多種能源混合發(fā)電在海洋島嶼的應用

傅國明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江紹興312000）

多種能源混合發(fā)電在海洋島嶼的應用

傅國明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江紹興312000）

為了解決海洋小島嶼由于面積較小、電量需求較大，架線與變壓的成本高這一大難題，采用太陽能光伏組件發(fā)電、風力發(fā)電、柴油機發(fā)電多種能源混合發(fā)電的方式，不僅提高了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還充分發(fā)揮了各能源之間的互補作用，充分利用了太陽能、風能等可再生能源。

太陽能光伏組件；風力發(fā)電；柴油機發(fā)電；離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

目前，市場上的太陽能光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)大體有2種：①由太陽能光伏組件與蓄電池組成；②在太陽能光伏組件與蓄電池的基礎上增加了風力發(fā)電機，組成了風光互補的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。這2個系統(tǒng)中，由于蓄電池在放電過程中有能量損失，效率只占80%，導致整個系統(tǒng)的效率下降，壽命一般為3～5年，獨立系統(tǒng)的成本增加。

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件發(fā)電依賴的是太陽光的強度，風力發(fā)電時受風速的限制，這在不同程度上加大了儲存電能的蓄電池的容量。至今為止，任何一種電池，無論是鋰電池，還是鉛酸電池，都無法擺脫成本高這一問題。筆者的方案由此而生，即采用太陽能光伏組件、風力發(fā)電、柴油機發(fā)電多種能源混合發(fā)電，不僅能提高離網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，又能充分發(fā)揮各能源之間的互補作用，還避免了柴油機連續(xù)運轉。

1 市場調研

世界對能源的需求，尤其是電力在不斷增加，為了減少溫室氣體的排放，國際上達成了共識，利用ECA和其他在世界各地提供資金的國際金融機構（IFI）的政策配合，降低國內市場對可再生能源的需求。風能因其具有可再生、無污染、不影響生態(tài)環(huán)境、蘊藏量大、裝機規(guī)模靈活、建設周期短等優(yōu)點，已經(jīng)成為未來替代能源中最有希望的類型之一。在陸地上，風力發(fā)電因受陸地面積的限制而正走向海洋，成為今后風力發(fā)電技術的主要發(fā)展方向之一；同樣，光伏太陽能組件在陸地上發(fā)電時，更加受陸地面積的限制，無法拓寬市場。太陽能光伏組件發(fā)電系統(tǒng)也會走向海洋。為此，在能源利用方面，可因地制宜、就地取材，這樣降低了輸變線路建設的難度與成本，更有利于滿足海洋島嶼的用電需求。

目前，風能功率密度只是由風速決定，因此，只有在合理確定風速的情形下，才能準確地估算風能功率的密度。風能功率密度的大小與風速的三次方成正比，因此，風速對風能潛力的估計起決定性作用。

實際上，風速具有隨機性，每時每刻都在變化，不能用某個瞬間風速來計算風能功率密度。

海洋小島嶼由于面積較小，好多地方無法用電網(wǎng)的電，主要原因在于：架線與變壓的成本太高，海底電纜的架設也受路線長短和島嶼面積大小等因素的影響，最關鍵的是用電量的大小。

目前，大都采用了柴油機發(fā)電，但是，單一柴油機的機組不可能長時間連續(xù)運行，由于用戶負載也不穩(wěn)定，導致柴油的浪費。另外，盡管有些采用了光伏太陽能離網(wǎng)發(fā)電，從能源上來說，這種方式利用了太陽能，但是，太陽光只有白天才有，且受氣象條件的限制，每天可利用的時間僅僅幾個小時，只能增加離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的數(shù)量來保證用戶的電量。風光互補這一方案比單純的太陽能發(fā)電系統(tǒng)要好得多，充分將風能發(fā)電并網(wǎng)應用于光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，相對來說減少了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的成本。同樣，風能也受氣象條件的限制，考慮到晚上、連續(xù)陰雨天等因素，離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電對蓄電池容量的依賴性還是比較強的。

2 工作原理

光伏、風力、柴油機三者發(fā)電，構成一定的互補關系，形成風機、光伏和柴油發(fā)電機一體化的混合供電系統(tǒng)，供電的可靠性和穩(wěn)定性將大大提高。當風光發(fā)電不足和蓄電池儲能不足時，由柴油發(fā)電機補充發(fā)電，彌補風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的不足。自動啟動柴油發(fā)電機組向負載供電，同時給蓄電池組充電，防止蓄電池組過放，并存儲電能。另外，在逆變器無法正常工作的情況下，柴油發(fā)電機組作為應急電源可以直接通過離網(wǎng)局域電網(wǎng)給負載供電。當離網(wǎng)局域電網(wǎng)負載較輕和蓄電池處于充電飽和狀態(tài)時，柴油機發(fā)電自動退出運行。

3 控制方案

3.1 自動對風機控制

當10 min平均風速超過自動對風風速時，風力發(fā)電機組開始自動對風，以便盡快跟蹤風向的變化，進入起風狀態(tài)；當10 min平均風速繼續(xù)升高達到起動風速后，進入自動起動狀態(tài)。風力發(fā)電機總是根據(jù)風向儀的信號選擇沿就近的方向對風，當風向儀檢測到主風超過一定角度后，重新對風，以保證風葉最大限度地捕獲風能功率調節(jié)。圖1所示為光伏風力柴油混合發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 光伏風力柴油混合發(fā)電系統(tǒng)

3.2 脈寬調制（PWM）控制器

光伏太陽能組件輸出特性呈曲線變化，風機的發(fā)電更為明顯。為解決這一問題，采用模擬量控制，該系統(tǒng)用模擬量控制系統(tǒng)單元機組，它包括協(xié)調控制系統(tǒng)和模擬量控制的子系統(tǒng)，用以滿足機組安全起停及定壓滑壓運行的工況要求。經(jīng)過雙向逆變（柴油發(fā)電機組輸出端一部分轉換成脈沖直流電給蓄電池組充電，另一部分直接并入離網(wǎng)局域電網(wǎng)對負載供電），將蓄電池的直流電逆成正弦波交流電后饋送給離網(wǎng)局域電網(wǎng)給負載供電。

3.3 模塊化雙向逆變器

依據(jù)功率大小對逆變器進行標準化、模塊化處理。該逆變器有并網(wǎng)的功能，可以將大功率光伏電站分解為多組光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊，通過交流側聯(lián)網(wǎng)運行，從而形成適宜向分散負載供電的集群式光伏發(fā)電系統(tǒng)。模塊化逆變器使光伏系統(tǒng)擴容變得極為方便。在光伏、風力、柴油混合發(fā)電中，將3種不同電源的交流電轉變?yōu)橹绷麟姡餐瑢π铍姵爻潆?；蓄電池的直流電逆變成工頻交流電，饋送給離網(wǎng)局域電網(wǎng)，提高了混合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和適應性。

3.4 最大功率跟蹤

由于日照強度、環(huán)境溫度的不同，太陽能光伏組件的輸出特性發(fā)生變化，風力發(fā)電的輸出特性更為明顯，加上離網(wǎng)局域電網(wǎng)用戶負載不穩(wěn)定，這樣就導致風光輸出特性與負載阻抗不匹配，由此產生的直接后果是太陽能組件不能穩(wěn)定地運行于最大功率點上。最大功率跟蹤是利用直流變換原理，把系統(tǒng)的輸入直流電壓調整在最大功率點上，而系統(tǒng)輸出電壓將跟蹤輸入功率和負載阻抗的變化，具體如圖2所示。

圖2 最大功率跟蹤

4 結束語

采用太陽能光伏組件、風力發(fā)電、柴油機發(fā)電多種能源混合發(fā)電，不僅提高了離網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還充分發(fā)揮了各能源之間的互補作用；由原來以柴油機發(fā)電為主，轉為柴油機輔助發(fā)電的形式，節(jié)省了柴油費用，縮短了柴油機發(fā)電機組的運行時間，減少了柴油機發(fā)電機噪聲污染、尾氣污染，從而減少了溫室氣體的排放量；縮短了柴油機連續(xù)運行的時間，降低了柴油機運行的風險；提升了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性與可靠性；解決了海洋小島嶼由于面積較小、用電需求較大，架線與變壓的成本較高一大難題，并且充分利用了太陽能、風能等可再生能源。

［1］歐洲風能協(xié)會，國際綠色和平組織.風力12：關于2020年風電達到世界電力總量12%的藍圖［M］.中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會，綠色和平中國，譯.北京：中國環(huán)境科學出版社，2004.

［2］胡晨明，R.M懷特.SOLAR CELLS［M］.李采華，譯.北京：北京大學出版社，2001.

〔編輯：劉曉芳〕

TK09；TM611.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.142

2095－6835（2017）18－0142－02