风光互补离网发电方案.docx

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风光互补离网发电方案

风光互补离网发电系统

一、研究意义

在现今世界，电已成为人们生活中最经常使用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步，人们对电的依托愈来愈强。

在远离电网的地域，独立供电系统就成为人们最需要的电源。

军队的边防哨所、邮电通信的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民都需要低本钱、高靠得住性的独立电源系统。

要解决长期稳固靠得住的供电问题，只能依托本地的自然能源。

太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。

太阳能与风能在时刻上和地域上都有很强的互补性。

白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差转变大而风能增强。

在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。

太阳能和风能在时刻上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最正确的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。

单独的风电和光电系统都存在一个一起的缺点，确实是资源的不确信性致使发电与用电负荷的不平稳，风电和光电系统都必需通过蓄电池储能才能稳固供电，但天天的发电量受天气的阻碍专门大，会致使系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引发蓄电池组利用寿命降低的要紧缘故。

　　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。

二、项目方案

系统构架

图1风光互补独立发电系统

风光互补独立发电系统可分为：

风机、太阳能电池板、风光互补操纵器、蓄电池和逆变器几个部份。

风光互补操纵器将风机和太阳能电池板发出的能力合理操纵给蓄电池充电，提高充电效率，保证充电平安。

蓄电池贮存能量，供用户需要时利用。

逆变器将蓄电池的直流电逆变成220V的交流电，方便用户利用。

系统容量配置

nKW风光互补离网发电系统中的nKW指的是逆变器输出能力，即逆变器能提供最大nKW的能量输出。

风机、光伏电池板、风光互补操纵器、蓄电池和逆变器几部份之间的配置关系对保证发电系统的靠得住性超级重要。

一样来讲，系统配置应考虑以下几方面因素：

（1）用电负荷的特点

发电系统是为知足用户的用电要求而设计的，要为用户提供靠得住的电力，就必需认真分析用户的用电负荷特点。

主若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，而平均日发电量那么是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。

一样家用电器的用电情形：

电器名称一样电功率（瓦）估量用电量（千瓦时）

窗式空调机1000-3000最高每小时1-3

电暖气1600-2000最高每小时电热淋浴器1200每小时

2000每小时

微波炉950每10分钟

1500每10分钟

饮水机（加热）750每10分钟

家用电冰箱100-150每日1-2

家用洗衣机单缸230最高每小时

双缸380最高每小时

电饭煲500每20分钟

电熨斗750每20分钟

理发吹风器450每5分钟

吸尘器（小型）400每15分钟

（大型）850每15分钟

吊扇大型150每小时

小型75每小时

台扇16寸66每小时

14寸52每小时

电视机21寸70每小时

25寸100每小时

音响器材100每小时

照明100W每小时

电脑台式机200W每小时

笔记本60-80W每小时通过对一样家用电器的功率分析，能够按用电负载的情形决定蓄电池的最大输出功率和容量。

500W：

适用于一般照明用电（100W）、电视机（100W）、风扇（80W）、台式电脑（200W）、笔记本电脑（60-80W）等功率较小的电器。

这些电器天天的平均利历时刻按4小时计算，总耗电量约为2KWh。

风机和太阳能电池板的平均日发电量应为2KWh，蓄电池容量能够选择4-5KWh，保证供电的稳固。

1000W：

适用于一般照明用电（100W）、电视机（100W）、风扇（80W）、台式电脑（200W）、笔记本电脑（60-80W）的同时，还能够按当前功率选择利用电冰箱（100-150W启动功率为5倍该功率）、洗衣机（380W）、电饭煲（500W）等中等功率用电器，但需要注意整个负载总功率。

这些电器天天耗电大约在，风机和太阳能电池板的平均日发电量应为，电池容量适合选择9-10KWh。

1500W：

利用电器和1KW大致相同，按实时剩余功率多少还能够利用一些功率1KW（没有启动瞬时大功率情形）之内的其他电器，电熨斗（750）、吸尘器（400-850）、饮水机（加热时750）。

电器的用电量和1KW大致相当，要紧取决于用电时刻的长短，平均日用电量约为4-5KWh，风机和太阳能电池板的平均日发电量应为4-5KWh，电池容量适合选择10-11KWh。

2000W：

与1000W相较，还能够利用电熨斗（750）、吸尘器（400-850）、饮水机（加热时750）这类用电器，且同时可选用的用电器更多。

依照不同的用电情形，天天总用电量大约在5-7KWh之间。

风机和太阳能电池板的平均日发电量应为5-7KWh，电池容量能够选择12-15KWh。

3000W：

可同时利用大多数用电设备，但空调（瞬时功率太大，一样在3KW以上）、电暖气（2000W）、电热淋浴器（2000W）这内用电设备仍是不适用。

每日用电量和2000KW没有太大不同，依照不同的用电情形每日用电量大约在6-8KWh之间，风机和太阳能电池板的平均日发电量应为6-8KWh，蓄电池容量可选择15-20KWh。

现要紧对1500W和3000W两个型号进行分析，两个型号能够利用的家用电器大体一样，不同在于3000W能够同时利用更多的电器。

但作为日经常使用电，1500W对照明、电视、电脑、风扇、冰箱供电完全能够用同时知足。

知足家庭日常小功率电器用电需要，1500W是一个比较合理的配置。

（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伏电池板和风机容量选择的另一个依据，一样依照资源状况来确信光电板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确信容量的前提下再考虑容量系数，最后光伏电池板和风机的容量。

光伏电池板和风机的平均每日总发电量应该和负载每日平均耗电相同或略大。

风光互补离网发电系统，一种合理的配置为：

风机：

功率1KW的风力发电机，按平均风速6m/s计算，每日发电量约为3-4KWh；

太阳能电池板：

功率1KW太阳能电池板，按一样日照强度地域计算，每日发电量约为3-4KWh；

蓄电池：

额定电压48V，容量（12V，200Ah/块，4块串）；

风机和太阳能电池板的选型要紧取决的是日发电量是不是知足日用电量，根功率大小没直接关系。

因此风机和太阳能电池板的总功率大于输出额定功率。

3KW风光互补离网发电系统，一种合理的配置为：

风机：

功率2KW风力发电机，按平均风速6m/s计算，每日发电量约为；

太阳能电池板：

功率2KW太阳能电池板，按一样日照强度地域计算，每日发电量约为6-7KWh；

蓄电池：

额定电压96V，容量KWh（12V，200Ah/块，8块串）。

硬件设计方案

系统要紧要设计的部份是风光互补操纵器和逆变器。

电池充电操纵器设计第一考虑对充电的治理和对太阳能和风能的最大功率跟踪的功能，市面上有部份风光互补的充电机不具有如此的功能，致使充电效率不高，且蓄电池寿命不长。

同时作为一款小功率的离网逆变器，操纵产品体积和本钱是必需要考虑的问题，最好利用一级电路完成。

若是利用两级电路：

全桥逆变通过变压器后整流为电池充电，作为风光互补操纵器的结构的话，固然能专门好的实现功能。

可是整个系统器件较多（体积较大）和效率较低。

充电操纵可选的一级操纵电路，实现的方式有BOOST电路和BUCK电路。

利用一级BOOST电路（升压）要求电池板电压和风机整流后电压低于电池电压；利用一级BUCK电路（降压）要求电池板电压和风机整流后电压高于电池电压。

选用哪一种电路要紧取决于太阳能电池板和风机的选择。

电池电压1kW系统48V和3kW系统96V，电压较低，光伏电池板电压一块电池板一样在44V左右，串联后一样会高于蓄电池电压，因此适合选择一级BUCK电路完成充电操纵。

风机分为直流输出和交流输出两种，目前咱们把握的风机资料都为直流输出风机，以“风神风机”为例：

1KW风机额定输出电压DC24/48V，3KW风机额定输出电压DC115/230。

1KW风机低于蓄电池电压，3KW风机高于蓄电池电池电压。

因此需要依照风机选择型号不同，确信选择BOOST或是BUCK电路。

太阳能电池板和风机输出通过整流后的直流电通过BUCK电路可调剂充电的电压电流，同时调剂BUCK电路还可完成对太阳能电池板的最大功率跟踪。

该拓扑结构的优势：

结构简单，同时可跟踪太阳能电池板最大功率点，可调剂充电电流电压。

蓄电池通过全桥逆变滤波后为50HZ交流（电压配合蓄电池电压设定），再通过变压器升压为220V交流供用户利用。

此刻对可能的设计方案进行分析，要紧按充电结构分为“双BUCK”结构和“BUCK+BOOST”这两种。

（1）双BUCK电路结构一，如以下图：

电路太阳能充电和风能充电完全独立，可同时充电也可单独充电，可一路也可单独操纵，而且能够对太阳能和风能发电同时进行最大功率跟踪。

双BUCK电路结构二，如以下图：

该结构功能和上面相同，两路BUCK电路共用电感，在操纵上两路同时操纵。

该电路能够少用一个电感，但不能同时进行最大功率跟踪，且操纵难度较大。

（2）BUCK+BOOST电路，如以下图：

电路太阳能充电和风能充电完全独立，可同时充电也可单独充电，可一路也可单独操纵，而且能够对太阳能和风能发电同时进行最大功率跟踪。

在器件选型方面，第一要作得选型为开关管：

风光互补离网逆变器的蓄电池电压为48V，额定功率下风机的充电电流最大为22A，太阳能电池的最大充电电压为22A，逆变器最大放电电流为33A。

现在开关管将工作在低电压较高电流的情形下，若是利用IGBT效率必然做不高，因此咱们选用英飞凌的MOS管：

IPA075N15N3G耐压150V，电流43A，导通电阻Ω，作为1KWBUCK电路的开关管或BOOST电路开关管；IPA057N08N3G耐压80V，电流60A，导通电阻Ω，作为1KW全桥逆变电路的开关管。

如此开关管的导通损耗将较低，同时MOS管开关速度远高于IGBT，开关损耗也能降到极低，能整体提高系统效率。

3KW风光互补离网逆变器的蓄电池电压为96V，额定功率下风机的充电电流最大为44A，太阳能电池的最大充电电压为44A，逆变器最大放电电流为67A。

现在开关管任将工作在低电压较高电流的情形下，咱们选用英飞凌的MOS管：

IPB107N20N3G耐压200V，电流88A，导通电阻Ω，作为3KW的开关管。

操纵芯片要完成对充电治理、最大功率跟踪和全桥逆变的操纵。

可选用TI公司DSP2812，操纵技术成熟，将高效的完成系统操纵。

软件操纵方案

BUCK电路操纵（BOOST电路类似）

在一个操纵周期T内，导通时刻为D*T,那么BUCK电路有如下特性：

（Vin-Vout）*D*T=Vout*（1-D）*T;

即D=Vout/Vin；操纵占空比就能够够操纵输出电压的大小，由于D<1，那么可知Vin>Vout，那么只需知足Vout>Vo+I*R；其中Vo为蓄电池的电压，R为蓄电池的等效内阻。

那么只需初始化一个D使得开始时的各个电压知足上述条件，然后调剂D进行最大功率跟踪使得系统工作到最大功率点。

假设电感L1无穷大，且负载电流平直，那么有I_IN=D*I_OUT；

联合上述式子，有V_OUT/I_OUT=D*D*V_IN/I_IN；

那么：

R_OUT=D*D*R_IN;由该公式可知，通过调整占空比D能够起到调整输出负载阻抗大小的作用，利用光伏太阳能电池板的软负载特性调整太阳能电池板工作点电压，能够起到对太阳能电池板最大功率跟踪的作用。

本文采纳逐次逼近法的MPPT操纵策略，依照DC/DC变换器的特性，对PWM占空比输出进行调整，通过改变当前的阻抗情形来知足最大功率输出的要求，使系统运行在当前工况下的最正确状态。

操纵流程如以下图所示：

在系统启动时，设定最初的占空比D，固定步长T,Pt,Dt为t时刻光伏发电系统输出功率和占空比值，第一以必然的趋势调剂PWM占空比输出，对t时刻所对应的光伏发电系统输出功率进行比较，然后确信下一步PWM占空比输出。

当Pt>Pt-1，时，时刻所对应的系统输出功率比t-1时刻所对应的输出功率加倍接近最大功率点Pmax，那么占空比输出依照原趋势继续进行，直到系统输出功率达到最大功率点，当Pt

全桥SPWM操纵

SPWM操纵是用脉冲宽度按正弦规律转变而和正弦波等效的SPWM波形操纵逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等。

通过改变调制波的频率和幅值那么可调剂逆变电路输出电压的频率和幅值。

上图中，Ud为蓄电池的电压，Uof为系统的期望输出的电压，Ur为依照系统期望输出电压算出的载波，Uc为事件治理器中的比较值。

系统工作后，蓄电池输出的电压是要稳固在48V的，如此可依照Ud和Uof算出每一度所要发的占空比，并挪用PI操纵算法，依照期望电压Uof与实际电压Uout的差值计算出占空比的转变量，由此生成的操纵信号PWM波通过对全桥开关的操纵来调剂电压的幅度，系统就能够完全快速跟从期望电压了，最终使输出功标准的正弦电压，系统达到稳固。

软件流程图如下：

系统技术指标

风光互补离网发电系统技术指标

输入：

风机输出电压：

24V；

风机功率：

1KW；

风机最大充电电流：

22A

太阳能电池板：

开路电压90V；

太阳能电池板功率：

1KW；

电池板最大充电电流：

22A；

MPPT范围：

48V-90V

最大充电效率：

93%

输出：

蓄电池：

额定电压48V，容量（12V，200AH/块，4块串）；

最大逆变功率：

逆变电压：

AC220V；

电压频率：

50HZ；

额定功率下电压谐波因数：

<5%

最大逆变效率：

92%

系统具有多项爱惜功能：

低电压爱惜，过放爱惜，太高爱惜，过流爱惜，温度太高爱惜（爱惜的参数需要依如实际的蓄电池规格设定）

3kW风光互补离网发电系统技术指标

输入：

风机输出电压：

48V/230V；

风机功率：

2kW；

风机最大充电电流：

44A

太阳能电池板：

开路电压180V；

太阳能电池板功率：

2kW；

电池板最大充电电流：

44A；

MPPT范围：

96-180V

最大充电效率：

94%

输出：

蓄电池：

额定电压96V，容量（12V，200AH/块，8块串）；

逆变器功率：

3000W

逆变电压：

AC220V；

电压频率：

50HZ；

额定功率下电压谐波因数：

<5%

最大逆变效率：

93%

系统具有多项爱惜功能：

低电压爱惜，过放爱惜，太高爱惜，过流爱惜，温度太高爱惜（爱惜的参数需要依如实际的蓄电池规格设定）

三、经济可行性分析

风光互补离网发电系统具有普遍的应用前景，如：

无电农村的生活、生产用电，岛屿用电，室外照明，应急电源等。

同时风光互补发电系统的应用向全社会生动展现了风能、太阳能新能源的应用意义，推动我国节能环保事业的进展，增进资源节约型和环境友好型社会的建设，具有庞大的经济、社会和环保效益。

作为一款民用产品，本钱是一个阻碍市场的重要因素。

目前，系统整体本钱要紧在风机、太阳能电池板、蓄电池，本方案所设计风光互补离网发电系统的生产本钱估量2500元，3KW风光互补离网发电系统的生产本钱估量4500元。

四、研发周期

项目研发的难点在于合理的电池充电治理和离网逆变，这两部份需要研发专门的算法和搭建合理的硬件拓扑。

项目研发时刻需要6个月，具体安排如下：

第1个月：

方案确信，软硬件设计

第2-3个月：

采购器件和设备，硬件制版，平台搭建，结构设计

第4个月：

软件测试，系统整体调试

第5-6个月：

制作样机，系统测试，交付利用