1、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、
2、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。
3、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
4、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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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3.54h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。
11、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3:77:3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
12、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
13、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
14、，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
15、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。(2)适用的环境工作条件：温
16、度-1545；相对湿度95%；海拔1050m；海岛盐雾地区；年平均风速5.5m/s以上，风速330m/s;瞬时极限风速40 m/s；太阳辐射总量l50kcal/cm2；年日照3000h。(3)运行平稳、安全可靠，在无人值守条件下能全天候使用。（4）供电电压单相220V AC；供电频率50Hz。该平台系统供电负载如表3-2所示。 表3-2平台系统供电负载负载名称电压功率（W）日用电时间（h）中控系统24VDC8024雾笛、导航系统230VAC200雾笛:雾天工作/导航:12液压泵230VAC8001/3通信系统230VAC4024 设计过程1、根据用电负荷求得该平台的日平均功率约为200W，最大
17、日耗功率为270w。依此进行系统设计。2、负载功率较小，则蓄电池的电压确定为直流电压24V。3、假定负载满负荷工作的情况下，要求蓄电池在满充后至少可以持续提供给负载3天的电能。依据Q入=Q出 （用电器总用电量=用电器功率时间），则Ptd=(VCDc) 单位：安时（Ah)式中P-负载总功率；t-日用电时间（h）；d-自给天数；V-蓄电池的电压（V）；C-蓄电池容量（Ah)；Dc-蓄电池放电深度，取50%；-回路损耗率，取0.85；代入计算：270243=C240.50.85 C=1905.88（Ah）选用200Ah/12V，则需24/12=2块蓄电池串联；需1905.88/200=9.510块并
18、联共20块组成蓄电池组使用。4、风力发电机功率的确定 因为年平均风速5.5m/s以上，风速330m/s;瞬时极限风速40 m/s；属于风能资源丰富区。则太阳能电池发电提供的电量= 1/3用电器总用电量，风力发电提供的电量= 2/3用电器总用电量.。 在太阳能电池不能发电的天气里，通常是连续阴雨天，此时风速和持续时间均大大超过年平均风速和时间，根据气象资料及该站点的自然环境，在此取该时段内4级风(5.57.9m/s) 4h/d。 P1204h/d=(VCDc)+Ptd系统总功率P= 2000W/85% =235.3W；每月风力发电提供的电量为20天。代入P1204=2000240.50.85+2
19、35.32420P1=1666.76W根据风力发电机的规格及实际安装和使用的可靠性，取P1=2000W。实际配置为：1台EV - 02 -2000W风力发电机。5、太阳能电池功率的确定 在风力发电机不能发电的天气里，通常是连续晴天，而且每天日照时数大大高于年平均日照时数，根据气象数据和站点的自然环境，取6 h/d。系统总功率P= 2000W/85% =235.3W；每月光伏发电提供的电量为10天。代入 P2106h/d=(VCDc)+Pt10 P2106h/d=(2420000.5)0.85+235.32410 P2=1281.2W根据太阳能电池的规格及安装的方便美观，取P2= 1300W，选
20、用峰值工作电压为100瓦34伏的电池组件，则实际配置为：100W13块并联使用。6、逆变器和控制器的选型 根据负载需要，逆变器容量应大于或等于总用电功率，本系统用电器最大功率PL=270W，因此可选用300400VA的正弦波逆变器。可选用保护功能齐全的350W风光互补控制器。7、设备选型 表3-3水平轴风机风光互补的系统主要设备参数设备名称型号及规格数量设备尺寸风力发电机2000 W/24V1水平轴风机，风轮直径4米对风尾翼2m蓄电池12V，200AH20407174209(mm)/块太阳能板34V、 100W16120052640(mm)风光互补控制器350W1利用海岛上源源不断的风力资源和
21、太阳能资源相结合形成的离网型发电系统，推荐48V供电系统。从材质选择上，风光互补发电系统采用海岛专用型的小型风力发电机、具备防盐雾腐蚀功能的拉索塔杆，而太阳能光伏部分，太阳能光伏组件采用单晶硅A片，在防盐雾上也要做特别的处理，支架和夹具等都应具备表面钝化，并采用不锈钢材料生产。风光互补专用蓄电池储能部分按照地域区域可以分为胶体电池和铅酸电池两种，不论是采用玻璃纤维隔膜（AGM）的阀控式密封铅蓄电池，还是采用胶体电解液的阀控式密封铅蓄电池，都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的，适合在无人岛海岛上使用。另外，储能柜推荐使用钝化处理过的不锈钢来生产配置，可应付无人岛海岛这等恶劣的环境。 在无人岛海岛
22、的海岸线上立起一台台小型风力发电机，不但是装点无人岛的一道亮丽风景线，还满足了低碳工业和生态工业，不但充分利用的近海风力资源，还对环境牺牲小，效益大，形成典型事半功倍的供电效果。（二）20kW风光互补发电系统设计实例1. 20kW风光互补发电系统设计实例风光互补发电系统作为一个独立发电系统，从风力发电机、太阳能电池组件及储能系统容量的配置都有一个最佳配置设计问题，需要结合风力发电机、太阳能电池组件安装地点的自然资源条件来进行系统最佳容量配置的设计。 1)设计要点 (1)充分利用风能、太阳能可再生能源，保证常年不间断供电。 (2)适用的环境工作条件：温度-1545；相对湿度95%；海拔1050m
23、；沿海盐雾地区；风速330m/s;瞬时极限风速40 m/s；太阳辐射总量l50kcal/cm2；年日照3000h。 (3)运行平稳、安全可靠，在无人值守条件下能全天候使用。 (4)风力发电机及其充电控制器、逆变器不会对周围环境产生有害的电磁影响（符合 IECCIS - RR11要求）。 。 (5)风力发电机组的设计、制造、产品质量执行国家和行业有关标准，产品的质量保证 体系符合标准GB/T19001-2000、IS09001-2000的规定。 (6)太阳能电池符合IEEE1262-1995光伏组件测试认证规范、IEC1215晶体硅地面用光伏组件的设计质量认证和型式试验、国家标准GB/T1400
24、7 -92采用太阳能组件总规范、 GB/T14009太阳能电池组件参数测量方法。 (7)蓄电池组符合国家标准GB13337.1-91固定型铅酸蓄电池的规定，而且经过已取得GB/T15481认证资格的检测机构的测试。 (8)用电设备功率为20kW。因用电设备功率为20kW，所涉及的风光互补发电系统总功率 P20/85%23. 5kW式中，0. 85为逆变和交流线路供电效率。负载日平均用电量QLP23.524564 根据当地风力和太阳能资源，经计算风力发电机和太阳能电池组件不能同时发电的最大 连续时间为3d；太阳能电池组件不能发电的最大连续时间为12d；风力发电机不能发电的最 大连续时间为6d。
25、2)蓄电池部分 设计中蓄电池配置应注意如下几点： (1)每只蓄电池应有生产合格证，合格证上应标明蓄电池型号和生产日期。制造商应提 供型号产品国家认可质检机构出具的质检报告。蓄电池的生产时间靠近发货日期，存放时间 应不超过6个月。 (2)同一路充放电控制的蓄电池应采用同一生产厂家、同一规格和容量的产品，生产日 期的间隔时间应不超过1个月。 (3)蓄电池的工作环境气温宜保持在530。 (4)蓄电池的外观无变形、漏液、裂纹及污迹，标志清晰。 (5)蓄电池的并联组数最多不超过6组。蓄电池总容量计算为C=PNL/vDC 单位：安时（Ah) Cw=AQLNLT0/DC1.56431/0.72658.9kW
26、h式中：A为安全系数，取1.11.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数（自给天数）；T为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2；DC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。= 90%为蓄电池误差余量 若蓄电池组充放电电压为220V，则蓄电池容量Cw22012.09因此可选工作电压为2V的GFM型系列蓄电池，蓄电池总容量为12. 09kh，即6.0kAh2V。蓄电池串联块数为220V/2V=110块。蓄电池并联数蓄电池总容量蓄电池标称容量=12.09/6=2单位蓄电池容量选型：应选用6000A
27、h/2V的蓄电池220/块。其中选用6000Ah蓄电池110块串联，2组并联组成蓄电池组。实际蓄电池组总容量为6100Ah2= 12.2kAh。 3)风力发电机功率在太阳能电池组件不能发电的天气里，通常是连续阴雨天，此时风速和持续时间均大大超过年平均风速和时间，根据气象资料以及该站点的自然环境，在此取该时段内4级风(5.57.9ms) 4h/d，风力发电机不能发电的最大连续时间为6d，太阳能电池组件不能发电的最大连续时间为12d，说时风力发电机最低月份独立发电的天数要12天，光伏最低月份独立发电天数为6天。则以风力发电、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
28、功率。根据风力发电机最低月份的日平均发电量加蓄电池容量等于系统总用电量则风力发电机功率P1按下式计算 Q= Q1+Q2 P24h12d/月=P14h12d/月+CVDC 式中：Q1为风力发电机组的12日平均发电量 Q2 为蓄电池存蓄的电量 V为蓄电池组充放电电压为220V（系统电压） DC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75或0.7，碱性镍镉蓄电池取0.85。 = 90%为蓄电池误差余量 将C和P代入公式：23.52412=P1 412+12.22200.70.85计算得Pl=110.75kW。 所发风力发电机的规格实际配置为：1台100kW风力发电机。 4)太阳能电池板的确定在风力发电
29、机不能发电的天气里，通常是连续晴天，而且每天日照时数大大高于年平均日照时数，根据气象数据和站点的自然环境，取6h/d。太阳能电池功率P2按下式计算Q= Q1+Q2 P24h6d/月=P14h6d/月+CVDC 式中：Q1为光伏组件的6日平均发电量 Q2 为蓄电池存蓄的电量 V为蓄电池组充放电电压为220V（系统电压） 代入C和P，可计算得P2 =43. 18kW。 太阳能电池组件总功率为43. 18kW，选用140W单晶硅太阳能电池组件。其主要技术参数为：额定峰值功率140W；额定峰值电压34V；额定峰值电流4.5A。设计发电系统的额定直流电压220V。太阳能电池组件串联数Ns为 (4-39)
30、式中Vf 蓄电池浮充工作电压，取303V DC； Vi 串联回路线路电压降，取3V； Vm 光伏电池组件的峰值电压，34V。 ，取9块。 太阳能电池组件并联数Np为 Np=P/(NsP1) (4-40)式中P光太阳能电池方阵功率； Ns太阳能电池方阵组件串联数； Pl 太阳能电池组件峰值功率。 Np=43100W/(9140W)=34.3，取35组。太阳能电池组件实际数为 N= NsNp =935= 315（块）太阳能电池组件实际总功率为 N= NsNpPl =935140 =44100(W)设计中太阳能电池方阵安装场地的选择应注意以下两点： (1)太阳能电池方阵安装场地的选择应避免阴影影响，各子太阳能电池方阵间应有足够的间距，以保证全年每天当地时间上午9时至下午3时之间太阳能电池方阵无阴影遮挡。 (2)将太阳能电池方阵安装场地表面层夯实，并于场地周围设计排水沟。 根据当地地理、交通等情况确定采用固定式支架，为了全年均可较好地接收太阳辐射能量，太阳能电池方阵倾角确定为当地纬度+5。如果当地纬度为32，太阳能电池方阵倾角为32+5= 37。太阳能电池方阵方位角选择为使方阵全年接受日光照射的时间最长，选择的方位角为正南。 5)功率调节器 功率调节器主要由控制器、逆变器、交流配电柜、电子限荷器、输出防雷隔离器等设备组成。一般要求如下： (1)劝率调节器设备选型应满足风光互补发电系统设计
