風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

甘勇見

（浙江鴻遠科技有限公司，浙江 杭州 310015）

從系統(tǒng)的組成角度來說，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)具體分為兩大部分，包括風(fēng)力發(fā)電機組與太陽電池組件。在實際應(yīng)用中可以將風(fēng)的動能以及太陽的光能，有效轉(zhuǎn)化為電能，屬于混合發(fā)電系統(tǒng)。使用的風(fēng)力發(fā)電機，其是依靠自然風(fēng)獲得動力，利用風(fēng)輪吸收風(fēng)的能量，進而帶動風(fēng)輪和發(fā)電機運行，實現(xiàn)風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化。太陽能發(fā)電模式主要是運用光伏發(fā)電原理，實現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換。此系統(tǒng)的組成部件，具體包括風(fēng)力發(fā)電組件、太陽電池組件以及風(fēng)光互補控制器等，現(xiàn)對其進行以下分析。

1 風(fēng)力發(fā)電機組

風(fēng)力發(fā)電機是利用風(fēng)輪帶動發(fā)電機來發(fā)電的，它是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種機械裝置。把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)力發(fā)電原理是：風(fēng)能具有一定的動能，通過風(fēng)力機把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)過整流器等設(shè)備得到穩(wěn)定的直流電，可通過逆變器輸出三相交流電，供給三相負載。

基于能量轉(zhuǎn)換的層面來說，組成風(fēng)力發(fā)電機的主要部分包括風(fēng)力機和發(fā)電機。在實際應(yīng)用中，風(fēng)力機能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能到機械能的有效轉(zhuǎn)化，利用發(fā)電機可以實現(xiàn)機械能到電能的有效轉(zhuǎn)化。

1.1 太陽能電池方陣

從光電轉(zhuǎn)換裝置來說，太陽能電池屬于最小單元。其尺寸大小處于2×2~15×15cm范圍內(nèi)；運行時，電壓大小處于0.45~0.5V范圍內(nèi)；工作電流大小處于20~25mA/m2范圍內(nèi)，通常需要組合使用提供電源。這需要對各個太陽能電池單體，采取串聯(lián)的方式組合起來，并且進行封裝處理，進而組建太陽能電池組件。實際應(yīng)用中，其功率大小從幾瓦到百余瓦不等，能夠單獨作為電源使用。一個組件上，太陽能電池單體的標準數(shù)量是36個或40個或72個，大約能產(chǎn)生16V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池組進行有效的充電。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，它的每個支路通過防反二極管、充電控制器并聯(lián)向負載和蓄電池供電，可以滿足負載所要求的輸出電壓和輸出電流。

1.2 蓄電池組

風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)中的儲能裝置是蓄電池組，蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。其作用是儲存風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池方陣發(fā)出的除負載耗電外的多余電能，并且在風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池方陣發(fā)電量不能滿足負載需求時向負載供電。在此供電系統(tǒng)的匹配設(shè)計中，在風(fēng)光互補供電系統(tǒng)中，蓄電池組屬于重要設(shè)備。從系統(tǒng)構(gòu)建的角度來說，風(fēng)電發(fā)電技術(shù)以及太陽能電池技術(shù)水平不斷提高，其應(yīng)用成本有所降低，使得蓄電池組的應(yīng)用成本在系統(tǒng)總投資中的占比不斷增加，因此做好蓄電池容量的優(yōu)化配置有著重要的意義。一般來說，容量越大，初期投資就越大，很容易出現(xiàn)蓄電池充電不足的問題，進而長期處于虧電的狀態(tài)，同時受到自身放電的影響，使得蓄電池很容易被損壞。相反，容量如果過小很容易過放，難以滿足負載用電的基本需求，缺少可靠性。

目前，應(yīng)用較為廣泛的蓄電池，主要分為三個類型，具體包括鉛酸型、堿性鎘鎳型、鐵鎳型。在風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)中，多使用鉛酸蓄電池，重要場合也有用鎘鎳蓄電池，但是鎘鎳蓄電池價格較高，得不到廣泛應(yīng)用。對于容量在200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護鉛酸蓄電池；若容量小于200Ah，建議使用小型密封并且免維護類型的鉛酸蓄電池。

由于在風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)中，蓄電池組的蓄電量比負載所需電量大得多，蓄電池多數(shù)時間處于浮充放電狀態(tài)，因此還要對蓄電池的性能做一些基本的要求：（1）自放電率低；（2）電池的使用壽命要長；（3）具有一定的深放電能力；（4）具有較高的充電效率。

1.3 控制器

控制器也是風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)的核心部件之一，一般由各種電子元器件、儀表、繼電器和開關(guān)等組成。實現(xiàn)控制器控制功能的方式有多種，其中比較常用的有邏輯控制和計算機控制。而智能控制器多采用計算機控制方式，風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)中的控制器即是使用計算機控制方式。

風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)中控制器，其在實際應(yīng)用中主要負責(zé)電量調(diào)節(jié)輸配以及控制。既可以將經(jīng)過調(diào)整后的電量輸送到直流負載或者交流負載，也能夠?qū)⒍喑鰜淼碾娏枯斔偷叫铍姵亟M進行儲存。系統(tǒng)運行時如果風(fēng)力發(fā)電機組以及太陽電池組的發(fā)電量，難以滿足負載的實際需要，利用控制器可以把儲存的電能輸送到負載。當(dāng)蓄電池組處于滿電的狀態(tài)時，利用控制器對蓄電池進行控制，使其避免被過度充電。若蓄電池內(nèi)儲存的電能可以達到最大放電深度，利用控制器可以避免被過度放電，實現(xiàn)對蓄電池性能的有力保護。

一般來說，控制器裝置的質(zhì)量如何，直接影響蓄電池的使用效果，同時影響系統(tǒng)的性能。因此，設(shè)置的控制器必須具有多樣化功能。具體如下：（1）信號檢測功能。利用檢測系統(tǒng)中的各類裝置和單元的運行情況以及信息，為供電系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷和控制等，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)依據(jù)。在具體實踐中，通過采集輸入電壓和充電電流等，為相關(guān)工作的開展提供助力。（2）最優(yōu)充電控制功能。利用設(shè)置的控制器裝置，能夠結(jié)合太陽能以及風(fēng)能資源使用情況，同時根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)，選擇適合的充電方式，進而實現(xiàn)高效并且快速充電。（3）放電管理功能。在蓄電池放電環(huán)節(jié)，必須要做好管理控制，比如負載自動控制開關(guān)機等。（4）設(shè)備保護功能。一般來說，系統(tǒng)中使用的各類用電設(shè)備，實際運行的過程中要利用控制器裝置提供保護，以免系統(tǒng)出現(xiàn)運行問題或者用電設(shè)備發(fā)生損壞。

1.4 逆變器

在實際應(yīng)用中，逆變器的作用主要是對直流電進行轉(zhuǎn)換，使其成為交流電。從裝置的組成來說，其主電路的構(gòu)成以大功率晶體管為主，使用的是正弦脈寬調(diào)制工作制，有著很強的抗干擾能力以及過載保護能力等。目前，風(fēng)力發(fā)電機組以及太陽電池組運行發(fā)出的基本上都是直流電，如果負載為交流負載，那么要使用逆變器，逆變器也是風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)的重要部件之一。

按照運行方式，逆變器可以分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)運行逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)中，為負載供電；并網(wǎng)運行逆變器用于并網(wǎng)運行的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)中，能將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴㈦娔懿⑷腚娋W(wǎng)。依據(jù)輸出波型進行劃分，逆變器主要劃分為方波逆變器以及正弦波逆變器。其中，正弦波逆變器具有較強的優(yōu)勢，是未來應(yīng)用的主要趨勢，適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用等。

為了提高風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)的整體性能，為確保供電系統(tǒng)可以長期處于高效運行狀態(tài)，要合理地選擇逆變器裝置。除了考慮性能水平外，還必須做好經(jīng)濟性分析，保證發(fā)電的經(jīng)濟效益。從專業(yè)角度來說，逆變器的選擇，要做好最大輸出功率的衡量。對于逆變器容量的配置，必須依據(jù)負載最大用電功率、負載性質(zhì)進行綜合考慮，一般根據(jù)用戶同時使用負載功率的總和來確定。

1.5 系統(tǒng)各組件的運行控制策略

從使用的供電系統(tǒng)角度來說，負載的電能來源，以風(fēng)力發(fā)電機組以及太陽能電池板系統(tǒng)為主。在實際應(yīng)用中，如果發(fā)電機組以及太陽能電池組提供的電力，可以達到負載所需，那么可以運用機組提供電源，同時若存在多余電量，則利用控制器送到蓄電池組。如果無法提供所需的負載電量，則應(yīng)用控制系統(tǒng)通過控制蓄電池組放電，提供相應(yīng)的負載電力?？刂葡到y(tǒng)作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，其根據(jù)系統(tǒng)運行實際情況的參數(shù)，通過實時檢測以及運算分析，進而控制系統(tǒng)的啟閉。主要采集的數(shù)據(jù)信息包括電壓和電流等，基于動態(tài)分析和判斷，達到控制系統(tǒng)的各目的。除此以外，使用的控制系統(tǒng)，其具備儲存以及顯示系統(tǒng)各項運行數(shù)據(jù)的功能，利用通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及顯示等功能，為后續(xù)的分析提供完整的數(shù)據(jù)資料。

2 結(jié)語

從實際應(yīng)用中，風(fēng)能和太陽能之間具有較強的互補特性，若單獨使用風(fēng)力發(fā)電或者單獨使用光伏發(fā)電，則難以保證電力輸出的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，而采取風(fēng)力和光伏互補的發(fā)電方式，可以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。不僅能夠保證供電量充足，還能夠減少電池容量，而且風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的應(yīng)用，相比單一發(fā)電方式而言，具有不錯的電池保護功能，使用期限很長。