风光储互补发电系统
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DC母线 风力发电 机 AC/DC变 换器 DC/AC逆 变器 交流负载
光伏电池 板阵
DC/DC变 换器
直流负载
蓄电池 卸荷电路
1.发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组 成，完成风－电；光－电的转换，并且通过充电控制器与直流 中心完成给蓄电池组自动充电的工作。 2. 蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任 务。 3. 充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、 直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、 组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。 4.供电部分：由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的 直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。
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第一台风力发电机
Charles F. Brush 1887 年在美国俄亥俄州克 利夫兰建造了首个风 力发电涡轮，重达4吨， 高60英尺(18.3米)，有 144个叶片，有个长长 的彗星般的尾巴。该 风力涡轮发电机仅仅 能产生12千瓦的电力， 供电量仅供今日美国 三个家庭使用。
式中：QL.ave为负载的平均耗电量，单位kW·h；ΔBat(i)为蓄电池储能变化量。当 ΔBat(i)>0时，说明蓄电池作为电源发出电能给负载；当ΔBat(i)<0时，说明蓄电池 作为负载吸收电能。Kl越小，说明系统能量波动越小，即表明系统与负载的匹配 16:06:35 度越高，且利用风光互补特性的能力也越强。
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风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。 这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括 尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件， 它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。 当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风 轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻， 目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维) 来制造。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它 一般修建得比较高，为的是获得较大的和较 均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度 视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮 的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速， 通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把 机械能转变为电能。
式中：E(i)为第i天供电不平衡量；Ql(i)为第i天负荷耗电量。
0 M NOPLP (i) 1
E (i) （ - 1-a） Ql (i) 其它
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NOPLP
M
i 1
365
LPSP
(i )
365
能量浪费率
风光储互补发电系统利用两种清洁可再生能源进行联合发电。为提高可再生能源的利用率， 此类系统一般会安装蓄电池来实现电量储存，从而起到提高能源利用的作用。但由于风能与 太阳能的天然特性等因素，发电情况并不能保证绝对合理。为了减少因为发电过量而导致多 余电能通过卸荷电路进行消耗，全面提高发电系统的能源利用率，需要对系统利用可再生能 源的能力进行评估。因此，本文提出能量浪费率（Loss of Energy Probability，LEP）的评价 指标，评价系统的能源利用能力。其定义为系统在全年运行过程中未被使用或储存的电能除 以系统发出的全部电能，其值越小，说明该系统对可再生能源的利用率越高，浪费的能源也 越少。其基本计算过程如下： 第i个时间段电量盈余的计算公式为：
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结束放映
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风力发电是指利用风力发电机组直接 将风能转化为电能的发电方式。在风 能的各种利用形式中，风力发电是风 能利用的主要形式，也是目前可再生 能源中技术最成熟、最具有规模化开 发条件和商业化发展前景的发电方式 之一。
维护费用较 低，前期投 资大。随着 科技进步前 期投入逐渐 降低
1.风机与光伏分别发出交流电和直流 电，并网前需进行整流、逆变 2.蓄电池性能下降后，会影响电能质 量 3.资源不确定性导致发电与用电负荷 的不平衡
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全年负荷正常工作率
可靠性是对发电系统最基本的要求。风速以及太阳辐射的间歇性、多变性等特性，对于发电系统的发 电量有着直接的影响，导致可靠性问题在风光储互补发电系统中尤为重要。可靠性是指发电系统长时间 向用电负荷提供持续、充足电量的能力。常见的可靠性评价指标为全年负荷损失率（Loss of Power Supply Probability，LPSP）。
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偏远农村的生活生产用电
高速公路等地的监控设施
路灯照明系统 无人值守的自动气象站 通信基站中的应用 并网发电 成本 障碍
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火力
水力
核能
风力
太阳能
风光互补
成本
0.4元/度
0.3元/度
0.45元/度
0.52元/度
0.7元/度
上网电价 1.25元/度
成本是否稳 定
不
是
是
是
是
是
成本稳定 或 不稳定 的 原因
受到化石燃 料的影响
维护费用较 水力发电前 低，前期投 前期费用高， 期投资大， 资大。随着 核燃料性价 后期只需运 科技进步前 比高于煤炭 营维护 期投入逐渐 降低
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维护费用较 低，前期投 资大。随着 科技进步前 期投入逐渐 降低
式中：Pf(ti)、Ppv(ti)、Pbat(ti)分别为风力发电机、光伏电池板以及蓄电池在ti时刻的输出功率；PL(ti) 为第ti时刻用电负荷所需消耗的功率；N为全部计算区间的个数。LPSP越小，代表发电系统的可靠性越 高。 第i天供电不平衡量E(i)的计算公式为： Ebat(i)为第i天开始时蓄电池所存电量；Wf(i)为第i天风力发电机所发电量； Wpv(i)为第i天光伏电 池板所发电量；Ql(i)为第i天负荷消耗电量。E(i)>0说明当天电量有盈余，反之则说明当天负荷缺电 。 假设该地区重要负荷（第一、二级负荷）所占比重为a，那么若第i天总缺电量超过非重要负 荷的耗电量
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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。 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。 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。 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 16:06:35 16:06:34 无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。
2014年9月19日，中国第一风光互补绿色新能源 基地（内陆）——宿州埇桥解集乡首期20MW光 伏电站项目正式开工建设。 该风光互补绿色新能源基地总装机规模为600MW ，其中光伏装机容量为400MW，风力发电装机容 量为200MW 电站首期20MW投运后，第一年发电量为2559.74 万千瓦时，可供约110万人使用绿色电力，与燃 煤电厂相比可节约标煤192290吨，减少二氧化硫 排放17220吨，减少二氧化碳排放344400吨，相 当于每年种植树木20万棵，从而有效改善大气环 境质量降低PM2.5值。
若E1(i)>Ebat_r，那么表明此时的蓄电池已经充满，反之则蓄电池未充满电，仍可继续充电。记MLEP(i) 为能量浪费标志，用来标识每天的能量浪费状态，可以表示为：
由此可得能量浪费率的计算公式：
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系统能量波动率
为了使风光储互补发电系统能够充分利用两种可再生清洁能源的天然互补性，在对 容量进行优化配置的时候必须考虑这两种清洁能源的自然特性所带来的影响。并且 ，在利用两种可再生能源的互补特性的同时，又配有蓄电池进行缓冲，因此希望经 过优化配置后的混合发电系统，其输出的电量曲线应尽可能的与用电负荷的耗电量 曲线相接近，减少发电系统与用电负荷之间产生较大的电量差值的可能性，减少整 个系统的能量波动，提高系统的供电质量。 基于以上因素考虑，本文采用波动的概念，提出了两种可再生能源输出总电量与蓄 电池电量变化之和相对于负荷耗电量的波动率Kl，以此来表征系统能量的波动率， 其计算公式如下：
系统综合成本
系统成本是风光储互补发电系统必须考虑的关键问题之一，也是最基本的问题。任何系统的建 设都必须考虑成本的投入。对于风光储互补发电系统，其成本主要有三部分组成：一次投入成 本、运行维护成本与元件置换成本。一次投资成本是指系统中所有元件的首次购入总支出，其 主要由发电系统中三种主要的发电单元的购买成本等组成；运行维护成本主要包括系统中各发 电元件的日常维护成本，通常按年计算费用；元件置换成本主要是由于系统中的部分元件可能 由于寿命较短，需要更换而产生的置换费用。 为了综合考虑以上所提出的三项必要的投资成本，并尽可能的降低所使用的成本计算函数的复 杂性，本文采用综合成本函数对系统投资成本进行计算，其定义式如下：
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1.昼夜互补：白天太阳能发电，夜间风能发 电； 2.季节互补：夏季日照强烈，冬季风能强盛； 3.稳定性提高：利用风光的天然； 4.互补性强：大大提高系统供电稳定性； 5.零电费、零排放、零污染、节能减排、绿 色环保。
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1.风光互补发电系统与单一风力发电或光伏发 电相比，系统设计复杂，对系统的控制和管理 要求较高。 2.由于风光互补发电系统存在着两种类型的发 电单元.与单一发电方式相比增加了维护工作的 难度和工作量。 3.成本较高，在极端恶劣天气下有可能无法正 常供电。
式中：Cf、Cpv、Cbat分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的单价，单位元；Nf、Npv、 Nbat分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的使用数量，单位个；COM_f、COM_pv、COM_bat分别 为单位时间内风力发电、光伏发电、蓄电池充放电的运行维护成本，单位元/年；tf、tpv、tbat分别 为风力发电部分、光伏发电部分以及蓄电池部分的工作时长，单位年；Cf,R、Cpv,R、Cbat,R分别为 风力发电机、光伏电池板以及蓄电池的置换成本，若其使用寿命大于工程预运行时间，则其置换 成本计为0元。
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逆变器百度文库
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WPVS经济型控制器具有PWM充控制模式充电 具有电池反接、光伏电池反接保护功能，两路负 载过流、短路告警保护功能，两路负载多重控制 模式：光控、时控、全开放功能，电池过充和过 放告警保护功能，两路负载不同电压下保护功能 ，光伏输入端防雷保护功能，蓄电池温度补偿功 能，有效延长蓄电池的使用寿命系统异常告警保 护功能，RS485通信功能，工作状态和发电数据 可以实时上传，后台（可扩展GPRS无线， TCP/IP有线通信）光控开灯：天黑自动开灯， 天亮自动关灯。
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蓄电池组
作用
蓄电池(组)的作用是将太阳能风能 发出的直流电直接储存起来，供负 载使用。在风光互补发电系统中， 蓄电池处于浮充放电状态，当日照 量风量大时，除了供给负裁用电外， 还对蓄电池充电；当日照量风量小 时，这部分储存的能量将逐步放出。
特性
1 比较好的深循环能力，有着很好的过充和 过放能力。 2 长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保 证的长寿命电池。 3 适用不同的环境要求，如高海拔，高温， 低温等不同的条件下都能正常使用的电池。
DC母线 风力发电 机 AC/DC变 换器 DC/AC逆 变器 交流负载
光伏电池 板阵
DC/DC变 换器
直流负载
蓄电池 卸荷电路
1.发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组 成，完成风－电；光－电的转换，并且通过充电控制器与直流 中心完成给蓄电池组自动充电的工作。 2. 蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任 务。 3. 充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、 直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、 组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。 4.供电部分：由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的 直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。
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第一台风力发电机
Charles F. Brush 1887 年在美国俄亥俄州克 利夫兰建造了首个风 力发电涡轮，重达4吨， 高60英尺(18.3米)，有 144个叶片，有个长长 的彗星般的尾巴。该 风力涡轮发电机仅仅 能产生12千瓦的电力， 供电量仅供今日美国 三个家庭使用。
式中：QL.ave为负载的平均耗电量，单位kW·h；ΔBat(i)为蓄电池储能变化量。当 ΔBat(i)>0时，说明蓄电池作为电源发出电能给负载；当ΔBat(i)<0时，说明蓄电池 作为负载吸收电能。Kl越小，说明系统能量波动越小，即表明系统与负载的匹配 16:06:35 度越高，且利用风光互补特性的能力也越强。
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风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。 这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括 尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件， 它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。 当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风 轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻， 目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维) 来制造。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它 一般修建得比较高，为的是获得较大的和较 均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度 视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮 的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速， 通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把 机械能转变为电能。
式中：E(i)为第i天供电不平衡量；Ql(i)为第i天负荷耗电量。
0 M NOPLP (i) 1
E (i) （ - 1-a） Ql (i) 其它
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NOPLP
M
i 1
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LPSP
(i )
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能量浪费率
风光储互补发电系统利用两种清洁可再生能源进行联合发电。为提高可再生能源的利用率， 此类系统一般会安装蓄电池来实现电量储存，从而起到提高能源利用的作用。但由于风能与 太阳能的天然特性等因素，发电情况并不能保证绝对合理。为了减少因为发电过量而导致多 余电能通过卸荷电路进行消耗，全面提高发电系统的能源利用率，需要对系统利用可再生能 源的能力进行评估。因此，本文提出能量浪费率（Loss of Energy Probability，LEP）的评价 指标，评价系统的能源利用能力。其定义为系统在全年运行过程中未被使用或储存的电能除 以系统发出的全部电能，其值越小，说明该系统对可再生能源的利用率越高，浪费的能源也 越少。其基本计算过程如下： 第i个时间段电量盈余的计算公式为：
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结束放映
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风力发电是指利用风力发电机组直接 将风能转化为电能的发电方式。在风 能的各种利用形式中，风力发电是风 能利用的主要形式，也是目前可再生 能源中技术最成熟、最具有规模化开 发条件和商业化发展前景的发电方式 之一。
维护费用较 低，前期投 资大。随着 科技进步前 期投入逐渐 降低
1.风机与光伏分别发出交流电和直流 电，并网前需进行整流、逆变 2.蓄电池性能下降后，会影响电能质 量 3.资源不确定性导致发电与用电负荷 的不平衡
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全年负荷正常工作率
可靠性是对发电系统最基本的要求。风速以及太阳辐射的间歇性、多变性等特性，对于发电系统的发 电量有着直接的影响，导致可靠性问题在风光储互补发电系统中尤为重要。可靠性是指发电系统长时间 向用电负荷提供持续、充足电量的能力。常见的可靠性评价指标为全年负荷损失率（Loss of Power Supply Probability，LPSP）。
16:06:34 16:06:35
偏远农村的生活生产用电
高速公路等地的监控设施
路灯照明系统 无人值守的自动气象站 通信基站中的应用 并网发电 成本 障碍
16:06:35 16:06:34
火力
水力
核能
风力
太阳能
风光互补
成本
0.4元/度
0.3元/度
0.45元/度
0.52元/度
0.7元/度
上网电价 1.25元/度
成本是否稳 定
不
是
是
是
是
是
成本稳定 或 不稳定 的 原因
受到化石燃 料的影响
维护费用较 水力发电前 低，前期投 前期费用高， 期投资大， 资大。随着 核燃料性价 后期只需运 科技进步前 比高于煤炭 营维护 期投入逐渐 降低
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维护费用较 低，前期投 资大。随着 科技进步前 期投入逐渐 降低
式中：Pf(ti)、Ppv(ti)、Pbat(ti)分别为风力发电机、光伏电池板以及蓄电池在ti时刻的输出功率；PL(ti) 为第ti时刻用电负荷所需消耗的功率；N为全部计算区间的个数。LPSP越小，代表发电系统的可靠性越 高。 第i天供电不平衡量E(i)的计算公式为： Ebat(i)为第i天开始时蓄电池所存电量；Wf(i)为第i天风力发电机所发电量； Wpv(i)为第i天光伏电 池板所发电量；Ql(i)为第i天负荷消耗电量。E(i)>0说明当天电量有盈余，反之则说明当天负荷缺电 。 假设该地区重要负荷（第一、二级负荷）所占比重为a，那么若第i天总缺电量超过非重要负 荷的耗电量
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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。 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。 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。 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 16:06:35 16:06:34 无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。
2014年9月19日，中国第一风光互补绿色新能源 基地（内陆）——宿州埇桥解集乡首期20MW光 伏电站项目正式开工建设。 该风光互补绿色新能源基地总装机规模为600MW ，其中光伏装机容量为400MW，风力发电装机容 量为200MW 电站首期20MW投运后，第一年发电量为2559.74 万千瓦时，可供约110万人使用绿色电力，与燃 煤电厂相比可节约标煤192290吨，减少二氧化硫 排放17220吨，减少二氧化碳排放344400吨，相 当于每年种植树木20万棵，从而有效改善大气环 境质量降低PM2.5值。
若E1(i)>Ebat_r，那么表明此时的蓄电池已经充满，反之则蓄电池未充满电，仍可继续充电。记MLEP(i) 为能量浪费标志，用来标识每天的能量浪费状态，可以表示为：
由此可得能量浪费率的计算公式：
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系统能量波动率
为了使风光储互补发电系统能够充分利用两种可再生清洁能源的天然互补性，在对 容量进行优化配置的时候必须考虑这两种清洁能源的自然特性所带来的影响。并且 ，在利用两种可再生能源的互补特性的同时，又配有蓄电池进行缓冲，因此希望经 过优化配置后的混合发电系统，其输出的电量曲线应尽可能的与用电负荷的耗电量 曲线相接近，减少发电系统与用电负荷之间产生较大的电量差值的可能性，减少整 个系统的能量波动，提高系统的供电质量。 基于以上因素考虑，本文采用波动的概念，提出了两种可再生能源输出总电量与蓄 电池电量变化之和相对于负荷耗电量的波动率Kl，以此来表征系统能量的波动率， 其计算公式如下：
系统综合成本
系统成本是风光储互补发电系统必须考虑的关键问题之一，也是最基本的问题。任何系统的建 设都必须考虑成本的投入。对于风光储互补发电系统，其成本主要有三部分组成：一次投入成 本、运行维护成本与元件置换成本。一次投资成本是指系统中所有元件的首次购入总支出，其 主要由发电系统中三种主要的发电单元的购买成本等组成；运行维护成本主要包括系统中各发 电元件的日常维护成本，通常按年计算费用；元件置换成本主要是由于系统中的部分元件可能 由于寿命较短，需要更换而产生的置换费用。 为了综合考虑以上所提出的三项必要的投资成本，并尽可能的降低所使用的成本计算函数的复 杂性，本文采用综合成本函数对系统投资成本进行计算，其定义式如下：
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1.昼夜互补：白天太阳能发电，夜间风能发 电； 2.季节互补：夏季日照强烈，冬季风能强盛； 3.稳定性提高：利用风光的天然； 4.互补性强：大大提高系统供电稳定性； 5.零电费、零排放、零污染、节能减排、绿 色环保。
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1.风光互补发电系统与单一风力发电或光伏发 电相比，系统设计复杂，对系统的控制和管理 要求较高。 2.由于风光互补发电系统存在着两种类型的发 电单元.与单一发电方式相比增加了维护工作的 难度和工作量。 3.成本较高，在极端恶劣天气下有可能无法正 常供电。
式中：Cf、Cpv、Cbat分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的单价，单位元；Nf、Npv、 Nbat分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的使用数量，单位个；COM_f、COM_pv、COM_bat分别 为单位时间内风力发电、光伏发电、蓄电池充放电的运行维护成本，单位元/年；tf、tpv、tbat分别 为风力发电部分、光伏发电部分以及蓄电池部分的工作时长，单位年；Cf,R、Cpv,R、Cbat,R分别为 风力发电机、光伏电池板以及蓄电池的置换成本，若其使用寿命大于工程预运行时间，则其置换 成本计为0元。
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逆变器百度文库
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WPVS经济型控制器具有PWM充控制模式充电 具有电池反接、光伏电池反接保护功能，两路负 载过流、短路告警保护功能，两路负载多重控制 模式：光控、时控、全开放功能，电池过充和过 放告警保护功能，两路负载不同电压下保护功能 ，光伏输入端防雷保护功能，蓄电池温度补偿功 能，有效延长蓄电池的使用寿命系统异常告警保 护功能，RS485通信功能，工作状态和发电数据 可以实时上传，后台（可扩展GPRS无线， TCP/IP有线通信）光控开灯：天黑自动开灯， 天亮自动关灯。
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蓄电池组
作用
蓄电池(组)的作用是将太阳能风能 发出的直流电直接储存起来，供负 载使用。在风光互补发电系统中， 蓄电池处于浮充放电状态，当日照 量风量大时，除了供给负裁用电外， 还对蓄电池充电；当日照量风量小 时，这部分储存的能量将逐步放出。
特性
1 比较好的深循环能力，有着很好的过充和 过放能力。 2 长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保 证的长寿命电池。 3 适用不同的环境要求，如高海拔，高温， 低温等不同的条件下都能正常使用的电池。