风光互补新能源系统电源设计原理与应用

风光互补新能源系统电源设计原理与应用江苏双登集团有限公司温海泉王景川摘要：本文通过对太阳能和风能资源性和技术性评价，提出风光互补新能源系统电源是最理想的独立电源系统；通过对该系统电源的互补性、不确定性和地域性特点的分析，提出了以蓄电池管理为核心的风光互补新能源系统电源的系统设计原理，并据此对系统各主要部件提出了要求，并介绍了一些应用产品。关键词：新能源，风光互补，蓄电池，风力发电机，一、引言全球范围的能源危机日趋紧张，地球沙漠化、温室效应和大气污染，正威胁着全球生物的生存。像石油那样的能源，只有特定国家拥有，而太阳能却是人人都能平等共享，又不会污染空气的清洁可再生能源，是人类寻求新能源的理想选择。世界各国纷纷出台相关政策鼓励和扶持新兴能源——太阳能的开发和利用，我国第一部有关能源的《可再生能源法》（中华人民共和国主席令第33号）已于2006年1月1日实施，通过法律形式强调和扶持新兴能源——太阳能的开发和利用。而且国家“十一五”规划提出的节能降耗和污染减排目标，发展太阳能等新能源是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措，是建设资源节约型，环境友好型社会的必然选择。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控制环节是可以通用的，所以风光互补系统电源具有更高的可靠性和更合理的造价，是理想的独立电源。鉴于风光互补系统电源的发展才刚刚起步，本文旨在揭示这一系统电源的设计原理，以提供产品的设计依据，再逐步建立相应的规范和标准，使之走向市场化和产业化，二、风光互补新能源系统电源的特点1．地域性太阳能是辐射能源，受气候、地理等环境条件的影响很大，因此其分布具有明显的地域性。根据过去测量太阳能年辐射总量的大小，我国可划分成以下四个太阳辐射资源带，我国的四个太阳辐射资源带分布如图1所示。图1资源带号名称指标Ⅰ资源丰富带6700MJ(m2.a)*Ⅱ资源较富带5400-6700MJ/(m2.a)Ⅲ资源一般带4200-5400MJ/(m2.a)Ⅳ资源贫乏带4200MJ/(m2.a)*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.年)zⅠ资源丰富区：年太阳辐射总量在1700千瓦时每平方米以上，月均温≥10℃期间日照时数≥6小时天数在250天～300天以上。主要分布在南疆、陇西、青藏高原大部分和内蒙古高原西部。其中青藏高原为高值中心。zⅡ资源较丰富区：年太阳能总量在1500～1700千瓦时每平方米，月均温≥10℃期间日照时数≥6小时的天数在200天～300天。主要分布在北疆、内蒙古高原东部、华北平原大部、黄土高原大部、甘肃南部、川西及川南滇北一部分。zⅢ资源可利用区：年太阳能总量在1200～1500千瓦时每平方米，月均温≥10℃期间日照时数≥6小时天数在200天～300天。主要分布在东北大部、东南部丘陵地区、汉水流域、广西大部、川西黔西一部分、云南东南、湖南东部。zⅣ资源贫乏区：年太阳能总量在1200千瓦时每平方米以下。月均温≥10℃期间日照时数≥6小时的天数在125天以下。主要分布在四川、重庆、贵州大部分地区，以成都平原最少。我的风能资源分布如图2所示：图2从我国风能资源分布图上可以清楚看出，我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两个大带里：z三北（东北、华北、西北）地区丰富带；z沿海及其岛屿地丰富带；z内陆风能丰富地区，在两个风能丰富带之外，风能功率密度一般在100w/m2以下，可以利用小时数3000小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。但是这些只限于很小范围之内，不像两大带那样大的面积，特别是三北地区面积更大。指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度（W/m2）＞200200-150＜150-50＜50年≥3m/s累计小时数（h）＞50005000-4000＜4000-2000＜2000年≥6m/s累计小时数（h）＞22002200-1500＜1500-350＜350占全国面积的百分比（%）81850242．不确定性太阳能和风能受气候、地理等环境条件的影响很大，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过充，过放（亏电）和浅充电状态，而且系统电源环境温度也是不确定的。3．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。因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。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。4．产品的客户化设计与施工由于产品的地域性特点，产品的性能受当地气候、地形、地貌等环境条件的影响很大，因此，每一个产品都需要专门的设计、配置和施工。三、风光互补新能源系统电源的设计原理大家知道，该系统由风电和光电的发电部件，蓄电池储能部件，供电部件和控制部件四大部件组成，光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能；风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池组充电和负载供电的一套电源系统。根据前述该系统产品的特点，我们发现在该产品中，蓄电池犹如系统的“心脏”，控制部件犹如系统的“大脑”，风光发电部件犹如系统所需的“食物”一样，他们既相互独立，又相互协调，形成有机的整体；系统各部件容量的合理配置对保证系统的可靠性非常重要；因此，我们提出以蓄电池管理为基础的系统设计技术。以蓄电池管理为基础的系统设计技术就是把发电部件、储能部件（蓄电池）、供电部件和控制部件设计为一个整体，开展以蓄电池管理为基础的研究，对各部件进行更合理的配置，通过控制部件使各部件能够有机地协调一致，实现能量的最大化利用。系统原理图如图3所示。图3在只有风能或者只有太阳能可被利用的特殊条件下，该系统又演变为光伏系统电源或者风力系统电源。四、风光互补独立系统电源的几个关键部件1．系统控制部件在蓄电池管理和发电控制功能上，追求以蓄电池管理为基础，采用PWM发电控制技术，实现单片机控制，智能管理，根据英国标准BSEN61427-2002“光伏太阳能系统用蓄电池和蓄电池组-一般要求和测试方法”要求，设定均/浮充电压、电流和时间、温度补偿、应急接口、显示和远程监控等，以最大限度地更合理地利用太阳能和风能资源，保证蓄电池性能和系统功能，实现风光互补系统电源完善的储能管理。同时应具备模块化结构，能适应无人值守条件下的各种工作状况。2.蓄电池储能部件蓄电池的工作状况受许多因素影响，诸如：充放电率和充放电条件、放电深度、电池数量和型号、循环时的温度和时间等，因此，对蓄电池的选择和管理正确与否是该系统成败的关键。目前主要有比镍镉蓄电池、富液铅酸蓄电池和胶体蓄电池用于该系统电源。我们已等效转换英国标准BSEN61427-2002“光伏太阳能系统用蓄电池和蓄电池组-一般要求和测试方法”为企业标准，并以此作为检验风光互补新能源系统电源中蓄电池部件的唯一标准。经过测试，我们发现富液OPZS系列和OPZV系列胶体蓄电池能较好地满足这一标准要求，AGM阀控电池却不理想。目前我公司已有3大系列47个品种满足这一标准要求。如果这一系统电源要求是完全免维护的，则只能选择OPZV胶体蓄电池，如果少许维护是被业主所接受的，则OPZS富液蓄电池还具有更高的性价比。3.小型风力发电机过去，小型风力发电机的可靠性问题一直是推广风光互补发电系统的最大障碍之一。但今天，具备以电磁限速保护为主，柔性风轮叶片变形限速为辅的风力发电机组能很好地解决这个问题，正被广泛地应用。其技术要点在于当风力发电机处于大风状态时，给发电机一个反向磁阻力矩，风轮的叶片在大的阻力矩的63/84.5/104/110.5/130/156/195/260［共8个规格］262/328/392/457/550/642/785/1037/1296/1556/1908/2545/3181/3817/5090/6362/7634［共17个规格］284/355/425/510/610/715/870/1160/1450/1740/2130/2485/2640/2820/3170/3540/4250/4970/5640/6340/7080/8500［共22个规格］C120容量Uf=11.1V/C(Ah)C120容量Uf=1.85V/C(Ah)C120容量Uf=1.85V/C(Ah)１２Ｖ系列胶体蓄电池［BSEN61427］２Ｖ系列胶体蓄电池［BSEN61427］２Ｖ系列富液蓄电池［BSEN61427］作用下产生变形，从而使定桨矩风轮的效率下降，风轮的转速开始下降。由于磁阻力矩的持续作用，风轮被限定在某一个转速范围，防止了风轮飞车而损坏风力发电机组。风力发电机的限速保护控制系统，是通过对风力发电机的输出电压和频率进行适时监控来控制发电机的反向磁阻力矩的，可以根据不同风况和蓄电池组的不同状况对风力发电机的风轮转速进行实时控制。由于电磁控制的响应速度快、可靠性高，保证了整个控制系统的高可靠性。我们根据全新的控制理念研制出的400W、600W和2000W小型风力发电机组经过在国内外沿海地区的运行考核，验证了风机和控制系统的可靠性。五、风光互补新能源系统电源应用实例根据上述部件要求选择部件，但系统各部件容量和性能的合理配置对保证系统电源的可靠性非常重要。一般来说，系统设计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，是直流还是交流，每天的功率变化情况，最大用电负荷和平均日用电量等。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，再按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后计算光电板和风机的容量.3．系统配置校正基于蓄电池管理，我们还必须校正发电部件对蓄电池充电，蓄电池的充电充电能力，充电保持能力和满足负载的要求等。应用产品一：用户风光新能源供电系统应用产品二：通信基站H型杆系统电源应用产品三：风光互补路灯应用产品四：风光互补新能源道路监控系统