风光互补发电系统简介

层是基于微处理器芯片的监控层，负责实现对单台
设备的运行进行优化控制和参数设定，同时具备与 上层通信的能力；顶层是基于微机的协调管理层，主
要用于现场数据处理，同时处理多台并列运行时的
协调控制及并网发电问题。
３．１监控层的主要功能
系统状态检测，如风速、太阳辐射强度、蓄电池 电压、负荷需求等运行参数；能量管理层负责系统的
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２００７年第３期 （总第２９６期）
风光互补发电系统简介
杜荣华，张婧，王丽宏，张兆祥 （华北电力大学控制科学与工程学院，河北保定０７１００３）
摘要：利用西部地区风、光资源，设计一风力发电机组和太阳能光伏电池为一体的风光互补发电系统。 通过一个实例，说明了供电系统的可行性，解决了当地日常用电问题。 关键词：风力发电机；太阳能光伏电池；控制器；风光互补发电系统 中图分类号：ＴＭ６１文献标识码：Ａ文章编号：１００４—７９４８（２００７）０３—００３６—０３
题。按照能源的可持续发展观，在合理利用常规能 源的同时，要积极开发可再生的新能源。其中风能 和太阳能都是清洁型新能源，合理有效地使用就是
节约了常规能源。随着风力发电技术和光伏发电技 术的日趋成熟，为风光互补发电系统可行性奠定了 必要基础，具有较好的应用前景。 参考文献
［１］陆虎瑜，马胜红．光伏一风力及互补发电村落系统［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２００４．
对于运行时间较长的中小型污水处理厂，大都 存在工艺落后、设备老化、能耗较高等问题，但在节 能方面也存在较大的节能潜力。如果能采取相应的 节能措施，会取得很好的节能效果。唐山东郊污水 处理厂、新区污水处理厂等的实践证明，采取变频调 速技术、选用新型节能泵、合理选择水泵运行台数、
改善曝气设备、改良曝气方式等节能措施后，能耗及 污水处理成本有了显著降低，而且还大大减轻了工
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风力发电电站机组设备３台，单台设备的主要
性能参数：额定功率１０ｌ涮；启动风速３．４ｍ／ｓ；额定
风速１３．０ ｍ／ｓ；偏航风速１５．６ｍ／ｓ；最大设计风速 ５０ ｍ／ｓ；风轮直径６．２ ｍ；传动方式：风轮直接驱动 发电机（无需齿轮箱）；温度范围：一４０－６０＂Ｃ。
作者简介：李海英（１９７１一），女，河北唐山人，博士，副教授， 从事能源与环境方面的科学研究。 收稿日期：２００６—１１—０８；修回日期：２００７一０１—２５
万方数据
２００７年第３期 （总第２９６期）
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板矩阵组成，完成风能一电能、光能一电能的转换。 （１）风力发电部分是利用风力机将风能转化为
供电模式切换及负荷控制问题；通讯控制实现与顶 层管理系统通信，提供系统所需要的运行及设备参
数，同时根据指令改变系统的运行工况。
３．２协调管理层的主要功能
通信，包括与底层监控层通信，获得运行参数和
向监控层发送控制指令，调整系统的运行状态；数据
采集是顶层协调管理层运行的基础，通过与底层监
控层的通信来获得发电系统的运行参数和设备状
机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再通过控 制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风力
机一般为水平轴、上风向、三叶片布置【２】。风力机 输出功率：
Ｐ＝０．５ｐｒＲ２Ｖ３Ｃｐ
（１）
式中：Ｒ为风轮半径；Ｖ为风速；Ｃ。为风能利用系
数，最大值为０．５９３。
风轮叶片有定桨距和变桨距之分：定桨距风力
机在额定风速以下的风速范围内，ｃ。没有达到最佳
具有最大值。发电过程中，电池的内阻不仅受日照强
度的影响，还受环境温度及负载的影响。要想在光伏 发电时得到最大功率，必须不断改变阻抗的大小，从 而达到光伏阵列与负载的最佳匹配，实现大电流、高
电压的输出，提高系统的效率。 ２．２控制器和直流控制中心
完成系统各部分的连接、组合以及蓄电池充电
的自动控制。该装置能根据日照强弱、风力的大小 及负荷的变化，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负 载或交流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池 组储存。当发电量不能满足负载需要时，控制器又 把蓄电池的电能送往负载，使其在充电、放电或浮充 电等多种工况下交替运行，从而保证风光互补发电
—６３４．
［３］褚俊英，陈吉宁，邹骥，等．城市污水处理厂的规模与效率 研究［Ｊ］．中国给水排水，２００４，２０（５）：３５—３８．
［４］于树海．变频调速器在鼓风机上的应用［Ｊ］．制造业自动 化，２００３，２５（６）：５４—５５．
［５］陈毓陵，徐辉．大型污水泵站节能途径研究［Ｊ］．水泵技 术，２０００，（４）：１７—２１．
２风光互补发电系统
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、蓄电池组、逆变器、直流交流
负载等部分组成。系统结构图见图１。一
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２．１发电部分
，一般由一台或几台风力发电机组和太阳能电池
图１系统结构图
２．５曝气鼓风采用变频调速技术 由于鼓风机的风压是一定的，风量只能靠出气
阀调节，实际生产过程中出气阀的开度一般只有 ５０％－７０％，如果采用变频调速系统控制风量，节能 效果很显著。例如风机功率为１１０ｋｗ时，采用变频 调速前，电流为１２０～１３０Ａ，采用变频调速技术后， 电流为７０～８０Ａ，每年可节省电量２１万ｋＷｈ。此 外，采用变频调速技术轴承等的机械磨损减少，寿命 延长，维修工作量减少，而且电机可以软启动，对电 网的冲击大幅减少。 ３结论
［２］叶航冶．风力发电机组的控制技术ＩＳ］．北京：机械工业 出版社．２００２．
［３］娄承芝．风光互补发电控制系统的研究与开发［Ｄ］．天 津：天津大学，２００４．
［４］王春明，周强，王金仝，等．风一光一柴互补供电系统［Ｊ］．解 放军理工大学学报（自然科学版），２００５，６（５）：４７４－４７８．
系统工作的连续性和稳定性。 ２．３蓄电池
蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载
两大作用【４】。它将风力发电机和太阳能电池输出
的电能转化为化学能储存起来，以供电能不足时使
用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍
蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、
性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善， 得到了广泛的应用。
值，输出功率低；超过额定风速后，Ｃ。偏离最佳值， 输出功率降低。变桨距风力机，启动时通过调节桨
距角可以使Ｃ。增大，输出功率较大；超过额定风速 后，通过调节桨距角使Ｃ。保持在最佳，输出功率保 持在额定值。发电机多数采用笼型异步发电机。
（２）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效
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应将光能转化为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变 器将直流电转化为交流电对负载进行供电。理想的
发电站、４０ｋＷｐ光伏电站和３０／２０ｋＷ风光互补电 站。供电方案及投资比较见表１。
表１三种不同供电方案比较分析
。。月平均风月平均辐射月平均用 帅ｋｗ风力发 加ｋｗｐ太阳能３０脚ｋｗ风光互 …。速／ｍ·ｓ一１量伽·ｍ一２电ｔ／ｋＷｈ 电站／ｋｗｈ光伏电站／ｋｗｈ 补电姑／ｋｗｈ
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将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳
能发电互补的结构形式，具有较广的应用范围。
３控制系统
风光互补发电过程控制系统比较复杂，工业上
采用过程控制技术对该系统的运行工况进行监测控
制和智能化管理。根据系统的特点，现场控制层是
对各类传感器、变送器和执行器的控制，实现对现场
数据采集和过程控制。智能监控系统分为二层：底
态；协调控制层通过对系统的运行参数进行监控，灵
活点改变各设备的运行工况，达到最优。
４实例
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青海属典型的高原大陆性气候，夏季日照时间
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长、辐射量大，冬季寒冷多风。该地区每年的４～９ 月太阳能辐射最高，１０月到次年的４月风力资源最 丰富。夏秋季太阳能辐射强而风能弱，冬春季太阳 能辐射弱而风能强，为风光互补发电系统应用提供 了良好的基础。根据当地的实际发展情况，预计基 本生活用电负荷电量将达到５００００ｋＷｈ。在满足用 户负载的前提下，提出三种建电站方案：９０ｋｗ风力
最大用电负荷和平均用电量。经过计算分析，２００３ 年青海省新能源研究所在海西州天峻县阳康乡建成 的５０ｋＷ风光互补电站，该系统采用风力发电为主、
光伏发电为辅的方案，配备了３０ｋＷ风力发电机组 和２０ｋＷ太阳能电池组。 ５结语
能源和环境是当前人类生存和发展迫切要解决 的问题。常规能源如煤、石油、天然气，储量随利用 时间的增长而日益减少，且带来严重的环境污染问
２．４逆变器
由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中
的直流电能变换成为标准的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。
风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电， 同时可用蓄电池充电，然后靠蓄电池向负荷提供稳
定的电能。若用户使用交流电器，通过加载逆变器，
ＰＮ结太阳电池ｊ—Ｖ方程［３Ｊ
％／ＫＴ
Ｉｓ＝，。一ｆ。（Ｐ９ —１）
（２）
式中：ｋＶ。为光伏电池的输出电流和输出电压； Ｊｒ鼢，。为光伏电池的短路电流和ＰＮ结反向饱和电
流；Ｋ为波尔兹曼常数，Ｋ＝１．３８×１０＿２３Ｊ尿；Ｔ为
温度；ｑ为电子电荷量，ｑ＝１．６×１０－１９Ｃ。 在一定温度、日照条件下，光伏电池的输出功率
在系统中，太阳电池方阵是维护工作较少的一 个部件。定期用水和温和的清洁剂清洗清洁太阳电 池方阵（避免使用有溶解力和浓度高的清洁剂，切忌 使用具有腐蚀性的溶剂冲洗），且最好在早晚时清
洗。风力发电机组的机械部件要定期润滑。 通过对三种供电方案分析计算：独立风力发电
机组７、８、９月发电量最低，风力发电系统在各月所 发电量的稳定性较差，在风力资源较好的月份其能 量输出较大，高出日常用电需求量；在风能资源较差 的月份能量输出较差，不能满足日常用电需求量。 独立太阳能光伏发电１１、１２、１月发电量最低，光伏 发电系统其供电保证率较好，能量输出较风力发电
人的维修劳动量，为企业的发展创造了良好环境。 参考文献 ［１］张力，张善发．城市污水处理厂节能的技术对策［Ｊ］．上海
水务，２００３，１９（２）：１８—２４． ［２］Ｐａｕｌ Ｅｉｓｅｎｈａｒｄｔ，Ｇ．Ｄａｖｉｄ Ｗａｌｔｒｉｐ．Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，１９９９，３０（２）：６２８
１引言
风光互补发电系统是利用了当地风能和太阳能
资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发
电系统［１｜。风能和太阳能具有天然的互补优势：白
天太阳光强，夜间风多；夏天日照好，风弱；冬春季节
风大，日照弱。本文通过青海海西州的一个风光互
补发电站的实例，介绍发电系统的基本原理和控制
系统，并分析系统的使用情况。
光伏电池选用多晶硅太阳能电池组件，方阵由 ２０个子方阵组成，每个子方阵由１８块组件串联而
成。太阳能电池组件标称功率：８５Ｗｐ；转换效率≥ １２％；最大功率电压１６．５～１７．５Ｖ；最大功率电流 ４．８６－５．１６Ａ；开路电压２１．５Ｖ；短路电流５．０Ａ。
风力发电的优点是发电量高、造价低、运行维护 成本低；缺点是可靠性低。光伏发电的优点是供电 可靠性高，运行维护成本低；缺点是系统造价高。另 外两者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，需通过蓄电池才 能稳定供电。
系统要稳定许多。风光互补发电系统虽然供电保证 率比光伏发电系统要略低，但由于太阳能、风能资源
的互补性，使得输出能量品质相对最好，互补发电系 统达到了设计要求。
设计风光互补发电系统，要遵循风力发电系统 与太阳能光伏发电系统设计思路和要领，充分利用
两者的互补特性，合理确定容量的比例，处理好控制 方式与负荷变化的关系，体现出互补的优越性。一 般来说，系统配置应考虑的因素有：（１）风能和太阳 能的资源状况；（２）用电负荷的特性，主要指用户的