风光互补发电系统

风光互补发电系统第一章绪论1.1能源与环境问题能源是是国民经济发展与社会文明进步的基石，能源可持续发展是人类社会可持续发展的重要保障之一。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续至科技发达的现代社会。随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。此外，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染、温室效应、酸雨等环境影响。开发利用可再生新能源以实现能源可持续发展是人类应对能源问题的有力方法之一。1.2新能源发展现状当前，世界各国普遍重视能源技术创新，技术研发与制度创新越来越受到推崇。美提出培育世界领先水平的科技人员，建设世界一流的能源科技基础设施，整合基础研究和应用研究，加快研究电力储备、智能电网、超导输电、二氧化碳捕获、先进电池、纤维素乙醇、氢燃料以及清洁煤、核能、太阳能和风能等先进发电技术。日本也提出了引导未来能源技术的战略，从2050年、2100年超长期视点出发，展望未来能源技术，制定2030年科技战略。我国也看到新能源发展的紧迫性，加快建立法律法规，积极扶持新能源发展，新能源在我国的发展速度很快。在新能源体系中，可再生能源是自然界中可以不断再生、永续利用的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用，主要包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。1.3互补发电的概念很多可再生新能源因其资源丰富、分布广泛，而且在清洁环保方面具有常规能源所无法比拟的优势，因而获得了快速的发展。尤其是小规模的新能源发电技术，可以很方便地就地向附近用户供电，非常近合在无电、少电地区推广普及。不过由于风能、太阳能等可再生新能源本身所具有的变化特性，所以独立运行的单一新能源发电方式很难维持整个供电系统的频率和电压稳定。考虑到新能源发电技术的多样性，以及它们的变化规律并不相同，在大电网难以到达的边远地区或隐蔽山区，一般可以采用多种电源联合运行，让各种发电方式在个系统内互为补充，通过它们的协调配合来提供稳定可靠的、电能质量合格的电力，在明显提高可生能源可靠性的同时，还能提高能源的综合利用率。这种多种电源联合运行的方式，就称为互补发电。1.4互补发电的特点可再生新能源互补发电，具有明显的优点，总结起来，至少包含以下几个方面。a)既能充分发挥可再生能源的优势，又能克服可再生能源本身的不足。风能、太阳能、生物质能等可再生新能源，具有天然、分布广泛、清洁环保等优点，在互补运行中仍能推续体现，而其季节性、气候性变动造成的能量波动，可以在很大程度上通过协调配合而相互减弱，从而实现整体的平稳输出。b)对多种能源协调利用，可以提高能源的综合利用率。发电是为用电服务的，保障用户用电的连续可靠是最基本的要求，单一的发电方式，在一次能源充沛(如风速较高或日照充足)的情况下，可能由于用电量的限制，不得不减额输出，而使很多能够转换为电能的能量被轻易放弃；在一次能源减少(如风速很低，阴雨天光照弱或夜晚没有光照)时，又会造成供电不足。多种能源的协调，可以很好地利用各种新能源的差异性，最大限度地利用各自的能量，提高多种能源的综合利用率。c)电源供电质量的提高对小国设备的要求降低。单一的电方式，功率的波动性和间歇性明显，为了连续可靠地向用户供电，可能需要配备昂贵的大量储能装置或补偿装置。而互补运行的多种新能源发电，其间歇性和波动性已经通过相互抵消而大大削弱，因而需要的储能或功率补偿要求明显降低。d)合理的布局和配置，可以充分利用土地和空间。如果同时有多种电源可以用，通过合理的布局和配置，可以在有限的土地面积和空间内最大限度地提高能源的获取量。反过来看，获取所需的能量，需要占用的土地面积和空间就可以大大减少。e)多种电源共用送变电设备和运行管理人员，可以降低成本，提高运行效率。多种能源互补发电，一方面将多个分散的电源进行统一输配和集中管理，可以通过共用设备和运行管理人员，减少建设和运行成本。另一方面，总的发电能力增加了，也可降低平均的运行维护成本。第二章风-光互补发电系统2.1风-光互补的基础风能和太阳能是目前众多可再生新能源中，应用潜力最大、最具开发价值的两种。近年来风力发电和太阳能发电技术发展很快，其独立应用技术已经成熟。太阳能发电系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风力发电系统的优点是发电量较大，系统造价和运行维护成本低，缺点是小型风力发电机可靠性低。二者的合理配置，有可能兼顾供电可靠性的提高和建设运行成本的降低。风力发电和太阳能发电(本文主要考虑其中的光伏发电)系统有一个共同缺陷，就是由资源的波动性和间歇性造成的发电量的不稳定及与用电量的不平衡，受天气等因素的影响很大，一般来说，风力发电和光伏发电系统都必须配备一定的储能装置才能稳定供电。由于风能资源和太阳能资源本身的特点，同时用来发电具有较好的互补性，可以在很大程度上弥补各自独立发电时的波动性和间歇性缺点。例如，晴天太阳能充足，光伏发电可提供大量电能;阴雨天和夜晚往往有较大的风力可用于发电。我国属于季风气候区，很多地区的风能和太阳能具有天然的季节互补性，即太阳能夏季大、冬季小，而风能夏季小、冬季大，很适合采用风能-太阳能互补发电系统。此外，在一些边远农村地区，不仅风能资源丰富，而且有充足的太阳能资源，风力与太阳能发电并联运行也是解决该地区供电问题的有效途径。风-光互补发电系统应根据用电情况和资源条件进行容量的合理配置，可以共用储能装置和供电线路等，在保证系统供电可靠性的同时，还能减少占地，降低成本。可见，无论在技术上还是经济上，风-光互补发电系统都是非常合理的独立电源系统。对于用电量大、用电要求高，远离大电网，而风能资源和太阳能资源又比较丰富的地区，风-光互补供电无疑是最佳选择。它不仅可增加供电可靠性，还可降低系统的成本。据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有:西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、内蒙微型风光互补发电系统等。2.2风光互补发电系统的结构和配置风光互补发电系统，一般由风力发电机组、太阳能光伏电池组、储能装置(蓄电池组)、电力变换装置(整流器、逆变器等)、卸荷器及控制器等部分构成，向各种直流或交流用电负载供电。泄荷器是当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电量时，即发电量过剩时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，充电电路受控接通泄荷器，将多余的电能通过它消耗掉的一种装置。独立负载包括交流负载和直流负载。下图为风光互补发电系统的结构示意图在风光互补模拟发电系统中，能量模拟是输入环节，MPPT控制器是中间控制环节，蓄电池是系统的储能核心，逆变器是发电过程后级输出变换环节。直流负载电能输入不经过逆变环节，由蓄电池经DC/DC变换得到，它不是本文基于的发电系统研究的重点，因而只考虑交流形式的负载，而不涉及直流负载。由于蓄电池上直流电压较低，在逆变器部分采用先升压再逆变，将蓄电池储能转化为交流电供独立负载或馈送电网。2.2.1太阳能、风能发电简介2.2.1.1风力发电部分利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风电机组的发电过程如下:首先风能吹动风轮带动发电机发电，这时发出的电能是交流电，如果是并网型风力发电系统，这时可以通过AC/AC电路控制风轮的转速并使得输出电能的电压、频率和相位等和电网相一致，同时蓄电池可有可无。如果是离网型风电系统(一般蓄电池是必须的)，负载是直流负载，这时可以首先将发电机输出的交流电通过整流桥转换成直流电，然后通过DC/DC电路实现对风轮转速的控制;如果是交流负载，可以直接通过AC/AC电路或在DC/DC电路后加上DC/AC电路为负载提供交流电能。风电机组的控制电路的基本功能包括MPPT、过流过压保护、负载电流电压控制等，如果是大型风电机组还包括偏航控制、增速齿轮控制和桨矩控制等。2.2.1.2光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，或直接通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。太阳能光伏发电的过程如下:首先太阳光辐射到光伏板上，这时光伏板正负两极形成了电压差(开路电压)，如果将正负两极直接连接到一起则形成了电流(短路电流)，如果将直流负载直接接到光伏两极间，就有电流通过。为了使光伏发电系统可以输出最大功率，提高输出效率，DC/DC电路是必不可少的。对于分布式(离网型)而言，蓄电池是必不可少的，如果负载是交流的，电路中还必须加上逆变电路(DC/AC)；对于并网型的光伏发电系统而言，蓄电池电路是必不可少的。对于并网型的光伏发电系统而言，蓄电池可以省略。2.3逆变器作为发电过程后级输出变换装置，将直流电转变成交流电。在很多应用场合，比如风能、太阳能等新能源发电系统，汽车、电动车等蓄电池，当需要给交流负责供电时都需要逆变器。在风光互补发电整个过程中，逆变器作为最终向独立负载或电网输出电能的环节，须将蓄电池存储的直流电转化成交流电，逆变器的转换效率和稳定性直接影响到整机的转换效率和稳定性，因此它是风光互补发电的关键技术之一。由于蓄电池工作电压在充放电过程中变动较大，使得对于逆变器，要综合全局,合理规范地提出设计方案。2.3.1常见的逆变器主结构(1)无变压器型输入与输出之间无电气隔离，会产生对地漏电流，较大的对地漏电流不但会严重影响其工作模式，而且会威胁人员生命，造成安全隐患。(2)工频变压器(LFT)型变压器置于工频电网测，可阻止直流分量注入电网，同时有电气隔离的作用。如下图所示。（3）高频变压器((HFT)型如下图所示，可实现升压和隔离的功能。工频变压器(LFT)与高频变压器(HFT)相比，体积大、重量重、价格上也无优势。因此，一般在实际应用中选用高频变压器拓扑结构。2.3.2采用的逆变器主结构为了适应逆变过程中蓄电池电压较低且波动范围较大的实际情况，并且尽量缩小体积，逆变器采用两级式变流器:前级采用隔离式DC/DC变换器，将蓄电池输出电压升到380V，同时实现隔离作用;后级为DC/AC变换器，实现独立/并网双模式工作。其主结构框图如下图所示2.3.3反馈控制方式逆变器向独立负载供电时，相当一个电压源，必须保证其输出电压是稳定的工频交流，根据反馈控制理论，要控制什么就反馈什么，因此，引入输出电压反馈是必要的。逆变器并网时，电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果逆变器的输出采用电压控制，相当于两个电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制技术实现与市电同步。但由于电压不易精确控制，可能出现环流等问题。如果输出采用电流控制，只需控制输出跟踪电网电压，即可达到并联运行目的。因此，引入输出电流反馈是必要的。2.3.3.1独立逆变与电压反馈控制逆变器工作在独立逆变模式的时候，采用电压反馈闭环控制。其控制结构如下图所示。电压反馈控制电压反馈闭环的工作原理是：检测逆变器的输出电压，与给定的参考正弦波相比较，误差信号经过PI调节器后，生成控制信号，再经SPWM脉宽调制电路，将模拟电压信号转化为四路脉冲信号，经驱动电路驱动功率管。如果由于一系列原因导致输出电压下降，则与参考正弦波比较后的误差信号变大，控制信号变大，脉冲信号变宽，逆变输出电压上升，这样就抑制了由于其他原因导致的电压下降;当由于一系列原因导致输出电压下降时，分析类似。所以，电压反馈闭环满足设计要求。2.3.3.2并网逆变与电流反馈控制逆变器工作在并网逆变模式的时候，采用电流反馈闭环控制。其控制结构如下图所示。电流反馈控制电流反馈闭环的工作原理是：检测逆变器的输出电流，与给定的参考正弦波相比较，误差信号经过P工调节器后，生成控制信号，再经SPWM脉宽调制电路，将模拟电压信号转化为四路脉冲信号，经驱动电路驱动功率管。抑制扰动的分析类似电压反馈，这里不再阐述。所以，电流反馈闭环满足设计要求。2.3.4SPWM调制方式随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变器出现了多种调压、变频控制方法。目前采用较多