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1、风电与光电互补系统的实际摘要：在全球经济尚未完全摆脱金融危机的困扰，气候变化不断加剧的大背景下，新 能源以其可再生，清洁低碳，可持续利用等特点受到各国的普遍关注，许多国家将 其作为保护环境和促进发展的重要途径，在应对金融危机的政策中都增加了新能源 元素。我国的新能源产业也进入了快速发展阶段，新能源技术不断进步，产业规模 迅速提高，新能源装备制造业水平和产业技术研发水平迅速提升。但随着产业规模 化的不断扩大，诸多问题也逐渐显现出来，成为制约我国新能源产业规模化的瓶颈。 如成本相对较高，市场竞争力弱；技术研发投入不足，自主创新能力不强；产业体 系薄弱，配套能力不强；行业管理松散，标准体系和人才建设
2、严重滞后；政策体系 不完善，措施不配套等。由此，必须采取相应的措施。关键字：光电互补发电技术；新能源产业；瓶颈；战略规划；技术创新1.1能源问题能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人 类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生 态系统破坏。随着不可再生的能源急剧减少，近年来，世界各国逐渐认识到能 源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏， 各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的 新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容
3、。可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化 石能源。水能发电技术已经比较成熟，但是其局限性大。生物质能发电导致其 他生物威胁人类生存环境，地热能发电破坏地球环境1.2能源选择趋势人们经过论证尝试之后最终认为自然界的太阳能和风能是最为清洁绿色的 可再生能源，再加上其再地球上分布的广泛和取之不尽用之不竭的特性。势必 成为可再生能源发电能源的最佳选择。各国也根据自身的基本国情制定了一系 列的推广政策，2008年3月我国法改委公布了可再生能源发展“十一五”规 划。在其中明确提出在“十一五”期间，“加快发展风能、太阳能、生物质 能等可再生能源”。人们加快了研究太阳能发电和风能发电
4、的步伐。然而太阳能、风能都具有 能量密度低、稳定性差的特点，并且受地理分布、季节变化、昼夜变化等因素 影响，单独的风能发电和太阳能发电最终效果都不理想。然而人们发现太阳能 在白天和夏季丰富，而风能在晚上和春秋较为丰富。太阳能和风能这种天然的 昼夜互补性和季节互补性，可以消除稳定性差的弱点，也使得它们组成能量互 补系统一风光互补发电系统成为一种必然。1.3风光互补发电的优势风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，是一种具有较高性价比 并且可以保证用电可靠性的一种新型能源发电系统，具有很好的推广应用前景。二：当前现状最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合， 因为缺乏详
5、细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿 命不长。系统设计的难点在于风能太阳能充电电路的调节，即控制器的设计。近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性 要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大 型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统 配置。其中 Colorado state university 和 national renewable energy laboratory合作开发了 hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件， 它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
6、互补发电系统结 构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年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。在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定： 一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的 功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即 在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负 载的耗电量，主要用于系统功率设计。目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大
7、学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下 几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中 科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来 的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领 先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。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、太阳能风能无线电 话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。三、风光互补发电系统合理设计：光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，
8、 最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高， 运行维护成本低，缺点是系统造价高。风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对 蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发 电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。另外，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亏电状态，这 也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。由于太阳能与风能的互补性强
9、，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逆变环节是可 以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。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，即可保证系统供电的可靠性，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。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推 广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。几十年来，小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定 的成就，但从
10、根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。长期以来，出于成本上的 考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是根据空 气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速 保护。机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这 种结构在风洞试验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于 风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不 可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠 已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是
11、尾翼驱动风机的机头偏航， 三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力 发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的 情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决 方法。风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池 组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠 性非常重要四、系统配置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。主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用
12、电量。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，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后光电板和风机的容量.目前研究影响风光互补发电系统优劣的两个主要因素就是：风光互补功率以及 蓄电池容量的选择匹配、控制系统对蓄电池充电、放电的控制保护。风光互补发电系统的结构风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、 蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见
13、附图。该系统是集 风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合 可再生能源发电系统。风光互补发电系统结构图凤光互补系统图(1) 风力发电部分是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；(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，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；(3) 逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可 改善风光互补发电系统的供电质量；(4) 控制部分根据日照
14、强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。 另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制 器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学 能储存起来，（5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡以备供电不足时使用。风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模 式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风 力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。风光互补发电比单独风
15、力发电或光伏发电有以下优点：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高 的稳定性和可靠性；在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量5；通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基 本不用启动备用电源如柴油机发电机组等， 可获得较好的社会效益和经济效益。控制器是风光互补发电系统中保证系统连续性和工作稳定性的核心，本论 文主要度控制器进行研究论证说明。风光互补控制器离网型补发电控制器的国标要求 GB/T19115当地年平均风速大于3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不小于 5000Mj/ m2 是风光互补发电系统的推荐使用地区。风光互补控制器：既能将从风力发电就组获得的交流电能（也允许风力发 电机组直流输入）转换成直流电能，存入储能电池或者直接使用，又能够从太 阳能电池组件获得的直流电能存入储能蓄电池或者直接使用的换流及控制系统。系统额定直流电压参数单位/122436487296112200额定交流电压、频率及波形频率/Hz波形交流电压/V单相三相50方形22050正弦波220360系统额定输出功率单位/W236112235710000000005000005000000005000000控制器的选择：1、 控制器必须有风力
