小型风光互补发电装置的设计与研究①
2019-08-08刘欣玉
刘 瑞, 刘欣玉
(安徽机电职业技术学院电气工程系，安徽 芜湖 241000)
0 引 言
随着社会对能源需求的急剧提高和对环境保护意识的空前上升，开发并利用太阳能和风能成为当前社会中的热点课题。在实践经验中，人们发现两者在能量转换的过程中深受地理位置、工作环境和天气变化等诸多因素的影响。如何克服各种不利的外部条件，合理布局和科学规划，最终提高能量转换效率，使太阳能和风能得到充分利用，正是当前风光互补发电行业工作者孜孜以求的目标[1]。
1 装置的结构设计及工作原理
1.1 结构设计
风光互补发电实训装置由光伏供电系统、风力供电系统、负载与监控系统组成。运行时随着风力和光照强度的变化而选择不同运行模式，可由风力供电系统或光伏供电系统独立供电，也可由二者互补供电[2]。
1.2 工作原理
光伏发电部分和风力发电部分是组成风光互补实训装置中独立而又相互补充的重要部分，系统框架图如图1所示。光伏供电系统，为方便在实验条件下更好利用光能，装置采用大功率投射灯模拟太阳光，利用运动控制部件作左右规律性摆动。同时，光线传感器对光强度进行实时采集，经光源自动跟踪控制程序比较分析，控制光伏电池组件对模拟光源进行自动追踪，以最优角度吸收光强度并转换为电能，根据实际情况，由控制器将一部分电能提供给蓄电池组和直流负载，一部分经逆变器转换为交流提供给交流负载[3]。风力发电系统，采用风扇模拟自然风，推动风力发电机风叶旋转产生交流电，整流器将交流转换为直流，根据不同时段光能和风能发电能力的变化及负载需求的调整，控制器及时对二者做兼容互补处理[4]。
图1 风光互补发电系统框架图
2 装置搭建及各主要部分参数
2.1 装置搭建
为方便实现装置的教学功能，依据发电机理和功能的不同分类，将实现同一功能的相关设备集中布局安装，组装成相互独立的模块柜。
2.2 主要参数
(1) 光伏电池组件主要参数：Pe=20W；Ue=17.2V；Ie=1.17A；投射灯模拟光能，投射灯Pe=300W。装置采用四组光伏电池组件，两组投射灯。
(2) 风力发电机主要参数：P=300W；Φ=120mm；启动风速V=1.5m/s；U=12V。教学装置采用轴流风机模拟风能，风机额定功率370W。
(3) 逆变与负载系统主要由逆变器和相应的逆变控制单元及负载组成。逆变器主要技术参数：Ui=12V；Uo=220V；Ie=1.4A；f=50Hz；S=300VA；输出正弦波。
3 装置自动控制功能的研究
实训装置是在实验室环境下进行，人工模拟自然界条件，产生可变的光能和风能，自动控制功能即是通过程序设计实现对模拟光源的自动跟踪和对可变风源的侧风偏航动态追踪，使装置发电效率最优化。图2所示为风光互补发电系统实物组成。
图2 风光互补发电系统实物组成
图3 光线传感器电路图
3.1 光伏发电控制程序设计
3.1.1 光线传感器
光线传感器电路图如图3所示。光线传感器采集光源的光强度，通过光线强弱改变光敏电阻RG1电阻值，电压比较器IC1a根据同相端和反相端电压值大小，控制三极管通断，使得控制线圈KA1得电或失电，由辅助触点KA1-1发出信号给PLC。
图4 光源自动跟踪程序逻辑图
图5 侧风偏航自动控制程序逻辑图
安装于四个方向上的光敏电阻感应相应方向的光源强度，经电路逻辑比较后输出信号至PLC。
3.1.2 光源自动跟踪程序设计
PLC接收定义为“东”“西”“北”“南”的4路信号，分别控制光伏电池组件的运动机构作水平和垂直方向运动，使得光伏电池组件自动跟踪对准光源。图4为光源自动跟踪程序逻辑图。
3.2 侧风偏航控制程序设计
模拟风场工作后，控制器检测风速仪的转速信号，当风速超过规定值时，控制器提供给PLC超风速信号，启动风力发电机作侧风偏航运动。当风速从高于规定值降到规定值以下时，风力发电机作撤销侧风偏航运动，尾翼恢复到初始位置。图5为侧风偏航自动控制程序逻辑图。
4 装置仿真
在实验室环境中，分别点亮不同投射灯和设定其照射角度，通过三种特殊状态模拟运行，可以得到对应的输出特性曲线。三种状态下的伏安特性曲线和输出功率曲线如图6所示，曲线a，电池组件正对一盏投射灯；曲线b，电池组件最大限度侧对两盏投射灯；曲线c，电池组件正对两盏投射灯。
图6 三种状态下的伏安特性曲线和输出功率曲线
5 结 语
充分结合当前社会对风光互补发电和相关人才培养的需求，通过对实训装置的搭建和模拟实验，使实训人员能够更直接理解并掌握该装置的整个转换过程。通过不同状态下的模拟仿真，对不利条件下发电效率进行综合分析，有利于指导生产实践。不仅夯实了实训人员的理论基础，同时也极大地提高了参与人员的实践能力，对风光互补发电教学工作和相关行业的发展起到了积极的推动作用。实训装置在MPPT控制这一块还需做更深入研究，以期使发电效率进一步提高。
