離網風光油互補發電系統

離網型風光油互補發電系統的結構系統由太陽能電池板、風力發電機、智慧型控制器、蓄電池組、逆變器等組成。離網型風光油互補發電系統大體上可以分為兩類，一類是併網型發電系統，即和公用電網通過標準接口相連線，像一個小型的發電廠，將接受來的能量經過高頻直流轉換後變成高壓直流電，經過逆變器逆變後向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流;另一類是離網型發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，系指採用區域獨立發電、分戶獨立發電的離網型供電模式，將接收來的能量直接轉換成電能供給負載，並將多餘能量經過充電控制器後以化學能的形式儲存在蓄電池。

基本介紹

• 中文名：離網風光油互補發電系統
• 外文名：Off-grid oil complementary power generation system
• 學科：能源
• 領域：新能源
• 類型：發電系統
• 特點：風光油互補

簡介

所謂風光互補，顧名思義，強調的就是風能與太陽能的結合。事實上，風能與太陽能的結合有著天然優勢。風能是太陽能的另一種轉化，太陽照射地球引起溫度變化產生風。我們可以注意到，一般白天風小太陽輻射大，夜晚風大太陽輻射小，夏季風小太陽輻射大，冬季風大而太陽輻射小，晴天風小雨天風大。風能和太陽能在時間和季節上如此吻合的互補性，決定了風光互補結合後發電系統可靠性更高、更具有實用價值。因此，風光互補發電系統的出現可以很好的彌補太陽能和風能提供能量間歇性和隨機性的缺陷，實現不間斷供電。

風光互補發電系統大體上可以分為兩類，一類是併網型發電系統，即和公用電網通過標準接口相連線，像一個小型的發電廠，將接受來的能量經過高頻直流轉換後變成高壓直流電，經過逆變器逆變後向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流;另一類是離網型發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，系指採用區域獨立發電、分戶獨立發電的離網型供電模式，將接收來的能量直接轉換成電能供給負載，並將多餘能量經過充電控制器後以化學能的形式儲存在蓄電池。離網型較併網發電而言投資小、見效快，占地面積小，從安裝到投入使用的時間視其工程量，少則一天多則二個月，無需專人值守，易於管理。

離網型風光互補發電系統的結構

系統由太陽能電池板、風力發電機、智慧型控制器、蓄電池組、逆變器等組成。太陽能電池板輸出的直流電和風力發電機發出的交流電(經三相整流橋整流成直流電)，通過智慧型控制器對蓄電池進行充放電管理，在蓄電池未充滿時，對蓄電池進行最大功率充電;當蓄電池被假充滿時，控制器控制蓄電池不被過充，使蓄電池處於浮充狀態;當蓄電池放電至蓄電池過放電壓時，控制器將發出蓄電池電量不足告警並切斷蓄電池的放電迴路，以保護蓄電池。通過逆變器去帶動交流負載，通過DC-DC轉換電路去帶動直流負載。實時採集太陽能電池板、風力發電機、蓄電池組件和負載的狀態，實現系統智慧型控制，系統穩定、可靠及無人值守工作。該系統具有廣泛的用途和商業價值，比如風光互補路燈、風光互補移動電源、風光互補家用電源、風光互補移動基站等。

離網型風光互補發電系統的原理

(1)風力發電部分是利用風力機捕獲風能並將其轉換為機械能，然後通過風力發電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池進行充電，可直接對直流負載供電，也可經過逆變器對交流負載供電;

(2)光伏發電部分利用太陽能光伏陣列的光伏效應將光能轉換為電能，然後對蓄電池充電，可直接對直流負載供電，也通過逆變器將直流電轉換為交流電對交流負載供電;

(3)逆變器部分的作用是將風光互補發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能。在很多場合，都需要提供AC220V, AC110V的交流電源。由於蓄電池的直接輸出一般都是DC12V, DC24V, DC48V。為能向AC220V的電器提供電能，因此需要使用DC-AC逆變器。同時它還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量;

(4)控制器部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，協調風力發電機組、光伏陣列的最大功率跟蹤，以及實現對蓄電池的充放電控制、過充過放保護等功能。它不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節:一方面把調整後的電能直接送往直流或交流負載;另一方面把多餘的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統工作的連續性和穩定性;

(5)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在風光互補系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將光伏發電系統和風力發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用，從而保證負載工作的連續性和穩定性。

研究套用現狀

起初的風光互補發電系統，就是將風力發電機和光伏陣列進行簡單的組合，由於缺乏詳盡的數學計算模型，同時系統只是在保證率低的用戶中使用，因此導致系統使用壽命不長。

近幾年來，風光互補發電系統的研究一方面主要是利用飛速發展的微計算機控制技術和電力電子技術提高系統的供電高效性和運行穩定性。為提高系統的供電高效性，現在的風光互補發電系統大都採用最大功率跟蹤來保證光伏電池和風力機輸出功率儘可能最大，提高整個系統的工作效率。隨著半導體功率器件、微處理器以及數字控制器的迅速發展，MPPT技術達到鼎盛時期，人們將MPPT控制與DC/DC變換器連線起來，結合定電壓法等已有的控制算法，通過

硬體和軟體控制相結合的方法來達到最大功率點的跟蹤。除了恆定電壓法、增量電導法、擾動觀察法等常見算法外，近幾年出現一些新的算法如滯環比較法最優梯度法、間歇掃描法跟蹤、模糊邏輯法、神經網路預測法等等，由於這些控制算法複雜，要求微機配置高及出於成本等諸多因素的考慮，套用於工程實踐中還需一段時間。

風光互補發電系統另一方面的研究集中在系統的計算機仿真和最佳化設計。國外相繼開發出一些模擬光伏陣列、風力發電機及其互補發電系統性能的大型工具軟體包。我們通過模擬不同系統配置性能和供電成本便可得出最佳的系統配置。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory合作開發了hybrid2套用軟體。 hybrid2本身是一款很優秀的軟體，它可對一個風光互補系統進行非常精確的模擬運行，根據輸入的互補發電系統結構、負載特性以及安裝地點的太陽輻射、風速數據獲得一年8760小時的模擬運行結果。但是hybrid2隻是一個功能強大的仿真軟體，本身不具備最佳化設計的功能，並且價格昂貴，需要的專業性較強。在國內，香港理工大學同中科院廣州能源所及中科院半導體研究所合作提出了一整套利用CAD進行風光互補發電系統最佳化設計的方法。

目前國內進行風光互補發電系統研究的大學，主要有合肥工業大學、中科院電工研究所、內蒙古農業大學、內蒙古大學等。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的最佳化匹配和內蒙古大學新能源研究中推出來的小型戶用風光互補發電系統匹配的計算即輔助設計，在匹配計算方面有著領先的地位，而合肥工業大學能源研究所提出了風光發電系統的變結構仿真模型用戶可以重構多種結構的風光複合發電系統並進行計算機仿真計算，從而能夠預測系統的性能、控制策略的合理性以及系統運行的效率。

風光互補發電系統的套用前景

為推動我國節能環保事業的發展，促進資源節約型和環境友好型社會的建設，政府不斷推出扶持政策來支持風光互補系統的發展。隨著光伏發電技術，風力發電技術的日趨成熟及實用化進程中產品的不斷完善，風光互補發電系統的推廣套用越來越廣泛。其套用前景如下:

(1)無電農村的生活、生產用電。中國現有9億人口生活在農村，其中5%左右目前還未能用上電。在中國無電鄉村往往位於風能和太陽能蘊藏量豐富的地區。因此利用風光互補發電系統解決用電問題的潛力很大。

(2)半導體室外照明中的套用。目前已被開發的新能源新光源室外照明工程有:風光互補LED智慧型化路燈、風光互補LED小區道路照明工程、風光互補LED景觀照明工程、風光互補LED智慧型化隧道照明工程、智慧型化LED路燈等。

(3)航標上的套用。風光互補發電系統在航標上的套用具備了季節性和氣候性的特點。事實證明，其套用可行、效果明顯。

(4)監控攝像機電源中的套用。套用風光互補發電系統為道路監控攝像機提供電源，不僅節能，並且不需要鋪設線纜，減少了被盜的可能，有效防盜。

(5)通信基站中的套用。目前國內許多海島、山區等地遠離電網，但由於當地旅遊、漁業、航海等行業有通信需要，需要建立通信基站。海島風光互補發電系統是可靠性、經濟性較好的獨立電源系統，適合用於通信基站供電。

(6)抽水蓄能電站中的套用。風光互補抽水蓄能電站是利用風能和太陽能發電，不經蓄電池而直接帶動抽水機抽水蓄能，然後利用儲存的水能實現穩定的發電供電。

總結

近年來，受傳統能源價格上漲和全球氣候變化的影響，新能源開發利用日益受到國際社會的重視;:我國有非常豐富的可再生資源，能夠滿足開發利用的需求。我國也把大力開發利用新能源及可再生能源作為最佳化我國能源結構、保障我國能源安全的戰略新高點。新能源產業被納入國家戰略性新興產業。

通過分析風光互補發電系統的工作原理和國內外發展現狀，深入研究光伏陣列工作原理，風力發電機工作特性以及蓄電池充、放電過程中電化學反應機理，蓄電池充放電控制原理，太陽能、風能的最大功率跟蹤(MPPT)算法等的基礎上，本文採用一種改進的MPPT跟蹤算法一變步長擾動觀察法，解決了傳統算法跟蹤速度慢、易在最大功率點附近產生振盪的難題。