变器输出三相交流电，供给三相负载。

基于能量转换的层面来说，组成风力发电机的主要部分包括风力机和发电机。在实际应用中，风力机能够实现风能到机械能的有效转化，利用发电机可以实现机械能到电能的有效转化。

1.1 太阳能电池方阵

从光电转换装置来说，太阳能电池属于最小单元。其尺寸大小处于2×2~15×15cm范围内；运行时，电压大小处于0.45~0.5V范围内；工作电流大小处于20~25mA/m2范围内，通常需要组合使用提供电源。这需要对各个太阳能电池单体，采取串联的方式组合起来，并且进行封装处理，进而组建太阳能电池组件。实际应用中，其功率大小从几瓦到百余瓦不等，能够单独作为电源使用。一个组件上，太阳能电池单体的标准数量是36个或40个或72个，大约能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池组进行有效的充电。太阳能电池组件再经过串并联并安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它的每个支路通过防反二极管、充电控制器并联向负载和蓄电池供电，可以满足负载所要求的输出电压和输出电流。

1.2 蓄电池组

风光互补独立供电系统中的储能装置是蓄电池组，蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。其作用是储存风力发电机和太阳电池方阵发出的除负载耗电外的多余电能，并且在风力发电机和太阳电池方阵发电量不能满足负载需求时向负载供电。在此供电系统的匹配设计中，在风光互补供电系统中，蓄电池组属于重要设备。从系统构建的角度来说，风电发电技术以及太阳能电池技术水平不断提高，其应用成本有所降低，使得蓄电池组的应用成本在系统总投资中的占比不断增加，因此做好蓄电池容量的优化配置有着重要的意义。一般来说，容量越大，初期投资就越大，很容易出现蓄电池充电不足的问题，进而长期处于亏电的状态，同时受到自身放电的影响，使得蓄电池很容易被损坏。相反，容量如果过小很容易过放，难以满足负载用电的基本需求，缺少可靠性。

目前，应用较为广泛的蓄电池，主要分为三个类型，具体包括铅酸型、碱性镉镍型、铁镍型。在风光互补独立供电系统中，多使用铅酸蓄电池，重要场合也有用镉镍蓄电池，但是镉镍蓄电池价格较高，得不到广泛应用。对于容量在200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池；若容量小于200Ah，建议使用小型密封并且免维护类型的铅酸蓄电池。

由于在风光互补独立供电系统中，蓄电池组的蓄电量比负载所需电量大得多，蓄电池多数时间处于浮充放电状态，因此还要对蓄电池的性能做一些基本的要求：（1）自放电率低；（2）电池的使用寿命要长；（3）具有一定的深放电能力；（4）具有较高的充电效率。

1.3 控制器

控制器也是风光互补独立供电系统的核心部件之一，一般由各种电子元器件、仪表、继电器和开关等组成。实现控制器控制功能的方式有多种，其中比较常用的有逻辑控制和计算机控制。而智能控制器多采用计算机控制方式，风光互补独立供电系统中的控制器即是使用计算机控制方式。

风光互补独立供电系统中控制器，其在实际应用中主要负责电量调节输配以及控制。既可以将经过调整后的电量输送到直流负载或者交流负载，也能够将多出来的电量输送到蓄电池组进行储存。系统运行时如果风力发电机组以及太阳电池组的发电量，难以满足负载的实际需要，利用控制器可以把储存的电能输送到负载。当蓄电池组处于满电的状态时，利用控制器对蓄电池进行控制，使其避免被过度充电。若蓄电池内储存的电能可以达到最大放电深度，利用控制器可以避免被过度放电，实现对蓄电池性能的有力保护。

一般来说，控制器装置的质量如何，直接影响蓄电池的使用效果，同时影响系统的性能。因此，设置的控制器必须具有多样化功能。具体如下：（1）信号检测功能。利用检测系统中的各类装置和单元的运行情况以及信息，为供电系统运行状态判断和控制等，提供相应的数据依据。在具体实践中，通过采集输入电压和充电电流等，为相关工作的开展提供助力。（2）最优充电控制功能。利用设置的控制器装置，能够结合太阳能以及风能资源使用情况，同时根据蓄电池的荷电状态，选择适合的充电方式，进而实现高效并且快速充电。（3）放电管理功能。在蓄电池放电环节，必须要做好管理控制，比如负载自动控制开关机等。（4）设备保护功能。一般来说，系统中使用的各类用电设备，实际运行的过程中要利用控制器装置提供保护，以免系统出现运行问题或者用电设备发生损坏。

1.4 逆变器

在实际应用中，逆变器的作用主要是对直流电进行转换，使其成为交流电。从装置的组成来说，其主电路的构成以大功率晶体管为主，使用的是正弦脉宽调制工作制，有着很强的抗干扰能力以及过载保护能力等。目前，风力发电机组以及太阳电池组运行发出的基本上都是直流电，如果负载为交流负载，那么要使用逆变器，逆变器也是风光互补独立供电系统的重要部件之一。

按照运行方式，逆变器可以分为独立运行逆变器和并网运行逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的风光互补供电系统中，为负载供电；并网运行逆变器用于并网运行的风光互补供电系统中，能将直流电转变为交流电并将电能并入电网。依据输出波型进行划分，逆变器主要划分为方波逆变器以及正弦波逆变器。其中，正弦波逆变器具有较强的优势，是未来应用的主要趋势，适用于光伏发电系统应用以及风力发电系统应用等。

为了提高风光互补独立供电系统的整体性能，为确保供电系统可以长期处于高效运行状态，要合理地选择逆变器装置。除了考虑性能水平外，还必须做好经济性分析，保证发电的经济效益。从专业角度来说，逆变器的选择，要做好最大输出功率的衡量。对于逆变器容量的配置，必须依据负载最大用电功率、负载性质进行综合考虑，一般根据用户同时使用负载功率的总和来确定。

1.5 系统各组件的运行控制策略

从使用的供电系统角度来说，负载的电能来源，以风力发电机组以及太阳能电池板系统为主。在实际应用中，如果发电机组以及太阳能电池组提供的电力，可以达到负载所需，那么可以运用机组提供电源，同时若存在多余电量，则利用控制器送到蓄电池组。如果无法提供所需的负载电量，则应用控制系统通过控制蓄电池组放电，提供相应的负载电力。控制系统作为整个系统的关键，其根据系统运行实际情况的参数，通过实时检测以及运算分析，进而控制系统的启闭。主要采集的数据信息包括电压和电流等，基于动态分析和判断，达到控制系统的各目的。除此以外，使用的控制系统，其具备储存以及显示系统各项运行数据的功能，利用通信接口，实现数据的传输以及显示等功能，为后续的分析提供完整的数据资料。

2 结语

从实际应用中，风能和太阳能之间具有较强的互补特性，若单独使用风力发电或者单独使用光伏发电，则难以保证电力输出的稳定性和经济性，而采取风力和光伏互补的发电方式，可以保证系统运行的稳定性。不仅能够保证供电量充足，还能够减少电池容量，而且风光互补供电系统的应用，相比单一发电方式而言，具有不错的电池保护功能，使用期限很长。