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1、风光互补发电系统的总体介绍1、 分类 并网型风光互补发电系统和离网型风光互补发电系统。2、 系统构成 （风光互补发电系统总体结构图）3、 优越性 除了风电和太阳能发电单独所具有的优势外，我们可以注意到，一般白天风小太阳辐射大，夜晚风大太阳辐射小，夏季风小太阳辐射大，冬季风大而太阳辐射小，晴天风小雨天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性和随机性的缺陷，实现不间断供电。 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各自缺陷，在技术应用中可以通过储能
2、环节使独立的风电、光电系统得到合理化整合。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证发电系统的供电可靠性，又可降低发电系统的造价无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。4、 研究现状综述 近几年来，风光互补发电系统的研究一方面主要是利用飞速发展的微计算机控制技术和电力电子技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。为提高系统的供电高效性，现在的风光互补发电系统大都采用最大功率跟踪来保证光伏电池和风力机输出功率尽可能最大，提高整个系统的工作效率。随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展，MPP
3、T技术达到鼎盛时期，人们将MPPT控制与DCDC变换器连接起来，结合定电压法等已有的控制算法，通过硬件和软件控制相结合的方法来达到最大功率点的跟踪。除了恒定电压法、增量电导法、扰动观察法等常见算法外，近几年出现一些新的算法如滞环比较法、最优梯度法、间歇扫描法跟踪、模糊逻辑法、神经网络预测法等等，由于这些控制算法复杂，要求微机配置高及出于成本等诸多因素的考虑，应用于工程实践中还需一段时间。 风光互补发电系统另一方面的研究集中在系统的计算机仿真和优化设计。国外相继开发出一些模拟光伏阵列、风力发电机及其互补发电系统性能的大型工具软件包。我们通过模拟不同系统配置性能和供电成本便可得出最佳的系统配置。其
4、中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一款很优秀的软件，它可对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的太阳辐射、风速数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。 在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。 该方法采用了更精确地表征
5、组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。中科院电工所、西安交通大学在风光互补发电系统的设计上也有各自的优化方法。其目的都是寻求满足用户要求的最小投资配置。另外，合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型，用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率等等。 风光互补发电系统相关介绍1、 能量产生环节 太阳能电池板 太阳能电池板产生直流电。目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在19%上下。但单晶硅
6、的生产成本较多晶硅较高。因此可选用多晶硅太阳电池组件，要求用高透光率低铁钢化玻璃，外加阳极化优质铝合金边框，具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性。风机风机的分类方法有两种:(1) 以接受风能的形式可以分为升力式和阻力式;(2) 以风轮回转轴的方向，可以分为竖直轴式和水平轴式。古典式风机都是阻力式风机。水平轴式风机存在着工作限速问题，其限速机构相当复杂，加之一些技术上的难题仍未得到解决，因此目前在实际的应用中还有很大的局限性。所以，目前得到广泛应用的是升力和水平轴式风机。螺旋桨式风力机为目前广泛应用于发电的机型，其叶片数一般为2-3片，叶片形状一般为机翼型，叶片起动力矩较大，空气
7、动力损失小，叶根厚、叶尖薄，呈扭曲或非扭曲状。 二、能量变换控制环节 电能变换控制环节由DCDC变换器、主控制电路等部分构成，是发电系统的核心环节。交流风机输出的三相交流电需经整流后进入DCDC变换器，直流风机输出直流电经过稳压后直接送入DCDC变换器；太阳能电池板输出得到的直流电通常要通过1个防反二极管后，再送入DCDC变换器。 主控制电路通常采用PLC或单片机、DSP等控制芯片，通过控制DCDC变换器实现功率变换，同时还可对各种信息、参数进行数据采集、处理，从而实现设备的保护、风险预警等功能。泄荷控制器 泄荷控制器由整流器和泄荷负载两部分组成，其基本结构如图所示： （泄荷控制器的结构图）
8、整流器的作用是把风力发电机发出的频率变化电压变化的交流电转换成直流电的装置，就是将交流电(AC)变成直流电(DC)，经滤波后供给负载或者供给逆变器，其原理是利用二极管的单向导电性将交流电转换成脉动直流电。 整流器直流侧增加卸荷负载的作用是在故障时，根据内部控制信号，接入功率连续可调的卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，使风电机的正常运行基本不受电压跌落影响的应对措施，在不停机的情况下保护系统，增强了直驱型变速恒频风电系统的低电压穿越能力。DCDC变换器 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器。；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路
9、，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Scpic斩波电路，Zeta斩波电路，其中前三种是最基本的电路。其各自特性如下：(1)降压斩波电路一输出电压低于输入电压，即U0Ui，也称为Boost型变换器。(3)升降压斩波电路一输出电压即可低于输入电压，也可高于输入电压，通常由前两种类型变换器串联组成，也称为BuckBoost型变换器。 (Buck 变换器主电路）（Boost电路）光伏MPPT 图31是太阳能最大功率点跟踪的原理图。它是采用一定的控制算法，通过调整外接阻抗，从而调整输出电压而实现最大功率点跟踪的。 光伏发电系统的输出功率是随着外界环境变化而改变的，为实现光伏发电系统的最大功率
10、点跟踪，我们首先要选用合适的跟踪控制算法，然后通过合适的控制电路使光伏阵列工作在最大功率点。在目前的太阳能的发电系统中，常用于实现最大功率点跟踪功能的算法主要有恒定电压跟踪控制法、电导增量法、功率反馈法、实际测量法、扰动观察法。(1) 恒定电压控制法 定电压跟踪控制法，又称为CVT(Constant Voltage Tracking)控制法。由太阳能方阵的伏安特性曲线可知，当日照强度发生变化时，方阵工作的最大功率点几乎都在以某一固定电压为垂线的附近分布，尤其是日照强度比较大时，方阵的工作点则距离该垂线的距离越小。在工程上，定电压跟踪控制的理论依据就是，将太阳能方阵在不同日照情况的最大功率点近似
11、为定电压的一条垂直线。该方法实现起来控制较为简单，系统稳定性很好不会出现震荡，硬件也容易实现。但是，该方法控制精度差，方阵的输出功率将直接受选取的参考电压的影响，且该方法是在忽略了环境温度对方阵的影响的条件下研究的，所以该方法其实不是真正意义上的最大功率点跟踪。恒定电压控制法已经很少被用在最大功率点追踪上。(2)增量电导法 光伏阵列的P/V曲线是一个单峰的曲线，在输出功率最大点，功率对电压的导数为零，所以达到最大功率点的条件为：即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，工作在最大功率点。此法控制精准，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是此法需要的计算量较大，而且在计算过程中，需要
12、记录的数据比较多，对传感器的精度要求比较高，会造成系统造价偏高。 (增量电导法框图）(3)扰动观察法 扰动观察法的实现原理是测量当前光伏阵列的输出功率和输出电压，然后在此输出电压上增加小电压扰动，这时输出功率会相应发生改变，测量出改变后的功率，与改变前的功率作比较即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续在输出电压上增加扰动，反之则减小电压扰动。其最终结果是输出功率在最大功率点附近小范围内来回振荡。此法优点是既不需要测量太阳能电池内部参数也不用考虑外界环境，控制回路简单、易实现，对传感器精度要求不高。缺点在于系统必须引入扰动，寻优的最终结果是系统在最大功率点附近很小的范围内来回振荡，这将造成一
13、定的能量损失，不利于提高太阳能利用率。 （扰动观察法框图）(4)功率反馈法 太阳能电池板特性曲线可以看到，当dPdV=0时，此点为最大功率点。要跟踪最大功率点，只要在dPdV0时增加电压，在dPdV0时减小电压，直到导数等于零或非常接近于零时，电压保持不变，即达到最大功率点。此法与恒定电压控制法相比，优点是可减少能量损耗以及提升整体效率；缺点是较为复杂且需较多的运算过程，它的稳定性和可靠性不佳，因此在实际应用中并不多。 (功率反馈法框图）（5）扰动观察法的改进变步长扰动观察法 在扰动观察法中，由于不断地以固定的步长对工作点电压进行扰动，最终工作点将围绕最大功率点进行波动，并非真正地稳定在最大功
14、率点，从而造成一定的能量损失。步长选择太大，则系统响应速度快，但是系统会在最大功率点附近做较大的震荡；而步长选择太小，则跟踪时间会很长，系统的动态性能不好，因此我们希望开始能采用较大的步长以便提高响应速度，而在接近最大功率点时，采用较小的步长以便系统在最大功率点附近的振荡减小。从上面分析可以看出能动态的变化步长对系统来说极为重要。从太阳能特性曲线上可以看出在最大功率点附近的斜率小，而两侧的斜率较大。如果把P和V变化量的比(即)的倍数M()作为步长，其中M称为步长调节系数。如果采样间隔很短，可以把看作P-V曲线上各个工作点的斜率。在离最大功率点较远的地方斜率较大，则较大，可以实现大步长改变；靠近
15、最大功率点时斜率几乎为零，即很小，实现了在最大功率点附近振荡很小。此种方法是一种可以推广的方法。风力发电的MPPT 实现风力发电机的最大功率跟踪方法主要有以下三种，固定叶尖速比控制法、功率反馈法、最大功率搜索法。(1)固定叶尖速比控制法风能利用系数是叶尖速比和浆距角的函数，当浆距角固定时，风能利用系数是叶尖速比的函数，即，Cp最大时风力机获取最大输出功率，此时叶尖速比值唯一且固定。如图：（固定叶尖速比控制法）固定叶尖速比控制由系统给定一个最优值，与风力发电机的特性有关，不同风力发电机的不同，因此该方法移植比较困难。固定叶尖速比控制还需要测量风速与风力机转速，而小型风力发电机一般不具有测风速传感器，因此小型风力发电系统中很少使用此方法。多用在大型的风力发电机中。（2）功率反馈法 功率反馈(PSF)的基本思想是预先计算或实验得到最大功率点曲线，当风速发生变化时，首先检测出风力机的转速，然后根据最大功率曲线计算出此时风机的输出功率，以此为参考功率，并与当前风速下的风机捕获实际功率作比较产生差值信号，从而进行功率的闭环控制，实
