風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計-

1、風能和太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點,并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響.然而太陽能與風能在時間上和地域上一般都有一定的互補性,白天太陽光最強時,風較小,晚上太陽落山后,光照很弱,但由于地表溫差變化大而風能加強.在夏季,太陽光強度大而風小;冬季,太陽光強度小而風大。太陽能發(fā)電穩(wěn)定可靠,但目前成本較高,而風力發(fā)電成本較低,隨機性大,供電可靠性差。若將兩者結(jié)合起來,可實現(xiàn)晝夜發(fā)電.在合適的氣象資源條件下,風光互補發(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)得到了廣泛的應用.如圖5.1為某地10月份某日典型的太陽能和風資源分布,因此采用風光互補發(fā)電系統(tǒng),可以彌補風能和太陽

2、能間歇性的缺陷。 圖5.1 某地10月份典型日太陽能和風能資源分布圖風光互補發(fā)電的優(yōu)勢:(1利用風能和太陽能的互補性,彌補了獨立風電和獨立光伏發(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,可大大減少儲能蓄電池的容量。(4對系統(tǒng)進行合理的設計和匹配,可以基本上基本上由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電,獲得較好的經(jīng)濟效益。(5大大提高經(jīng)濟效益。風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分(1發(fā)電部分:由一臺或者幾臺風力發(fā)電機和太陽能電池陣列構成風電、光電發(fā)電部分,發(fā)電部分輸出的電能通過充電控制器與直流中心完成蓄電池組自動充電工作。(2蓄電部分:蓄電部分主要作用是將風電或光

3、電儲存起來,穩(wěn)定的向電器供電。蓄電池組在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。(3控制及直流中心部分:控制及直流中心部分由風能和太陽能充電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成,完成系統(tǒng)各部分的連接、組合及對蓄電池組充放電的自動控制。控制及直流中心具體構成參數(shù)由最大用電負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,逆變器把蓄電池儲存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,保證交流負載的正常使用。同時,還有穩(wěn)壓功能,以改善風光互補系統(tǒng)的供電質(zhì)量。 圖5.2風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計一個完善的風光互補發(fā)電系統(tǒng)需要考慮 多種因素.如各個地區(qū)的氣候條件,當?shù)氐奶栞?照量情況,太陽能方陣及

4、風力發(fā)電機功率的選用, 作為儲能裝置蓄電池的特性等.因此,必須選擇建 立一些先進的數(shù)學模型進行多種計算,確定合理 的太陽能電池方陣和風力發(fā)電機容量,使系統(tǒng)設 計最優(yōu)化.數(shù)學模型計算1.蓄電池容量計算蓄電池的容量 C 通常按照保證連續(xù)供電的 天數(shù)來計算:outmax d D0C U W n C =式中:n 蓄電池連續(xù)供電的天數(shù) (根據(jù)當?shù)靥?陽能和風能的氣象數(shù)據(jù)確定,一般為 25 d ;d W 為日耗電量,kWh ;U 系統(tǒng)工作電壓,一般為 24 V 或 12 V ;max DOC 蓄電池最大放電深度, 一般取 40%;out 由蓄電池到負載的放電回路效率,包 括蓄電池的放電效率、 控制器的效率

5、及線路損耗 等,一般 out 為 95%98%。2 . 不同地點和不同高度的風速計風速隨高度的變化情況,地面的平坦度、地表 粗糙度,以及風通道上的氣溫變化情況的不同而 有所差異¨。風速隨高度而變化的經(jīng)驗公式很 多,通常采用指數(shù)公式,即 =11h h 式中:距地面高度為h 處的風速,m /s ;1高度為hl 處的風速,m /s ; 風切變指數(shù),它取決于大氣穩(wěn)定度和 地面粗糙度,其值約為1/21/8.對 于地面境界層,風速隨高度的變化則 主要取決于地面粗糙度,這時一般取 地面粗糙度作為風切變指數(shù).3. 風力發(fā)電量的計算對于小型風力發(fā)電機, 日發(fā)電量計算公式如下:21E E E += (/

6、i m (=H i i N 1/h P E (H m i /=i N 2h P E (/H i 式中:E 當月發(fā)電量,kWh ;21E E ,風力發(fā)電機在不同風速段的發(fā) 電量,kWh ;i 當時風速,m/s ;m 風力發(fā)電機啟動風速,m/s ;H 風力發(fā)電機額定風速,m/s ;T 風力發(fā)電機停機風速,m/s ;N P 風力發(fā)電機額定功率,kW ;i h 該月中與i 相對應的小時數(shù);選擇風機容量應是負載需求的 23 倍,最后 用上式來計算風機的日發(fā)電量。4. 太陽電池組件容量太陽能電池所發(fā)電量應為負載所需總電量與 風機所發(fā)電量的差, 并且以太陽能的發(fā)電量來確 定太陽能電池板的容量。 太陽能電池板

7、每月發(fā)容量的數(shù)學公式:3.6AF F F F F H E 0s p ti m Ti si =式中:si E 太陽電池組合板第i 月發(fā)出的電能, kWh ;Ti H 組合板平面第 i 月單位面積上接受 的輻射量,MJ/m2;m 組件的轉(zhuǎn)換效率,通常為 8%16%;ti F 第 i 月組件轉(zhuǎn)換效率的溫度修正因 子;p F 組件的封裝因子,有效電池面積與組 件總面積之比,通常 Fp >0.8;s F 積塵因子,組件表面積塵時的發(fā)電量 與表面完全清潔時的發(fā)電量之比, 對于戶用系統(tǒng) Fs 取 1;F 組件未工作在最大功率點處影響組 件輸出功率的系統(tǒng)性能失配因子,一般 F=0.954.0F 由于材料

8、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 太陽能電池板的總面積,m2。 通過計算出的太陽電池板的總面積來確定太 陽能電池板的容量。風光互補控制器風光互補控制器是專門為風能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)設計的;集風能控制、太陽能于一體的智能型控制器。充分利用風能和光能資源發(fā)電,可減少采用單一能源可能造成的電力供應不足或不平衡的情況。設備不僅能夠高效率地轉(zhuǎn)化風力發(fā)電機和太陽能電池板所發(fā)出的電能對蓄電池進行充電,而且還提供了強大的控制功能。為了更直觀地遠程觀察,控制器外殼上除裝有風力發(fā)電機充,放電,太陽能充,放電指示燈外,還裝有液晶顯示屏,能直接觀察到蓄電池充,放電全過程

9、?？刂破鲀?nèi)部裝有過載保護和超速保護,使風力發(fā)電機更安全可靠?？刂破鬟€具有光控、聲控、溫度補償及防雷、反極性保護等功能。風光互補發(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)可達數(shù)千瓦至兆瓦。離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風力發(fā)電機(將交流電轉(zhuǎn)化為直流電將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中,當用戶需要用電時,通過輸電線路送到用戶負載處。是風力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設備共同發(fā)電。 圖5-3 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計方法:(1功率匹配法: 在不同的太陽輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的功率和風力發(fā)電機的功率之

10、和大于負載功率,主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。(2能量匹配法: 在不同的太陽輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的發(fā)電量和風力發(fā)電機的發(fā)電量之和大于負載耗電量,主要用于系統(tǒng)功率設計。電量與用電量的匹配設計離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能首先經(jīng)過蓄電池儲存起來,然后再由蓄電池向電器供電。所以,必須認真科學地考慮,風力發(fā)電機功率,太陽能電池組件功率與蓄電池容量匹配和靜風期儲能等問題。目前,離網(wǎng)風光互補發(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行匹配的。(1設備日用電量計算Qi=Pi*Ti式中:Qi 日用電量; Pi 設備額定功率; Ti 日用電小時數(shù)。(2系統(tǒng)總用電

11、量估算Qm=(P1+P2+.+Pi*Ni*Ti式中:Qm系統(tǒng)負荷最大日用電量(kW*h;Pi 每種相同設備的額定功率(kW;Ni 具有相同額定功率的設備的數(shù)量; Ti 該類設備的日平均使用時間(h; i 1,2,.n個不同類型的設備數(shù)量。(3發(fā)電能力的測算日平均發(fā)電量則是由風力發(fā)電機和太陽能電池組件的發(fā)電能力及當?shù)仫L光資源狀況決定的。Q=Q1+Q2式中:Q1風力發(fā)電機組的日平均發(fā)電量;Q2太陽能電池組件的日平均發(fā)電量。(4風力發(fā)電機組供電能力的測算方法計算中假設風力發(fā)電設備利用率為100%。具有風頻圖的風力發(fā)電機輸出功率計算公式:Q=(P1+P2+.Pv*Tv式中:Q 風力發(fā)電機在計算期間的發(fā)

12、電總量(kW*h;Pv在風速v時風力發(fā)電機的輸出功率(W;Tv場地風速v的期間累計小時數(shù)(h。如果不能得到風速頻率分布圖,則可用當?shù)氐哪昶骄L速進行估算。用年平均風速值時的發(fā)電機輸出功率值乘以年度總的小時值8760h,即:Q1=K*8760*Pv式中: Q1年發(fā)電量(kW*h;Pv 年平均風速值時發(fā)電機組輸出功率;K修正系數(shù),取1.21.5。根據(jù)經(jīng)驗,按平均風速計算的發(fā)電量小于實際按風速頻率分布的年發(fā)電量,因此可按一定的比例進行適度修正(修正系數(shù)取1.21.5?？傊?風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為獨立的電源系統(tǒng),具有一定的合理性和可靠性,有著廣泛的應用領域。在遠離電網(wǎng)的地區(qū),獨立供電系統(tǒng)已經(jīng)成為人們必須

13、的電源。邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路、漁船和鐵路信號站、地質(zhì)勘探野外的工作站以及偏遠的農(nóng)牧民都需要低成本、高可靠性的獨立電源系統(tǒng);對于城市里的景觀燈、路燈等,隨著政府對節(jié)能環(huán)保的重視應用前景也相當廣闊。風能和光能的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。另外,風力發(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。風光互補發(fā)電系統(tǒng)也可做成分布式,由風力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(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,風光互補發(fā)電系統(tǒng)可分為直流母線結(jié)構及交流母線結(jié)構。1.直流母線結(jié)構如圖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)點是:第

14、一,只需對母線電壓進行控制,容易滿足系統(tǒng)性能要求,控制算法相對容易。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)容易擴展,可以滿足用電設備和發(fā)電設備增加的要求。系統(tǒng)采用直流母線,儲能單元分為長期儲能單元和短期儲能單元。蓄電池是長期儲能單元的最佳選擇,而短期儲能單元采用開關磁阻電機飛輪儲能系統(tǒng)。開關磁阻電機具有結(jié)構簡單、成本低、適合高速運行等特點。利用飛輪儲能可以有效地補償由于風速、光照變化以及負荷變化所引起的母線電壓波動,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)。對于系統(tǒng)中的交流用電負荷,采用逆變控制單位集中供電。在實際應用中,

15、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行擴展。例如為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性,保證重要用電設備的正常運行,可以在直流母線上加裝柴油發(fā)電機組,并通過系統(tǒng)控制部分統(tǒng)一進行能量控制。也可以利用DC/DC變換器向直流用電設備如無整流模塊的變頻器進行供電,可以降低系統(tǒng)成本、防止諧波污染。 5-4分布式風光互補供電系統(tǒng)框圖2.交流母線結(jié)構雖然直流母線控制算法簡單,成本低,易擴展,但對于獨立供電系統(tǒng)和其它任何遠離公共電網(wǎng)的供電系統(tǒng)而言,重要的是系統(tǒng)能夠進行簡單且經(jīng)濟的擴容。交流母線可以將各種類型的發(fā)電設備或負載都連接到同一母線系統(tǒng)上。這樣,無論增加負載,還是增加發(fā)電設備,系統(tǒng)都能夠隨意擴容,并且

16、考慮現(xiàn)行設備的成熟性,所以本項目選取交流母線分布式供電系統(tǒng),交流母線分布式風光互補供電系統(tǒng)如圖5-5所示。圖中IOKW風機、風機控制器、風機逆變器組成的整體為風機機組部分。2KW太陽能電池輸出直流,經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電,接入AC母線。交流母線可經(jīng)開關控制接交流負載,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,儲存能量,也可以將蓄電池的48V直流電接直流負載。 5-5 10kw風機+2kw左右太陽能組成風光互補發(fā)電系統(tǒng)示意圖風能和光能的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。另外,風力發(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

17、。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,實現(xiàn)了電壓變換和電氣隔離,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,而且效率相對較低。其結(jié)構如圖5-6所示。并網(wǎng)逆變器一般小型戶用風光互補獨立電源系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系統(tǒng),風力發(fā)電系統(tǒng)、逆交變儲電系統(tǒng),充放電控制系統(tǒng)構成。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中的關鍵設備。 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,將太陽能電池和風機發(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,適合小功率場合。其結(jié)構如圖5-7所示。 5-7 高頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)3.無變壓器方式該方式首先用無隔離的DCDC變換器將太陽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,因而在并網(wǎng)系統(tǒng)中成為目前研究的熱點和發(fā)展趨勢。該方式結(jié)構如圖5-