能源论文发表风-光互补发电浅析

　　摘要：内蒙古地区太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。文章介绍了在微处理器的控制下,用一种新的方法实现风能、太阳能发电系统中的匹配问题 使得风能发电、太阳能发电与逆变系统的结合，从而实现了系统的优化控制。

　　关键词：风能,光能,互补系统发电,优化控制

　　引 言

　　近年来, 随着全球经济的发展和科学技术的进步, 在环境污染日益严重, 不可再生能源正被耗尽, “油荒”、“电荒”、“水荒”相继告急的情势下，资源缺乏的压力不断增加。[2]为了满足人类生存的需求，保持社会经济的可持续发展， 改善人类赖以生存的环境, 解决人们日益增长需求与资源不断减少之间的矛盾，节约能源和清洁、绿色可再生能源的开发和利用成为当今国内外学者开始研究与探讨的重大问题。风能、太阳能就是取之不尽的天然绿色可再生资源。“十二五”期间，内蒙古将依托资源优势，积极培育战略性新兴产业，以风、光、生物质发电和煤的洁净利用为重点，打造绿色能源基地。然而现阶段我国大型风动系统的发电成本高、上网电力质量差，安全稳定性不好、长期运行寿命也值得怀疑。太阳能发电目前的问题还不仅是成本问题，尤其制造太阳能电池板的高污染和高能耗，系统的安全稳定性和长期可靠性有待于进一步提高。而在内蒙古地区风能与太阳能在时间和地域上有着很强的互补性,风-光能互补发电系统是一种将太阳能和风能转化为电能，风-光能互补发电系统与内蒙古地区资源上具有最佳的匹配性, 可以弥补单一能源发电造成的不平衡的缺陷，减小对电网冲击。同时风-光互补发电系统的关键设备----逆变器, 它的性能的好坏直接关系到所发出来电的质量,提高整个发电系统和电网系统运行的安全稳定性和长期可靠性。

　　一 系统结构和主要功能整套发电装置的系统框系统框架

　　此装置包括风能发电系统、光伏发电系统、逆变器控制系统等部分。

　　1.1 风能发电系统

　　风能发电系统是将风能转化为电能的装置。首先利用风力发电机组, 将风能转换成三相交流电, 然后经过整流器整流成为直流电, 对逆变系统直流端充电。风机采用专门调叶面风力发电机, 可在一级风时达到稳定输出, 对风速不稳定产生的尖峰电压电流可通过卸载电阻释放。

　　1.1.1风力发电机工作原理

　　风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，经过增速机将旋转的速度提升到异步发电机的转速后，再通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。风力发电系统是由风力发电机、充电器/、逆变器、齿轮箱、偏航系统、电变距系统、刹车系统和控制系统组成。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电器充电，用于保护电路的逆变电源，再由蓄电器转变成交流电，才能保证稳定使用。增速箱以传动比为28~125比例将低速的风轮转速变为高速的发电机转速。同时得到稳定的频率和电压输出。偏航系统就是要使得风轮的扫掠正面总是和主风向处于垂直。

　　现在利用电变距系统来调节叶片桨矩，对于1500千瓦风机而言，一般在3级风速自动启动，在6级风额定功率。之后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在即使是在12级飓风风速下风机也不会立即破坏。(12级，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。)

　　控制系统是依据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电流频率和电压输出下运行，自动地调节偏航系统，对风机的并网和脱网自动操作;同时监视发电机的运行温度、齿轮箱、电变距系统，对风机设备出现的异常进行自动报警，必要时做出自动停机操作，可做到无入看守的发电控制单元。

　　1.2 太阳能光伏系统

　　光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般分为独立系统、并网混合系统。

　　随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，本系统采用AES的SMD逆变器并网混合供电系统将控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率，该系统可以作为一个在线的不间断电源工作。还可以向电网供电或者从电网获得电力。系统的工作方式通常的是将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求。如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网;如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求，而且，当本地负载的功率消耗小于SMD逆变器的额定市电容量的60%时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态;如果市电产生故障，即市电停电或者是市电的品质不合格，系统就会自动的甩开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到上述的正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，给市电供电。并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据采集功能集成在控制芯片中。

　　1.3.2 逆变系统控制

　　本套发电系统采用AES的SMD逆变器系统，它在整个系统中将逆变系统直流端电压波动控制在一个相对小范围内, 以提高系统供电质量 。风电系统中利用一个加入式的昭功率跟踪器和卸载电阻将工作电压稳定在一个可控的范围，当风电电压超出设定范围时， 系统会自动启动太阳能光伏系统;当风电系统电压回到设定范围时，系统会自动切换回风电系统

　　光伏系统控制的是太阳能光伏电池充电系统, 光伏电池的输出特性与日照及电池板温度有关, 而在本系统中加入一个太阳能电池峰值功率跟踪器,设置蓄电池电压时范围要大一些，保证逆变系统直流端电压的大小，减少开关次数。逆变系统控制是发电的核心装置, 直接决定发电质量, 也是最容易损坏和出现故障的部分, 所以采用AES的SMD逆变器系统来时刻检测逆变系统直流母线端电压的大小, 决定是风能充电还是光能充电。

　　1.3.3逆变环节

　　逆变环节的主要任务就是将电路输出的直流电压通过逆变控制器PLC将滤波输出稳定的220V/50Hz的正弦波。

　　本系统利用PIC系列速度快, 可提高输出波形质量，设计了单极性调制方式的专用AES的SMD控制器以PIC为中心, 通过单片机内部程序的设计, 以满足系统的要求, 防止输出电流过高而损害电源, 同时设计了过流保护电路，防止高频信号的干扰, 为了保证系统关断, 设计了反向负偏置电路。以达到保护系统的目的。

　　1.4 控制器

　　控制器的主要功能是控制蓄电池组的充放电,并进行有关参数的检测﹑处理以及混合电站运行的控制. 主要保护风、光系统和充电的电流、电压检测控制;过放报警、保护控制//过流及短路保护控制、检测和处理的数据包括充电总电流、蓄电池端电压、放电电流、环境温度、蓄电池组输出电量等。控制器用无触点固态继电器及多级增量控制法控制。当蓄电池接近充满时，依次关断部分子阵列，保证蓄电池端电压不超过最高设定，同时进行蓄电池的浮充，保证蓄电池的良好充电性能。[4]

　　二 结语

　　在内蒙古中西部地区太阳能与风能在时间上和地城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, 但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季太阳光强度大而风小冬季, 太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性, 风光互补发电系统是一个最好的独立电源系统。[8]整套发电系统运用计算机控制技术, 把风电系统、光电系统、和逆变器有机地结合在了一起, 实现了以风能发电为主, 光能发电为辅, 能向电网提供稳定不间断电压, 解决单一发电系统的不稳定性对电网的冲击。风-光发电项目的成功将带来以下社会效益：一、电场雄伟的发电机群将成为一道亮丽的风景线，可以吸引大量的旅游客入，为发展开辟一块新的天地。二、这样大的项目需要大量的生产、安装、调试、维护、管理入员，可安排就业入员。

　　参考文献：

　　[1] 刘畅 ,张庆范.风-光-柴油机互补发电逆变系统的研究与设计.可再升能源，济南：山东大学控制科学与工程学院.2008.

　　[2] 任东明.我国可再生能源产业的发展现状与前景.国家发改委能源研究所中国科技投资专家论坛.2008-04-5,第3期.

　　[3] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京：机械工业出版社.2002.

　　[4] 张熙霖， 武鑫，吴志民，许洪华.风力、光伏、波浪能混合发电系统的应用研究.实用技术，北京：中国科学院电工研究所.2004.04.

　　[5] 倪受元，许洪华，孙晓.30 千瓦风/ 光互补联合发电系统[J]新能源,1996,18(12):1-10.

　　[6] 赵玉文,崔容强.我国太阳能光伏产业现状与发展[A].21 世纪太阳能技术-2003 年中国太阳能学会学术年会论文集[c]上海:上海交通大学出版社,2003.

　　[7] 汪海宁.光伏并网功率调节系统的研究.中国电机工程学报.2006.

　　[8]周晓受.风光互补发电系统.新能源， 北京：华北电力大学.2008年第1期.