风电与光电互补系统的实际.docx
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风电与光电互补系统的实际
风电与光电互补系统的实际
摘要:
在全球经济尚未完全摆脱金融危机的困扰，气候变化不断加剧的大背景下，新能源以其可再生，清洁低碳，可持续利用等特点受到各国的普遍关注，许多国家将其作为保护环境和促进发展的重要途径，在应对金融危机的政策中都增加了新能源元素。
我国的新能源产业也进入了快速发展阶段，新能源技术不断进步，产业规模迅速提高，新能源装备制造业水平和产业技术研发水平迅速提升。
但随着产业规模化的不断扩大，诸多问题也逐渐显现出来，成为制约我国新能源产业规模化的瓶颈。
如成本相对较高，市场竞争力弱；技术研发投入不足，自主创新能力不强；产业体系薄弱，配套能力不强；行业管理松散，标准体系和人才建设严重滞后；政策体系不完善，措施不配套等。
由此，必须采取相应的措施。
关键字：
光电互补发电技术;新能源产业;瓶颈;战略规划;技术创新
1.1能源问题
能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。
但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。
随着不可再生的能源急剧减少，近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。
可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。
水能发电技术已经比较成熟，但是其局限性大。
生物质能发电导致其他生物威胁人类生存环境，地热能发电破坏地球环境……
1.2能源选择趋势
人们经过论证尝试之后最终认为自然界的太阳能和风能是最为清洁绿色的可再生能源，再加上其再地球上分布的广泛和取之不尽用之不竭的特性。
势必成为可再生能源发电能源的最佳选择。
各国也根据自身的基本国情制定了一系列的推广政策，2008年3月我国法改委公布了《可再生能源发展“十一五”规划》。
在其中明确提出在“十一五”期间，“加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源”。
人们加快了研究太阳能发电和风能发电的步伐。
然而太阳能、风能都具有能量密度低、稳定性差的特点，并且受地理分布、季节变化、昼夜变化等因素影响，单独的风能发电和太阳能发电最终效果都不理想。
然而人们发现太阳能在白天和夏季丰富，而风能在晚上和春秋较为丰富。
太阳能和风能这种天然的昼夜互补性和季节互补性，可以消除稳定性差的弱点，也使得它们组成能量互补系统—风光互补发电系统成为一种必然。
1.3风光互补发电的优势
风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，是一种具有较高性价比并且可以保证用电可靠性的一种新型能源发电系统，具有很好的推广应用前景。
二：
当前现状
最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。
系统设计的难点在于风能太阳能充电电路的调节，即控制器的设计。
近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。
通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。
其中coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory合作开发了hybrid2应用软件。
hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。
但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。
在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：
一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。
目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。
各科研单位主要在以下几个方面进行研究：
风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。
目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。
据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：
西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。
三、风光互补发电系统合理设计：
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。
该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。
该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。
缺点是小型风力发电机可靠性低。
另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。
同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。
无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。
应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。
目前，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。
几十年来，小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定的成就，但从根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。
长期以来，出于成本上的考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是根据空气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护。
机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞试验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。
目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。
前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。
要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要
四、系统配置应考虑以下几方面因素：
1、用电负荷的特征
发电系统是为满足用户的用电要求而设计的，要为用户提供可靠的电力，就必须认真分析用户的用电负荷特征。
主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用电量。
最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。
2．太阳能和风能的资源状况
项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据，一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后光电板和风机的容量.
目前研究影响风光互补发电系统优劣的两个主要因素就是：
风光互补功率以及蓄电池容量的选择匹配、控制系统对蓄电池充电、放电的控制保护。
风光互补发电系统的结构
风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。
该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
风光互补发电系统结构图
（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；
（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；
（3）逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。
同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；
（4）控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：
一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。
另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。
发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；
负载两大作用。
它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来， （5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡以备供电不足时使用。
风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：
风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。
风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：
利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；
在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量[5]；
通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。
控制器是风光互补发电系统中保证系统连续性和工作稳定性的核心，本论文主要度控制器进行研究论证说明。
风光互补控制器
离网型补发电控制器的国标要求GB/T19115
当地年平均风速大于3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不小于5000Mj/㎡是风光互补发电系统的推荐使用地区。
风光互补控制器：
既能将从风力发电就组获得的交流电能（也允许风力发电机组直流输入）转换成直流电能，存入储能电池或者直接使用，又能够从太阳能电池组件获得的直流电能存入储能蓄电池或者直接使用的换流及控制系统。
系统
额定直流电压参数单位/V
12
24
36
48
72
96
110
220
额定交流电压、频率及波形
频率/Hz
波形
交流电压/V
单相
三相
50
方形
220
50
正弦波
220
360
系统额定输出功率单位/W
2
00
10000
控制器的选择：
1、控制器必须有风力发电充电电路和光伏充电电路。
两充电通道要各自独立和有效隔离。
2、控制器风电充电电路的最大功率要大于或等于风力发电机组额定输出功率的2倍。
3、控制器光伏充电电路的最大功率要大于系统光伏功率的1.5倍
控制器的技术要求：
1、控制器光伏充电电路应满足以下技术要求
1光伏充电电路可承受的最大电压为太阳能电池组件额定电压的1.5倍
2光伏充电电路可承受最大电流为太阳电池组件短路电流的1.5倍
3光伏充电电路电压降≤1.2V
4应有防止反接的电路保护
5应具有防止蓄电池通过太阳能电池组件反向放电的保护功能
2、控制器应具有风力发电机组充电输入端、光伏充电电路输入端、蓄电池及地端、逆变器接线段的明显标志。
3、在多雷区或者特殊环境中使用的控制器应有防雷措施。
4、控制器整机与风力发电充电电路应符合JB/T6939.1要求。
电性能要求：
当系统的直流电压在额定电压值的90%-120%范围变化时，系统的交流输出频率应保持在50Hz±2.5Hz范围内，即频率稳定度的±5%。
输出为额定功率，当系统的直流电压在额定值的90%-120%范围内变动时，系统交流输出电压变化范围不超过额定值的±10%。
输出波形为正弦波的系统，正弦波的失真度不超过±5%。
系统的保护功能
蓄电池欠压保护
蓄电池过充保护
短路保护
过负荷保护
系统应有有效防止风力发电机组空载电压冲击措施，保证在出现最大空载电压时，系统内所有电器设备包括系统外部的用电器均能够的到有效保护。
系统的显示器
风力发电机组充电显示
太阳电池组件充电显示
蓄电池电压状态显示
控制器、逆变器工作正常显示
各种保护状态显示
系统显示可利用控制器、逆变器的显示，也可以独立设置。
应在说明书中加以明确。
除蓄电池电压状态应设置精度较高的电压表显示外，其余显示可使用各种显示器。
控制器的工作原理
太阳能光伏、风力发电控制器是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。
蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。
当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。
控制器采用PWM无级卸载方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行智能充电。
在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。
普通的控制方式是将整个卸荷全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被消耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。
有的则采用分阶段接上卸荷，阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。
最好的控制方式是采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，即可以达到上千级的卸载。
所以，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷上。
从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。
由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。
风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏。
从而确保了蓄电池的使用寿命。
风光互补控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流，使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态，从而使产品设计更加人性化。
数字化智能控制，核心器件采用功能强大的单片机进行控制，使得外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，从而确保了优异的性能和稳定性。
另外，风光互补控制器具有完善的保护功能，包括：
防雷、太阳能防反充、过电压自动刹车、蓄电池反接和开路保护等。
核心控制元件采用美国原装微控制器，功率器件则采用优质的美国原装IR器件。
设备充电效率高，空载损耗低。
经大量实践证明，该系统运行安全、稳定、可靠，使用寿命长。
具有较高的性能价格比。
PWM（宽频调制）
1．PWM技术定义
PWM（PulseWidthModulation）控制就是脉宽调制技术：
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
2．PWM重要理论基础
PWM重要理论基础——面积等效原理。
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
3．如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波如下（单极性调制）：
采用上述调制方式的PWM称为SPWM波，通过其控制功率器件，使得输出的波形经过滤波后为正弦波。
SPWM波的调制方式还存在下面这种方式（双极性调制）：
使用WPPT技术对风力发电机组和光伏电池板的最大功率点进行跟踪。
从而得到系统最大的输出功率。
最大功率点跟踪（MPPT）
（MPPT控制方法以光伏发电为例）定步长算法
图4是具有定步长的MPPT一阶差分算法框图。
实现太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程，通过对光伏阵列当前时刻输出电压与电流的检测，得到当前时刻光伏阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻光伏阵列功率值比较，舍小存大，再检测，再相比较，如此不停地周而复始，便可使光伏阵列动态地工作在最大功率点上。
功率达到最大值时满足：
3.2 变步长控制算法
由光伏阵列的I-V特性曲线可知，只有当光伏阵列工作在最大功率点时，光伏阵列才能输出最大功率。
定步长的MPPT一阶差分算法是以光伏阵列输出功率最大为跟踪目标的。
但在实际系统中，最重要的是负载获得的功率是否为最大。
基于此提出以负载获得功率的变化代替以光伏阵列输出功率的变化来进行最大功率点跟踪的控制策略。
同时，根据电网电压基本上为恒定值的特性，对注入电网的电流的变化进行最大功率点跟踪。
在具体控制算法上采用改进的变步长电压扰动法，当离最大功率点较远时，步长较大，寻优速度加快；当接近最大功率点时，步长较小，逐渐地逼近最大功率点；当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作，最终实现光伏阵列的真正最大功率点跟踪。
电流在实际的跟踪过程中，搜索步长要根据当前光伏阵列的工作点相对于最大功率点的距离而做出相应改变；同时，在搜索过程中，为了避免误判断设置了光伏阵列工作电压的上下限幅值。
相应的控制框图如图5所示。
风力发电最大功率点跟踪控制
风力发电机工作原理
风力发电系统就是江风能转成电能的装置，主要有风力机（风能转换成机械能）、发电机（机械能转换成电能）、控制器、电力变换等部分组成。
风力发电系统风力机选择和能量特性不再详述，见“分布式风光互补控制器”论文。
下面主要讨论一下风力发电最大功率输出问题。
风力发电的最大功率点跟踪（MPPT）控制方法可以大致分为三类：
叶尖
速比控制、最大负载功率曲线控制、最大功率点搜索控制。
叶尖速比控制的计算系数受外界因素影响，难以精确计算风速，算法移植困难因此，此方法很少用于风光互补发电系统。
最大负载功率曲线控制要求事先测得风机转速和最大负载功率之间的关系曲线。
由于不同的风机的最大负载功率曲线不同，所以算法的移植性较差，而且很难找到风机转速和最大功率之间的准确关系，这样就直接影响控制精度，但控制算法比较简单。
最大功率点搜索控制法不需要测风速的设备，也不需要知道风机的准确功率特性曲线，系统有自动跟随与自适应的能力。
在这种控制方案控制下，即使风速稳定，发电机最终的功率输出也会有小幅度的波动，这种波动是系统调节上的需要，不可消除的，也是这个控制算法的一个缺点，但是，与一般的闭环控制系统不同，风力发电系统由于受风速的随机性与波动性的影响，其输出一般不需要十分高的精度与稳定，所以在允许范围内的小幅度波动是可以接受的。
采用变步长扰动法，在一定程度上可降低这种波动幅度。
最大功率的搜索控制法框图
光伏发电的最大功率点跟踪控制策略
光伏阵列工作特性
使用过程中，总是希望太阳电池输出大电流、高电压。
下面是理想的PN结太阳电池I—v方程。
式中，Is，Vs。
分别为太阳电池的输出电流和输出电压；Isc、Io分别为太阳电池
的短路电流和PN结反向饱和电流；K是玻尔兹曼常数
；T为
温度；q为电子电荷量
。
太阳电池I-v特性曲线是在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电压和输出电流之间的关系如上图所示。
I-v特性曲线表明太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，而是一中非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电压迅速下降至零。
根据特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术参数：
1）短路电流（Isc）；在给定温度日照条件下所能输出的最大电流。
2）开路电压（Voc）；在给定温度日照条件下所能输出的最大电压。
3）最大功率点电流（Im）；在给定温度日照条件下最大功率点上的电流。
4）最大功率点电压（Vm）；在给定温度日照条件下最大功率点上的电压。
5）最大功率（Pm）：
在给定温度日照下所能输出的最大功率。
改变日照强度而保持其他条件不变。
由图2—7可见，短路电流Isc线性地与曰照强度成正比，而开路电压的变化很慢，成对数关系。
即
以及
，其中S为目照强度，单位是W/㎡。
当电池温度发生变化时，由图2—8可见，开路电压Voc线性地随电池温度变化，而短路电流Isc略微变化。
这里指的时太阳电池温度的变化，而不是环境温度。
环境温度与电池温度的关系依赖与日照强度，见图2—9。
在一定温度、日照条件下，太阳电池的输出功率具有最大值。
光伏发电过程中，太阳电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且还受环境温度及负载的影响。
要想在光伏发电时得到最大的功率，必须不断改变负载阻抗的大小，从而达到光伏阵列与负载的最佳匹配，以提高系统的效率。
负载工作点亦称为静态工作点，它由光伏阵列和负载的伏安特性曲线相交的位置决定。
对不同负载，它们的伏安
特性不同，显然工作点不同，光伏阵列相应的输出功率也不同。
图2—9为光伏
阵列连接蓄电池负载在不同工作条件下的负载工作点。
由图中可以看出，蓄电池
的输入特性曲线接近光伏阵列的最大功率线，两者本身具有良好的匹配特性。
因
此，在系统中只要合理选择太阳电池的串并联个数，使阵列在最大功率点附近的
运行电压近似于蓄电池的端电压，就可以近似地实现恒定电压下最大功率跟踪功
能，从而省去最大功率点（MPPT）控制器，降低了系统的成本。
恒压控制法在一定温度下，光伏电池板在不同光照强度下的最大功率点总是近似的处于某一恒定的电压值Vm附近，在这一点电池板输出的功率为Pm。
因此，只需要通过负载阻抗的匹配，使得在光伏电池板的输出电压稳定在Vm附近，就可以实现最大功率点控制。
但是在同样的光照强度下，最大功率点还受到温度的影响，也就是说，在不同温度下，Vm的值不是一个定值，尤其是在温度变化比较大的情况下，这种影响更为明显，这也是这种控制方法的缺陷所在。
由于这种方法控制比较简单，容易实现，因此在温度变化不是很明显的情况下，经常采用。
扰动观察法光伏发电扰动观察法和上文风力发电控制中提到的最大功率点搜索法相似，是目前常用的MPPT控制方法之一。
其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池端电压，井观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。
控制方程可以简述如下：
扰动观察法的控制方程可以分为两个方程：
P方程（扰动方程）和。
方程
（观察方程）。
P&O法先扰动光伏电池输出电压值，再对扰动后的光伏电池输出功率进行观测，与扰动之前功率值相比，若扰动后的功率值增加，则扰动方向S不变：
若扰动后的功率值减小，则改变扰动方向S。
其控制框图如图所示。
这种控制方法的最大优点在于其结构简单，被测参数少。
其缺点是由于始终有“扰动”的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失
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