风光伏互补发电系统应用设计实例及典型配置方案

风光伏互补发电系统应用设计实例及典型配置方案一、任务导入风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。

为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。

若将两者结合起来，可实现昼夜发电。

在合适的气象资源条件下，一般要求年平均风速大于4m/s以上地区和太阳能资源Ⅱ类及以上可利用地区，风光互补发电系统能提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，在很多地区得到了广泛的应用。

如图3-50所示是风光互补发电系统实物图。

图3-50风光互补发电系统实物图二、相关知识学习情境风光互补发电系统设计原则及方法（一）风光互补发电系统设计原则风光互补发电系统设计的目标是确定发电系统各部件的容量及运行控制策略，合理的设计方案能降低系统成本，增加系统运行的可靠性。

太阳能与风能在时间和地域上有很强的互补性，且风电的单位发电成本低于光伏发电，因此，风光互补能够降低系统的总成本。

在风光互补发电系统的优化设计中，应该在获得安装点的气候数据和负载容量后，通过选择不同的系统部件组合方式确定系统容量，然后再选择在给定系统容量下的最优运行策略。

风光互补发电系统的设计包括两个方面：系统设计和硬件设计。

风光互补发电系统的系统设计的主要目的是要计算出风光互补发电系统在全年内能够可靠工作所需的太阳能电池组件、风力发电机和蓄电池的数量。

同时要注意协调风光互补发电系统工作的最大可靠性和成本两者之间的关系，在满足最大可靠性的基础上尽量减少风光互补发电系统的成本。

风光互补发电系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备，包括太阳能电池组件的选型、风力发电机的选型、逆变器的选择、电缆的选择、支架设计、控制测量系统的设计、随雷设计和配电系统设计等。

在进行风光互补发电系统设计时需要综合考虑系统设计和硬件设计两个方面。

针对不同类型的风光互补发电系统，系统设计的内容也不一样。

离网风光互补发电系统及并网风光互补发电系统的设计方法和考虑重点都会有所不同。

在进行风光互补发电系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和设备选择所必需的基本数据：如风光互补发电系统安装的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

要求所设计的风光互补发电系统具有先进性、完整性、可扩展性、智能性，以保证系统安全、可靠和经济运行。

(1)先进性。

随着国家对可再生能源的日益重视，开发利用可再生能源已经是新能源战略的发展趋势。

根据当地太阳日照条件、风力条件、电源设施及用电负载的特性，选择利用太阳能、风能资源建设风光互补发电系统，既节能环保，又能避免采用市电铺设电缆的巨大投资（远离市电电源的用电负载），是具有先进性的电源建设方案。

(2)完整性。

风光互补发电系统包括太阳能电池组件、风力发电机、蓄电池、控制器、逆变器等部件，风光互补发电系统可以独立对外界提供电源，与其他用电负载和市电电源配套，形成一个完整的离网和并网的风光互补发电系统。

风光互补发电系统应具有完善的控制系统、储能系统、功率变换系统、防雷接地系统等构成一个统一的整体，具有完整性。

(3)可扩展性。

随着太阳能光伏发电技术、风力发电技术的快速发展，风光互补发电系统的功能也会越来越强大。

这就要求风光互补发电系统能适应系统的扩充和升级，风光互补发电系统中的太阳能电池组件应为并联模块结构组成，在系统需扩充时可以直接并联加装太阳能电池模块，控制器或逆变器也应采用模块化结构，在系统需要升级时，可直接对系统进行模块扩展，而原来的设备器件等都可以保留，以使风光互补发电系统具有良好的可扩展性。

(4)智能性。

所设计的风光互补发电系统，在使用过程中应不需要任何人工操作，控制器可以根据太阳能电池组件、风力发电机和蓄电池的容量情况控制负载端的输出，所有功能都由微处理器白动控制，还应能实时检测风光互补发电系统的工作状态，定时或实时采集风光互补发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心，通过计算机分析，实时掌握设备工作状况。

对于工作状态异常的设备，发出故障报警信息，以使维护人员提前排除故障，保证供电的可靠性。

风光互补发电系统设计必须要求具有高可靠性，保证在较恶劣条件下正常使用，同时要求系统具有易操作和易维护性，便于用户的操作和日常维护。

整套风光互补发电系统的设计、制造和施工要具有低的成本，设备的选型要标准化、模块化，以提高备件的通用互换性，要求系统预留扩展接口便于以后规模容量的扩大。

（二）风光互补发电系统设计的基本条件风光互补发电系统的设计必须具备3个基本条件：(1)当地的风能资源状况和太阳能资源状况，如日照强度、气温、风速等基础资源数据。

(2)用电设备的配置、功率、供电电压范围、负载特征、是否连续供电等。

(3)风力发电机和太阳能组件的功率特性。

风光互补发电系统的设计分为系统设计和硬件设计两部分。

系统设计内容包括如下：(1)负载的特性、功率和用电量的统计及相关计算。

(2)风力发电机的日平均发电量的计算。

(3)太阳能电池方阵日平均发电量的计算。

(4)蓄电池容量的计算。

(5)风力发电机、太阳能电池组件、蓄电池之间相互匹配的优化设计。

(6)太阳能电池方阵安装倾角的确定。

(7)系统运行情况的预测及系统经济效益分析等。

硬件设计内容包括如下：(1)风力发电机、太阳能电池组件、控制器、逆变器和蓄电池的选型。

(2)太阳能电池方阵、风力发电机组安装基础设计，支架结构设计，安装工程设计，供配电等附属设备的选型和设计。

(3)控制、监控系统的软硬件及系统设计。

（三）风光互补发电系统设计步骤(1)根据用电设备配置确定日平均用电量。

(2)根据资源状况，无有效风速及连续阴天天数的长短，每天必用的最低电量，确定蓄电池容量及型号。

(3)根据日平均用电量，逆变器和蓄电池的效率等测算日平均发电量。

(4)根据风能和太阳能资源状况、系统可靠性要求以及投资的限额，确定风力发电机和太阳能的比例关系。

(5)根据所需风力发电量及太阳能光伏发电量和资源情况，进行发电机选型，太阳电池方阵选型。

（四）风光互补发电系统的合理配置风光互补发电系统的发电量完全取决于安装地点的实际自然资源情况，平均风速越高，风力发电机的发电量越多，需要的风力发电机台数越少；反之，平均风速越低，风力发电机的发电量越少，则所需的风力发电机数量越多。

日有效光照时间越长（我国各地日有效光照时间通常在3.5—4h左右，该时间不是通常意义上的有阳光时间），太阳能发电越多；反之，有效光照时间越短，则太阳能发电越少。

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。

一般来说，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，而平均日用电量则是选择风力发电机及太阳能电池组件容量和蓄电池组容量的依据。

2)太阳能和风能的资源状况太阳能和风能的资源状况是太阳能电池组件和风力发电机容量选择的另一个依据，一般根据资源状况来确定太阳能电池组件和风力发电机的容量，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后确定太阳能电池和风力发电机的容量。

3)风力发电机组功率与太阳能电池组件功率的匹配设计(1)匹配结果应使发电量最低月份的日平均发电量Q大于或等于系统总用电量。

(2)风机功率与太阳能电池组件功率按3:7—7:3的范围进行匹配设计。

风光互补发电系统的优点是可以同时利用当地的风力资源和太阳能资源，起到多能互补的作用。

例如，在我国多数地区夏季风力资源较弱，但太阳能资源较强；在冬季太阳能资源较弱，而风力资源较强。

采用风光互补发电系统能够保证用户均衡充足的用电需求。

由于太阳能电池的价格较贵，目前户用风光互补发电系统中风电与光电的匹配比例一般为3:1左右。

例如，300W的风力发电机可以配用100W的太阳能电池组件；500W的风力发电机可以配用150~ 200W的太阳能电池组件；lkW的风力发电机可以配用300~ 350W的太阳能电池组件。

(3)以风力发电、太阳能光伏发电分别单独为用户提供日最低用电量估算风力发电机与太阳电池组件的功率。

(4)按照当地月平均风速值和月平均太阳总辐照量进行经济合理的匹配调整，取发电量最少月能满足月用电量要求且投资效益最高的配比方案为最终设计方案。

4)系统产品的性能和质量要求风光互补发电系统包括风力发电机、太阳能电池、蓄电池、系统控制器和逆变器等部件，每个部件的故障都会导致发电系统不能正常供电，所以，选择性能和质量优的部件产品是保证风光互补发电系统正常供电的关键。

（五）、风光互补发电系统设计方法风光互补发电系统可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。

根据不同地区的风能、太阳能资源，以及不同的用电需求，用户可配置不同的风光互补发电模式，从理论上来讲，利用风光互补发电，设计上以风电为主，光电为辅是最佳匹配方案，前提是要做到风能和太阳能的无缝对接，要做到无缝对接转换，也就是不停电，同时要能对抗恶劣天气，安全性能好。

并且，还要考虑应用地的气候、日照时间、最高最低风速、噪声等一系列外部因素，优化配置风力发电机和太阳能电池。

以提高太阳能和风能连续工作能力，一方面降低设备制造成本，另一方面，自然能源利用时间加强，则减少使用蓄电池的时间，提高蓄电池使用寿命。

目前，国外在风光互补发电系统的设计上，主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配法，即在不同辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的功率和风力发电机的功率和大于负载功率，并实现系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的发电量和风力发电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，国内在风光互补发电系统进行研究的领域有：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统优化控制等。

三、项目实施：离网风光互补发电系统设计实例（一）功率匹配法设计实例1图3-51 海岛供电设施例：某海岛供电平台为生产、安全、控制和通信系统提供完善的供电设施，根据用电平台的需求，拟采用风光互补发电系统进行供电设计和系统配置，图3-51所示是海岛供电设施，具体负荷要求如下。

1、设计参考依据：(1)充分利用风能、太阳能可再生能源，保证常年不间断供电。

系统在连续没有风、没有太阳能补充能量的情况下能正常供电3天。