風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共10頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上5.3.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 風(fēng)能和太陽(yáng)能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差 的弱點(diǎn)，并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等 影響然而太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上一般 都有一定的互補(bǔ)性，白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)較小， 晚上太陽(yáng)落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化 大而風(fēng)能加強(qiáng)在夏季，太陽(yáng)光強(qiáng)度大而風(fēng)小；冬 季，太陽(yáng)光強(qiáng)度小而風(fēng)大。 太陽(yáng)能發(fā)電穩(wěn)定可靠，但目前成本較高，而風(fēng) 力發(fā)電成本較低，隨機(jī)性大，供電可靠性差。若將兩者結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電在合適的氣象資 源條件下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能提高系統(tǒng)供電的 連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，在很多地區(qū)得到了廣泛 的應(yīng)用 如圖5.1為某地10月份

2、某日典型的太陽(yáng)能和風(fēng)資源分布，因此采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)能間歇性的缺陷。圖5.1 某地10月份典型日太陽(yáng)能和風(fēng)能資源分布圖風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)：（1）利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，彌補(bǔ)了獨(dú)立風(fēng)電和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，可以獲得比較穩(wěn)定的和可靠性高的電源。（2）充分利用土地資源。（3）保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量。（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，可以基本上基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。（5）大大提高經(jīng)濟(jì)效益。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分（1）發(fā)電部分：由一臺(tái)或者幾臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池陣列構(gòu)成風(fēng)電、光電發(fā)電部分，發(fā)電部分輸出的電能通過(guò)充

3、電控制器與直流中心完成蓄電池組自動(dòng)充電工作。（2）蓄電部分：蓄電部分主要作用是將風(fēng)電或光電儲(chǔ)存起來(lái)，穩(wěn)定的向電器供電。蓄電池組在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。（3）控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由風(fēng)能和太陽(yáng)能充電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成，完成系統(tǒng)各部分的連接、組合及對(duì)蓄電池組充放電的自動(dòng)控制。控制及直流中心具體構(gòu)成參數(shù)由最大用電負(fù)荷與日平均用電量決定。（4）供電部分：供電部分不可缺少的部分是逆變器，逆變器把蓄電池儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，保證交流負(fù)載的正常使用。同時(shí)，還有穩(wěn)壓功能，以改善風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的供電質(zhì)量。圖5.2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng) 設(shè)計(jì)一個(gè)完善的風(fēng)

4、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)需要考慮 多種因素如各個(gè)地區(qū)的氣候條件，當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻 照量情況，太陽(yáng)能方陣及風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的選用， 作為儲(chǔ)能裝置蓄電池的特性等因此，必須選擇建 立一些先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多種計(jì)算，確定合理 的太陽(yáng)能電池方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量，使系統(tǒng)設(shè) 計(jì)最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算1.蓄電池容量計(jì)算蓄電池的容量 C 通常按照保證連續(xù)供電的 天數(shù)來(lái)計(jì)算：式中：n蓄電池連續(xù)供電的天數(shù) （根據(jù)當(dāng)?shù)靥?陽(yáng)能和風(fēng)能的氣象數(shù)據(jù)確定），一般為 25 d；為日耗電量，kWh； U系統(tǒng)工作電壓，一般為 24 V 或 12 V；蓄電池最大放電深度， 一般取 40%； 由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率，包 括蓄電池的放電效率、 控制器

5、的效率及線路損耗 等，一般 為 95%98%。 2 . 不同地點(diǎn)和不同高度的風(fēng)速計(jì)風(fēng)速隨高度的變化情況，地面的平坦度、地表 粗糙度，以及風(fēng)通道上的氣溫變化情況的不同而 有所差異¨。風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很 多，通常采用指數(shù)公式，即 式中：距地面高度為h處的風(fēng)速，ms； 高度為hl處的風(fēng)速，ms；風(fēng)切變指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和 地面粗糙度，其值約為1218對(duì) 于地面境界層，風(fēng)速隨高度的變化則 主要取決于地面粗糙度，這時(shí)一般取 地面粗糙度作為風(fēng)切變指數(shù) 3. 風(fēng)力發(fā)電量的計(jì)算對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 日發(fā)電量計(jì)算公式如下： 式中：E當(dāng)月發(fā)電量，kWh； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速段的發(fā) 電量

6、，kWh； 當(dāng)時(shí)風(fēng)速，m/s；風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速，m/s； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速，m/s； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)風(fēng)速，m/s；風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率，kW； 該月中與相對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)；選擇風(fēng)機(jī)容量應(yīng)是負(fù)載需求的 23 倍，最后 用上式來(lái)計(jì)算風(fēng)機(jī)的日發(fā)電量。4. 太陽(yáng)電池組件容量太陽(yáng)能電池所發(fā)電量應(yīng)為負(fù)載所需總電量與 風(fēng)機(jī)所發(fā)電量的差， 并且以太陽(yáng)能的發(fā)電量來(lái)確 定太陽(yáng)能電池板的容量。 太陽(yáng)能電池板每月發(fā)容量的數(shù)學(xué)公式：式中：太陽(yáng)電池組合板第i 月發(fā)出的電能， kWh；組合板平面第 i 月單位面積上接受 的輻射量，MJ/m2； 組件的轉(zhuǎn)換效率,通常為 8%16%； 第 i 月組件轉(zhuǎn)換效率的溫度修正因 子； 組

7、件的封裝因子,有效電池面積與組 件總面積之比,通常 Fp0.8； 積塵因子,組件表面積塵時(shí)的發(fā)電量 與表面完全清潔時(shí)的發(fā)電量之比， 對(duì)于戶用系統(tǒng) Fs 取 1； F組件未工作在最大功率點(diǎn)處影響組 件輸出功率的系統(tǒng)性能失配因子，一般 F=0.954.由于材料老化、性能下降等其它因素 影響組件輸出功率的修正因子，一般 F0 取 0.98； A太陽(yáng)能電池板的總面積，m2。 通過(guò)計(jì)算出的太陽(yáng)電池板的總面積來(lái)確定太 陽(yáng)能電池板的容量。風(fēng)光互補(bǔ)控制器風(fēng)光互補(bǔ)控制器是專門(mén)為風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的；集風(fēng)能控制、太陽(yáng)能于一體的智能型控制器。充分利用風(fēng)能和光能資源發(fā)電，可減少采用單一能源可能造成的電力供應(yīng)不足

8、或不平衡的情況。設(shè)備不僅能夠高效率地轉(zhuǎn)化和板所發(fā)出的電能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，而且還提供了強(qiáng)大的控制功能。為了更直觀地遠(yuǎn)程觀察，控制器外殼上除裝有 風(fēng)力發(fā)電機(jī)充，放電，太陽(yáng)能充，放電指示燈外，還裝 有液晶顯示屏，能直接觀察到蓄電池充，放電全過(guò) 程。 控制器內(nèi)部裝有過(guò)載保護(hù)和超速保護(hù)，使風(fēng)力 發(fā)電機(jī)更安全可靠。 控制器還具有光控、聲控、溫 度補(bǔ)償及防雷、反極性保護(hù)等功能。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)按是否并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般100W到100kW。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可達(dá)數(shù)千瓦至兆瓦。5.3.2離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電

9、機(jī)（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，通過(guò)輸電線路送到用戶負(fù)載處。是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。圖5-3 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:（1）功率匹配法: 在不同的太陽(yáng)輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率之和大于負(fù)載功率，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。（2）能量匹配法: 在不同的太陽(yáng)輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的發(fā)電量和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量之和大于負(fù)載耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)。電量與用電量的匹配設(shè)計(jì) 離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能首先經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，然后再由蓄電池向電器供電。所以，必須認(rèn)真科學(xué)地考慮，

10、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率，太陽(yáng)能電池組件功率與蓄電池容量匹配和靜風(fēng)期儲(chǔ)能等問(wèn)題。目前，離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與蓄電池容量一般都是按照輸入和輸出相等，或輸入大于輸出的原則二進(jìn)行匹配的。（1）設(shè)備日用電量計(jì)算 Qi=Pi*Ti式中：Qi 日用電量； Pi 設(shè)備額定功率； Ti 日用電小時(shí)數(shù)。 （2）系統(tǒng)總用電量估算 Qm=（P1+P2+.+Pi）*Ni*Ti 式中： Qm系統(tǒng)負(fù)荷最大日用電量（kW*h）； Pi 每種相同設(shè)備的額定功率（kW）；Ni 具有相同額定功率的設(shè)備的數(shù)量；Ti 該類設(shè)備的日平均使用時(shí)間（h）； i 1,2,.n個(gè)不同類型的設(shè)備數(shù)量。 （3）發(fā)電能力的測(cè)算 日平均發(fā)電量則是由風(fēng)

11、力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組件的發(fā)電能力及當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源狀況決定的。Q=Q1+Q2 式中：Q1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日平均發(fā)電量； Q2太陽(yáng)能電池組件的日平均發(fā)電量。 （4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電能力的測(cè)算方法 計(jì)算中假設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備利用率為100%。具有風(fēng)頻圖的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率計(jì)算公式： Q=（P1+P2+.Pv）*Tv 式中：Q 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在計(jì)算期間的發(fā)電總量（kW*h）； Pv在風(fēng)速v時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率（W）； Tv場(chǎng)地風(fēng)速v的期間累計(jì)小時(shí)數(shù)（h）。 如果不能得到風(fēng)速頻率分布圖，則可用當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速進(jìn)行估算。用年平均風(fēng)速值時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出功率值乘以年度總的小時(shí)值8760h，即：Q1=K*8760*Pv

12、式中： Q1年發(fā)電量（kW*h）； Pv 年平均風(fēng)速值時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率； K修正系數(shù)，取1.21.5。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按平均風(fēng)速計(jì)算的發(fā)電量小于實(shí)際按風(fēng)速頻率分布的年發(fā)電量，因此可按一定的比例進(jìn)行適度修正（修正系數(shù)取1.21.5）?？傊?，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立的 電源系統(tǒng)，具有一定的合理性和可靠性， 有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地 區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)已經(jīng)成為人們必須的 電源。邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公 路、漁船和鐵路信號(hào)站、地質(zhì)勘探野外的 工作站以及偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧民都需要低成本、 高可靠性的獨(dú)立電源系統(tǒng)；對(duì)于城市里的 景觀燈、路燈等，隨著政府對(duì)節(jié)能環(huán)保的 重視應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。5.3.3并

13、網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法風(fēng)能和光能的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)也可做成分布式，由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能源變換系統(tǒng)、直流母線(或交流母線)及能量管理系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)組成，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可分為直流母線結(jié)構(gòu)及交流母線結(jié)構(gòu)。1直流母線結(jié)構(gòu)如圖5-4所示為分布式直流母線控制方式。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：第一，只需對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，容易滿足系統(tǒng)性能要求，控制算法相對(duì)容易。第二，由于省去了子系統(tǒng)中的整流部分，因此，系統(tǒng)成本低，易于推廣。第三，采用分布式直流母線控制，系統(tǒng)容易擴(kuò)展，可以

14、滿足用電設(shè)備和發(fā)電設(shè)備增加的要求。系統(tǒng)采用直流母線，儲(chǔ)能單元分為長(zhǎng)期儲(chǔ)能單元和短期儲(chǔ)能單元。蓄電池是長(zhǎng)期儲(chǔ)能單元的最佳選擇，而短期儲(chǔ)能單元采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適合高速運(yùn)行等特點(diǎn)。利用飛輪儲(chǔ)能可以有效地補(bǔ)償由于風(fēng)速、光照變化以及負(fù)荷變化所引起的母線電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低由此而引起的蓄電池的充放電次數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)中的交流用電負(fù)荷，采用逆變控制單位集中供電。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高系統(tǒng)的適用性，可以非常方便地利用直流母線進(jìn)行擴(kuò)展。例如為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，保證重要用電設(shè)備的正常運(yùn)行，可以在直流母線上加裝柴油發(fā)電機(jī)組，并通過(guò)系統(tǒng)控制部分統(tǒng)一進(jìn)行能

15、量控制。也可以利用DCDC變換器向直流用電設(shè)備如無(wú)整流模塊的變頻器進(jìn)行供電，可以降低系統(tǒng)成本、防止諧波污染。5-4分布式風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)框圖2交流母線結(jié)構(gòu)雖然直流母線控制算法簡(jiǎn)單，成本低，易擴(kuò)展，但對(duì)于獨(dú)立供電系統(tǒng)和其它任何遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的供電系統(tǒng)而言，重要的是系統(tǒng)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)容。交流母線可以將各種類型的發(fā)電設(shè)備或負(fù)載都連接到同一母線系統(tǒng)上。這樣，無(wú)論增加負(fù)載，還是增加發(fā)電設(shè)備，系統(tǒng)都能夠隨意擴(kuò)容，并且考慮現(xiàn)行設(shè)備的成熟性，所以本項(xiàng)目選取交流母線分布式供電系統(tǒng)，交流母線分布式風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)如圖5-5所示。圖中IOKW風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)控制器、風(fēng)機(jī)逆變器組成的整體為風(fēng)機(jī)機(jī)組部分。2KW太陽(yáng)能電

16、池輸出直流，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，接入AC母線。交流母線可經(jīng)開(kāi)關(guān)控制接交流負(fù)載，或去電網(wǎng)。雙向逆變器可以將AC母線上的交流變成直流電向蓄電池充電，儲(chǔ)存能量，也可以將蓄電池的48V直流電接直流負(fù)載。5-5 10kw風(fēng)機(jī)+2kw左右太陽(yáng)能組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖212并網(wǎng)控制系統(tǒng)風(fēng)能和光能的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。并網(wǎng)控制更提高了供電的可靠性。并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要有三種回路形式：工頻變壓器隔離方式、高頻變壓器隔離方式和無(wú)變壓器方式。1工頻變壓器隔離方式這種方式是目前大功率下采用最多的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電壓變換和電氣隔離

17、，所以安全性能好、可靠性高。但由于采用工頻變壓器，系統(tǒng)整體比較笨重，而且效率相對(duì)較低。其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。并網(wǎng)逆變器一般小型戶 用風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)由太陽(yáng)能發(fā)電系 統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、逆交變儲(chǔ)電系統(tǒng)，充 放電控制系統(tǒng)構(gòu)成。逆變器是可再生能源 并網(wǎng)發(fā)電中的關(guān)鍵設(shè)備。5-6 工頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)2高頻變壓器隔離方式該方法采用了帶高頻變壓器DC-DC變換器，將太陽(yáng)能電池和風(fēng)機(jī)發(fā)出的電壓變換為滿足并網(wǎng)要求的直流電壓，再經(jīng)過(guò)逆變后直接與電網(wǎng)相連。這種系統(tǒng)體積小、重量輕，適合小功率場(chǎng)合。其結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。5-7 高頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)3無(wú)變壓器方式該方式首先用無(wú)隔離的DCDC變換器將太陽(yáng)能電池陣列的直流電壓提升到逆變器并網(wǎng)需要的直流電壓，再經(jīng)過(guò)逆變與電網(wǎng)相連。這種方式在尺寸、重量和效率方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，因而在并網(wǎng)系統(tǒng)中成為目前研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。該方式結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5-8 無(wú)變壓器并網(wǎng)系