家用风光互补独立供电

家用风光互补独立供电（精选7篇）

篇1：家用风光互补独立供电

家用风光互补供电系统

3HZ-F系列风光互补发电系统适用于供给沿海岛屿，江湖，渔船家庭的照明﹑彩电，DVD，电脑及小电器用电，白天有太阳光和风力，或虽然阴天但有风，本系统将太阳能和风能转换为电能一方面由逆变器输出交流电供家庭使用，一方面给电池充电将电能存储起来。晚间由电池供电逆变器转换为交流电供家庭使用，晚间如有风还能继续提供电能。万一遇到阴天又无风的时候，存储在电池的电能仍然能维持正常供电8-12个小时。

3HZ-F系列风光互补发电系统能最大限度地利用大自然的太阳能和风能，不但清洁环保而且是免费的。风光互补发电系统的造价比单纯太阳能发电系统低，保证供电的时间长，是新能源家族中比较理想的一种。

3HZ-F系列风光互补发电系统由太阳能光伏电池板，风力发电机，蓄电池和充放电逆变一体机四部分组成，对太阳能和风力发电机给蓄电池充电及蓄电池放电由CPU进行自动控制，有防反接，过压过流和欠压保护，对风力发电机有刹车保护。

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篇2：家用风光互补独立供电

风光互补供电系统在高速公路外场监控中的应用研究

针对高速公路外场监控设备采用电缆直接供电不便的问题,介绍了利用风光互补系统对外场监控设备供电的方案.通过分析南光高速外场监控设备的实际用电需求, 计算了太阳能光伏电池阵列、蓄电池、风力发电机的.配置方案.

作 者：谢朋朋 XIE Peng-peng 作者单位：深圳高速公路股份有限公司,广东,深圳,518026刊 名：湖南交通科技英文刊名：HUNAN COMMUNICATION SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：35(3)分类号：U4关键词：高速公路 外场监控 风光互补 供电系统

篇3：家用风光互补独立供电

一、3G基站的电源种类

电源是通信系统的核心，是确保通信网络建设的基本保障。供应3G基站的电源种类有很多，其中主要有：市电、柴油汽油及燃气发电机、风能发电、太阳能光伏供电、风光互补供电等等。首先、市电在品质、电压波动范围、稳定性等方面都能符合基站供电的要求，是基站供电的首要选择。其次、汽油、柴油、燃气等发电系统在供电品质及稳定性等方面相对比较稳定，但是其弊病在于需要定期保养及加注燃料以确保供电的连续性，从环保上讲，此种方法存在一定的环境污染与噪音污染。第三风力发电系统能实现风能到电能的转化，其最大的优势在于无污染性及可再生性，因此在节能环保方面非常良好，但其弊病在于，当天气没有风或者风力不足时就会导致供电中断，此种方法主要适用拥有丰富风能资源的地区。第四、太阳能光伏供电系统。该系统具有很高的可靠性、耐用性、并且无噪音无污染，其主要是利用太阳能电池板将光能转化为电能，但是其也存在不稳定性，当阳光照射不充足时，就可能导致停止供电，同时其系统的转化效率非常低，此种方法主要适用于日照比较充足的地区。第五、风光互补供电系统。此系统是将风能发电系统与太阳能光伏发电系统相结合，发挥出两者的优点，并且将风能和光能供电中出现的问题一并解决，从而有效的提高了供电系统的连续性和稳定性。

二、风光互补型发电供电系统具有的优势

(1)独立型的风光发电互补系统向3G基站供电的成本远远低于太阳能辅助供电系统向3G基站供电的成本，因为，3G基站在使用太阳能辅助供电系统时必须要几十千瓦的供电设备才能完成。(2)风光互补发电系统对3G基站进行供电时可以不依靠电力系统，从而节约了用电，对环境也有保护作用。平均每个3G基站一年可以省掉一万元左右的电费。普通的一个省里大约存在1万个3G移动基站，按照每个基站每年节约1万元电费计算的话，一个省每年就可以节省1亿元人民币的电费，数目相当巨大。(3)稳定性。风光互补供电系统可以省略人力看守这一环节，并且3G系统就可以对其进行有效的必要的系统控制，从而大大的节省了人力资源以及维护费用。(4)该系统可以在任何条件下都能确保正常供电，克服了没光有风，有光没风就不能供电的缺点。三、风光互补供电系统的主要组成部分及工作原理风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器、交流直流负载等部分组成了风光互补供电系统，此项系统是将风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术融合为一体，通过智能控制技术进行控制的复合型可再生资源发电系统。其系统结构如图所示：

当在白天阳光充足的情况下，太阳能电池板的光伏效应可以有效的将光能转变为电能，从而完成对蓄电池的充电。风力发电部分则是通过风力机实现风能到机械能的转变，在利用风力发电机完成机械能到电能的转变，最后利用控制器完成对蓄电池的充电。而逆变系统的作用则是将蓄电池中存在的直流电转化成标准的交流电，从而确保交流电负载的正常运行。控制部分的作用则是以光照强度、风力大小以及负载变化为基础，对蓄电池组的运行状态不断的进行切换和调整，主要表现为一是将调整过后的电能输送给直流或者交流负载;二是对过多的电能输送到蓄电池组进行出巡。这样当发电量满足不了负载需要的情况发生时，控制器就可以将蓄电池内的电能输送到直流或者交流负载，从而确保整体系统运行的稳定性和连续性。

四、应用方案

为了解决3G基站的供电问题，并将节能减排政策落到实处，通信行业将风光互补发电系统很好的利用起来，并进行了试验、测试，为今后解决供电问题提供了良好的参考。

(1)实测数据分析在某个无遮挡物且资源较好地区的基站，其基站负载情况是：主设备为170瓦功率的ZXSDR，其他设备的功率为30瓦。采用8块12伏、200安时的蓄电池组成一个48伏、400安时的电池组，其可在无风，无光的情况下运行72小时。在市电断开的情况下，基站正常运行所需电流值为4A，大约200瓦，而风光互补发电系统的发电量完全可以满足此电流值，因此得出结论，风光互补设备在通常情况下提供的电流都能确保基站设备的正常运行。数据显示，风光互补发电设备每天输出功率大约在368瓦左右，经测试统计实际平均每天发电为6.16千瓦时，因此每年的发电量在2257.8千瓦时，而耗电量在1752千瓦时。(2)风光互补供电系统建设时应注意的事项只能在市电不稳定及无法引入且投资成本在六万元以上的情况下才能建设该系统;受到机械运动的影响，系统一定会有不同程度的磨损，其使用寿命相对短，因此在使用过程中要谨慎。该系统所使用的电池容量要比市电站点的容量大，所以要加强防盗手段。地域及气候对其影响较大，在选址时必须要求四周没有遮挡物。

五、结束语

风光互补供电是一种很理想的3G基站供电方式，其可以更好的保护生态平衡，减少环境污染，更能有效的节约非可再生资源的使用，具有很重要的经济和社会效益。

参考文献

[1]吴剑,方元昌.风光互补供电技术在3G基站的应用[J].电信技术,2011,03:48-50

[2]许国亮.通信基站风光互补供电系统设计与应用[J].广东科技,2011,10:48-50

篇4：家用风光互补独立供电

关键词：风能太阳能；风光互补发电；公路机电外场设备

中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0096-02

随着新疆公路里程和道路服务水平的不断提高，近年来公路发展呈现两个特点：一是在城镇化较高的区域交通量增长迅速、路网加密，对全程监控、信息诱导等监控外场设备需求明显提高；二是公路不断向城镇稀少、地形复杂的山区延伸。目前公路沿线的外场设备主要有监控摄像机、车辆检测器、气象检测器。随着公路沿线外场设备数量和密度的需求不断加大，设备供电方式的选择直接影响道路运营成本，外场设施供电难度大的问题也日益凸显。

1 交通运输部、新疆交通运输厅对公路外场监控设备布设的要求

2012年交通运输部发布了《关于高速公路监控技术要求、高速公路通信技术要求和公路网运行监测与服务暂行技术要求的公告》（交通运输部公告2012年第3号）。三项“技术要求”的同时发布，对指导和规范公路网运行监测与服务系统的建设、运行与管理，保障全国高速公路和重要国省干线公路以及重要公路设施的稳定运行，加强国家干线公路网运行监测与科学管理，提升国家干线公路网安全性能和服务质量，提高公路突发事件应急处置能力和公共服务能力，实现国家干线公路网“可视、可测、可控”的发展目标以及为人民群众提供安全、畅通、便捷、绿色的公路出行服务等方面具有重大而深远的意义。《公路网运行监测与服务暂行技术要求》明确提出通过建立部、省两级路网监测点网络，实现对重要通道上的重要路段、长大桥隧和区域交通状态等的实时监控，并为已建、新建、改（扩）建的（高速）公路的监测体系提供技术保障。其中，新建高速公路应同步建设监测设施与系统，已建成高速公路应逐步完善监测设施与系统，国省干线公路应结合路网改造与养护工程逐步升级监测设施与系统。

2 新疆公路外场设备采用风光互补电源系统的优势

众所周知风能和太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补使得这样的系统在资源上具有最佳的匹配性，可实现连续、稳定发电。所以，风光互补新能源供电系统也是资源条件最好的独立电源系统。

2.1 新疆自然环境优势

新疆地处欧亚大陆腹地，属于温带大陆性干旱气候，太阳能资源丰富，仅次于青藏高原，居全国第二；风能资源也较丰富，属于全国风能资源三大丰富地区之一。根据新疆公路沿线外场设备分布情况，站点布设区域平均风速可达3m/s，而目前小型风力发电机启动风速2.5m/s，可以确保风力机正常启动工作。

2.2 供电稳定性

目前新疆全区外场设备一般在易接市电（离居民区近）的地方，采用接市电方式供电，但受电缆线路老化、损坏及缴费等情况的影响，随时存在停电可能性，造成数据缺失，直接影响公路沿线监控、交通量、气象等数据。在戈壁、沙漠公路、山区等无法接市电的地方，交调设备目前采用太阳能光伏板单一供电，但多在阴、雨、雪天气和蓄电池充电不足情况下，太阳能板供电不足，无法为设备提供正常电源，造成数据缺失，也直接影响公路沿线交通量等数据。风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，对气象资源的利用更加充分，可实现昼夜发电。在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。独立供电，在遇到自然灾害时不会影响到全部用户的用电。

2.3 维护难易度及推广性

市电供电地埋电缆更换困难，需开挖沟、拆除旧电缆、重新铺设新电缆，维护难度较大，推广程度受电网布线制约。太阳能供电后期维护主要定期更换蓄电池，更换方便，维护难度小，推广程度受环境、气象规律影响。风光互补供电相对于太阳能供电增加了风力机，后期维护主要定期更换蓄电池和进行风力机保养。风光互补供电系统为低压供电，运行安全、维护简单，电力设施维护工作量及相应的费用开销大幅度下降。蓄电池更换方便，风力机保养较简单，维护难度略大于太阳能供电，远小于市电供电。

2.4 经济效益和社会影响

以往监控外场设备采用埋地电缆方式接引市电供电，一般在离电源点三公里以上的地方，供电线路的建设成本占比就较高，随着里程的增加，线路上消耗的电能也多，还需要设升压系统，投资成本逐渐增大。而风光互补供电是独立供电源，不需要埋设输电线路，无线路消耗电能，有明显的经济效益。而且，当前高速公路沿线监控外场设备供电采用的低压电缆被盗现象十分严重，运营管理部门每年投入电缆维护费用较高，影响公路正常运营管理。采用风光互补供电方式可以解决道路沿线低压电缆被盗的问题，还可以降低投资成本、节省后期运营费用。

基于目前新疆地区外场设备的供电现实，风光互补系统不受电源点的影响，充分利用新疆独特的资源优势，现场施工和安装都较方便，综合效益好。相比传统的设备供电方式，风光互补还具有节能减排、集约友好、无后期电费支出、免除电缆铺线等优点。本项目拟提出经济、环保、安全、稳定的外场设备供电方式——风光互补供电，它的推广应用将开启新疆外场设备供电方式的新篇章，具有重大现实意义。

3 国内外风光互补发电研究现状

1981年，丹麦的N.E.Busch和KΦllenbac首次提出了将风能和太阳能相结合应用的初始问题，但是系统非常简单，只是由风力机和光伏电池组件拼装而成。美国的C.L.Aspliden在有关风能、太阳能混合转换系统的气象问题上进行了一定的探索，1982年我国的余华扬等也提出了太阳能-风能发电机的能量转换装置，风光互补发电系统的研究从此开始进入快速发展和实际利用阶段。

4 目前外场设备供电中存在的问题

新疆公路机电外场设备供电方式的决策模型。

新疆风光互补供电系统供电效率的影响因素及其量化指标。

新疆不同地区外场设备风光互补供电系统的最佳组合。

通过对外场设备风光互补或太阳能供电系统蓄电池的维护研究，延长蓄电池的使用寿命和预报警功能。

5 结语

基于目前新疆地区外场设备的供电现实，风光互补系统不受电源点的影响，充分利用新疆独特的资源优势，现场施工和安装都较方便，综合效益好。相比传统的设备供电方式，风光互补还具有节能减排、集约友好、无后期电费支出、免除电缆铺线等优点。提出经济、环保、安全、稳定的外场设备供电方式——风光互补供电，它的推广应用将开启新疆外场设备供电方式的新篇章，具有重大现实意义。

参考文献

[1] 尹静，张庆范.浅析风光互补发电系统[J].变频器世界，2008，（8）：43-45.

篇5：家用风光互补独立供电

目前, 电能是国民经济发展和居民生活所必须的能源。过去, 依靠传统能源煤炭提供的电能, 促进了人类文明的发展, 但是也产生了大量CO、SO2、粉尘和CO2等污染物。CO通过呼吸进入人体血液内, 与血红蛋白结合, 降低血球携氧能力, 并抑制、延缓氧血红蛋白解析与释放, 致使身体组织缺氧坏死, 甚至危及人的生命;SO2是一种无色、危害人的呼吸中枢的有毒气体, 可引起头痛、神智不清等症状;粉尘是产生雾霾的元凶, 容易引发呼吸系统疾病、心血管系统疾病、血液系统、生殖系统等疾病, 长期还会诱发肺癌、心肌缺血及损伤, 对人民身体健康造成重大危害;CO2引起温室效应, 使两极冰川融化, 海平面升高, 危及沿海城市安全, 同时, 大气温度升高, 造成海洋中吸收CO2的某些藻类植物大肆繁殖, 致使吸收CO2的浮游藻类死亡, 间接地影响渔业繁殖。

当前, 世界各国逐渐认识到污染对人类的危害, 更清楚地认识到传统能源煤炭对环境和生态系统造成的不可逆转的破坏, 各国纷纷根据各自国情, 加大治理已经恶化的环境, 并把风能、太阳能、水能和潮汐能等清洁能源作为优先发展的方向。而风光互补发电系统利用风能、太阳能自然存在的优势互补性组成全天候发电系统, 具有较高性价比, 在偏远农村、山区、温室大棚等领域被应用, 具有很好的应用前景[1~5]。

2 风光互补发电、蓄电、供电系统

风光互补发电、蓄电、供电系统主要包括风力发电系统、太阳能发电系统、风光互补控制器、蓄电系统、交流负载、直流负载、逆变器、卸荷器, 发电、蓄电、供电与电能管理系统如图1所示。

2.1 风光互补发电、蓄电、供电系统工作原理

发电系统由风力发电机和太阳能光伏电池板组成, 风能带动风叶旋转, 通过传动机构将能量传递给风力发电机, 带动风力发电机旋转, 风能转变为电能。同时, 太阳光照射光伏电池板, 将光能转化为电能, 经过整流、DC/DC变换、风光互补控制器、稳压, 一方面通过母线直接向直流负载供电, 另一方面经逆变器逆变为220V交流电向交流负载供电;剩余的电量通过双向DC/DC变换器储存到蓄电系统, 供发电不足时使用, 起电能调作用;风能、太阳能发电量超出交、直流负载和蓄电系统用电时, 卸荷器无极卸荷, 将多余电能释放。

2.2 风力发电机

该系统采用钕铁硼稀土永磁三相交流风力发电机, 启动风速低, 启动风速3m/s, 正常工作风速3~25m/s;叶轮直径3.2m, 叶片数量3片, 额定功率2kW, 实际发电量比其他风力发电机提高了25%;安全风速最高可达40m/s, 风速过高时, 可手动或自动刹车。

2.3 太阳能电池板

该系统采用采用高强度低铁钢化玻璃、高性能抗老化EVA、耐候性优的TPT复合膜层压而成的单晶硅太阳能电池板, 透光率和机械强度高, 发电效率高;单板最大功率150 W。

2.4 风光互补控制器

风光互补控制器是集风能、太阳能控制于一体的控制器, 依据风力大小、日照强度以及负载情况, 控制风力发电机和太阳能光伏电池板, 将风力发电通过整流、DC/DC变换、太阳能发电通过DC/DC变换为稳定的直流电, 分别向直流负载供电或者通过逆变器向交流负载供电;剩余的电能通过双向DC/DC变换储到由蓄电池组成的蓄电系统, 当风力、太阳能发电超出蓄电系统和负载需求时, 多余电能通过卸荷器无极卸荷释放掉;当风力、太阳能发电不能满足负载用电需求时, 风光互补控制器通过双向DC/DC变换器把蓄电系统的电能送往负载, 保证供电系统工作连续、稳定, 起电能调节和平衡负载两大作用, 提高了电能利用率。同时该控制器具有自动或手动风机刹车保护系统, 提高了风力发电机安全系数。

3 风光互补发电、蓄电、供电系统应用

目前, 我国还有8亿多人口居住在偏远农村、山区, 大约有4000万人还未接通电力。而偏远农村、山区蕴藏的风能、太阳能及其丰富, 可以将其转化为电能, 供偏远农村、山区居民生活、生产用电, 解决架设电力线昂贵的难题, 同时, 也可减少煤炭的利用量, 减少污染物排放, 为解决雾霾提供一种可借鉴的发电方式, 促进偏远农村、山区脱贫致富、可持续发展。该系统已经在部分偏远农村、山区应用。

4 结语

风光互补发电、蓄电、供电系统利用风能、太阳能的互补特性实现全天候发电, 比单用风能和太阳能更经济、科学、实用。风光互补控制器是集风能、太阳能控制于一体的控制器, 提高了电能利用率。实际运行表明:该系统运行安全、稳定、可靠, 性价比高。

参考文献

[1]张薇薇.风光互补发电系统的发展与应用[J].现代工业经济和信息化, 2015, 96 (12) :48~49.

[2]贾传圣, 李龙康.风光互补发电的研究[J].通讯电源技术, 2019, 29 (5) :20~22.

[3]苏龙嘎.内蒙古锡林郭勒盟农牧区移动式风光互补发电系统应用[J].农业工程, 2012, 2 (5) :27~28.

[4]张文忠.风光互补独立供电系统的应用[J].自动化应用, 2014 (2) :72~73.

篇6：家用风光互补独立供电

随着青藏铁路的通车以及林芝和阿里机场的通航, 西藏旅游业迎来了一个新的发展时期。在“十一五”期间, 西藏接待国内外游客达2125万人次, 年均增长30.6%;实现了旅游总收入226.2亿元, 年均增长29.8%。旅游人数的日益增多在给西藏经济发展带来强劲动力的同时, 也给通信运营商带来了巨大的机遇和挑战。完善的网络覆盖与良好的通话质量不仅可以进一步促进旅游业的发展, 还可以提升用户对运营商品牌的忠诚度, 提高运营商的企业形象, 加大运营商高端客户的市场份额。因而, 如何在市电不能满足通信需求的地点建站以便为用户提供良好的通信服务, 成为了运营商亟待解决的问题。

西藏地区拥有丰富的太阳能和风能资源, 利用太阳能、风能来解决基站的供电, 不仅可以解决在无市电地区建站的问题, 还可以达到节能减排的目的。据有关专家预测“全球石油、天然气、煤炭的储采年限分别仅为46年, 59年和118年”。而太阳能与风能是取之不尽、用之不竭的清洁、无污染的可再生能源。与传统的单一使用太阳能比较而言, 因为风能与太阳能在时间和地域上具有天然的互补性, 所以风光互补发电具有更高的可靠性。因而, 在通信基站中采用风光互补的方式来供电具有良好的应用前景。

2、系统组成及工作原理

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, 系统结构如 (图1) 所示。

风力发电机组由将风能转化为机械能的风机和将机械能转化为电能的发电机两部分组成。有风时, 风带动风机转动产生机械能, 发电机再利用风机产生的动能转化为电能。太阳能光伏电池组由太阳能电池板串联与并联构成, 太阳能电池利用光电转换原理将太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能。蓄电池组由多只蓄电池组成, 在系统中起着储存和调节电能的作用, 当日照充足或风力很大而导致产生的电能过剩时, 蓄电池将剩余的电能转变成化学能储存起来;当风力、日照不佳时, 则由蓄电池向用电设备提供电能, 并保持供电电压的稳定。逆变器将直流电转变为交流电, 以供交流负载使用。控制器根据日照强弱、风力大小和负荷的变化不断切换和调节蓄电池的工作状态。当电能充足时, 控制器将系统产生的电能送往负载, 并控制太阳能光伏电池组和风力发电机, 将剩余电能以合适的充电电流和电压送入蓄电池组储存;当发电量不能满足负载需要时, 控制器控制蓄电池向负载供电, 同时还能起到避免蓄电池过充电和过放电的作用。泄荷器的作用是当蓄电池已被充满, 系统发电量大于负载用电量时, 为防止蓄电池过充和确保逆变压器正常工作, 控制器会自动接通泄荷器, 将多余的电能通过泄荷器消耗掉。

3、系统应用

3.1 自然资源评估

基站位于西藏那曲地区, 海拔约4400米, 经度81.91331°, 纬度30.01425°。由NASA数据可得该地区年平均温度11.22℃, 年平均风速为4.7m/s, 年平均光照时间为5.27KWh/m2/d, 通过NASA数据得到该地的太阳能风能资源如图2所示, 从图2中可看出该地区太阳能风能资源丰富且具有良好的互补关系, 因而适于采用风光互补供电系统来为基站供电。

3.2 基站负载情况分析

基站采用-42V供电, 包含设备及各设备功耗如 (表1) 所示:

由表1知基站负载功率0.95KW, 全天24小时工作, 日用电量=0.95kW24h=22.8kWh, 即每天消耗22.8度电。

3.3 系统配置

蓄电池容量按当地无风无光日为2天, 放电深度50%来考虑, 利用式1计算蓄电池容量。

式 (1) 中P1为日平均耗电量;N1为自给天数 (系统在没有任何外来能源的情况下负载仍需正常工作的天数) ;Kb为安全系数;V为工作电压。按照式1计算蓄电池总的容量为1900Ah, 故采用2组48V/1000Ah蓄电池。

通信电源要求具有很高的可靠性。在西藏地区, 太阳能资源较于风能而言, 更稳定。因而首先利用式2按照独立的太阳能发电系统来设计。

P为太阳能电池的总功率;J为当地的气候指数, 一般取1～1.45之间, 本设计取值为1.1;U为太阳能输出电压, 本设计取48V;I为系统最大工作电流, 本设计取20A;T为蓄电池最大供电时间, 本设计采用48小时;N为蓄电池补充充电时间, 本设计取3天;H为基站所在地的有效日照时间, 本设计取7小时;ρ为控制器效率取0.95;由此可计算出独立太阳能发电系统, 太阳能电池板的输出总效率为:6351.87W。

太阳能电池板每天有效发电量为:6351.87W×7h=44463.1Wh。故采用风光互补发电系统也应该每天提供44463.1Wh的电量。根据气象数据以及基站所处地理位置, 考虑太阳能与风能资源, 按照6:4的比例设计。6351.87W×0.6=3811.122W本设计采用12V/120W的太阳能电池板32块单片, 采用4串8并的连接方式。

风机根据年平均风速选用额定输出功率为5 K W的风力发电机, 风机每天的电量输出可以利用风机的功率输出曲线和风速频率分布图, 利用公式Q=∑PVTV来计算。Q为风力发电机在一天内的总发电量, Pv为在风速V时风力发电机的输出功率, 根据风机的输出功率曲线确定。Tv为场地风速V时的累计小时数, 考虑每天风速的变化差异较大以及数据统计的难度, 我们采用工程中采用的经验算法:

式 (3) 中W为风机每天输出的电能;P为风力发电机的输出功率, 13%～15%为风能系数。由于基站所处位置风力资源充足, 可选择15%。计算可得每天的风力发电机的输出功率为3.6KWh, 由此可得需要5 K W风机的数量为1台。

故本系统采用2组48V/1000Ah的蓄电池组, 32块12V/120W的太阳能单片, 5 K W的风机1台。

4、结语

风光互补供电系统的应用不仅可以解决偏远地区通信基站取电难的问题, 而且利用其每发1度电, 就可节约0.4千克标准煤、减少排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳 (CO2) 、0.03千克二氧化硫 (SO2) 、0.015千克氮氧化物 (NOX) 。与单一使用太阳能系统发电相比, 不仅可以有效降低系统发电成本还可以增加供电可靠性。所以值得在无市电地区建设的基站中推广使用。

参考文献

[1]苏文俊.可再生能源在移动通信工程中的应用.2011年5月.

篇7：风光储独立供电系统电源优化配置

因地制宜地发展风能、太阳能等可再生能源发电系统,对于解决山区、牧场、边防、海岛等边远地区人群的用电问题具有重要意义[1,2,3,4]。由于风能、太阳能的间歇性和随机性,单独使用风力发电或光伏发电都存在供电不稳定的缺陷,为提高其供电可靠性,通常需配置大量储能装置以动态调整系统的功率偏差。而风能和太阳能在时间及地域上有互补性,白天光照最强时风很小,太阳落山后光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强,夏季太阳光照强度大而风小,冬季太阳光照强度弱而风大。相对于单独使用风力发电或光伏发电,采用风光互补发电形式能获得较稳定的电能,并能在满足相同的供电可靠性的前提下减少储能容量配置需求[4,5]。因此,采用风光储互补发电方案是实现独立供电系统的合理选择,也是解决偏远地区用电问题的有效途径。

电源的优化配置是风光储独立供电系统在规划设计阶段的一个重要内容,其对于减小系统投资成本、提高资源利用率、保证系统供电可靠性等方面具有重要意义。本文在建立基本元件模型的基础上,以系统等年值投资费用最低为目标,考虑系统运行约束条件,构建了风光储独立供电系统的电源优化配置模型,并提出基于粒子群优化算法的数值求解方法。

1 风光储独立供电系统的电源模型

1.1 风光储独立供电系统结构

典型风光储独立供电系统结构见图1。系统中供选择的可再生能源子系统有风力发电机(风机)和光伏发电系统(光伏),供选择的储能设备有蓄电池组和电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统,实际系统只能选用一种储能设备进行配置,各电源均直接与直流(DC)母线相连,并通过DC/AC逆变器与交流(AC)母线相连,系统中包含直流负荷和交流负荷。

1.2 风力发电机输出功率模型

风力发电机的输出功率随风速变化而变化,而风速随高度的增加而变化,气象局提供的风特性数据一般都在9 m高度附近测得。使用时,必须折算成风力发电机转轴高度处的风速,可用指数公式折算[6]:

其中,v、v0分别为H、H0高度处的风速(m/s);修正指数n与地面平整程度(粗糙度)、大气稳定度等因素有关,取1/8~1/2,开阔、平坦、稳定度正常地区取1/7。

风速具有高度的随机性,可通过风速的概率分布来描述其统计特征。双参数威布尔(Weibull)分布被普遍认为是最适用于风速统计描述的概率密度函数,其概率密度函数表达式为[7]:

其中,v为风速;k和c为Weibull分布的2个参数,k称为形状参数,k>0,c称为尺度参数,c>1。k和c可以由平均风速v軃与标准差σv近似算出:

其中,Γ(·)为Gamma函数。

当已知风速的分布之后,就可以通过风力发电机组的输出功率与风速间的特性曲线得到风机系统的平均输出功率:

其中,NWG为风力发电机台数;Pw(v)为风力发电机的输出功率与风速之间近似关系(已考虑DC/DC变换器的损耗),可用式(5)所示模型进行描述[8]。

其中,PN为风电机组的额定功率;vc为切入风速;vN为额定风速;vF为切出风速。

1.3 光伏阵列输出功率模型

光伏阵列的输出功率与环境温度及光照强度相关,由于光照强度有随机性,因此输出功率也随机。据统计,在一定时段内(如1个或几个小时)太阳光照强度可近似看成Beta分布,其概率密度函数如下[9]:

f軃GGmax軃=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)軃GGmax軃α-1軃1-GGmax軃β-1(6)

其中,G、Gmax分别为一定时间段内的实际光照强度和最大光照强度(W/m2),0≤G≤Gmax;α、β为Beta分布的形状参数,可由一段时间内的光照强度平均值μ和标准差σG得到。

光伏阵列由若干光伏模块经串联和并联组成,单件光伏模块的输出功率可表示为[10]:

PPV(G)=1P S0TC0G051+l t軃a+G800(tNOC-20)-2555(8)

其中,PSTC为标准测试条件(STC)下的最大测试功率;l为功率温度系数;ta为环境温度,tNOC为元件额定工作温度(℃)。

在得到光强的分布和光伏模块的输出功率函数后,就可计算光伏阵列平均输出功率:

考虑到光伏阵列表面积尘、最大功率点跟踪控制效率以及DC/DC变换器效率的影响,将光伏发电系统在一定时间段内的平均输出功率表示为:

其中,ηdust为因表面积尘引起的光伏发电系统功率输出效率;ηmppt为最大功率点跟踪控制效率;ηloss为DC/DC变换器效率。

1.4 蓄电池

蓄电池作为储能设备,通过储能控制器可快速地控制其充放电以跟随负荷的变化,在可再生能源充足时,蓄电池充电以储备多余的能量,减少能源浪费,而在可再生能源匮乏时,蓄电池放电为负载提供稳定的电能输出,保障系统正常安全运行。荷电状态、端电压以及寿命周期是蓄电池管理的几个重要参数。

1.4.1 荷电状态

蓄电池荷电状态SOC可表示为[11]:

其中,σsdr为自放电率;Ibat,t为蓄电池充放电电流,充电时为正,放电时为负;Δt为仿真时间间隔;Cbat为蓄电池安时容量(A·h);Pbat,t为蓄电池的充放电功率,充电时为正,放电时为负;Nbat为蓄电池块数;Ubat,t为蓄电池端电压;ηt为充放电效率,放电时(Ibat,t<0)其值为1,充电时(Ibat,t>0)与SOC和充电电流相关,可表示为式(13)[12]。

ηt=1-exp 520.73(SOC-1)/軃0.1CIbat,tbat+0.55軃5(13)

1.4.2 端电压模型

蓄电池端电压可由其开路电压和内阻压降表示为[13]:

其中,Eoc,t为蓄电池的开路电压;Ibat,t为蓄电池充放电电流(大于0表示充电,小于0表示放电);Rbat,t为蓄电池内阻,包括电解质电阻Relectrode,t和电解液电阻Relectrolyte,t两部分;UF为蓄电池满充电压;b、r1、r2、r3、r4为经验系数,在充电和放电模式下具有不同的值。

1.4.3 寿命模型

蓄电池的实际使用寿命与蓄电池的充放电循环周期时间及放电深度有关。本文假设在不同循环周期下,蓄电池的寿命是充放电周期时间内充放电深度的函数。蓄电池寿命的预测是基于图2所示的蓄电池失效循环次数与放电深度的关系曲线。

基于图2中的原始数据,蓄电池失效循环次数可由下式拟合[14]:

其中,CF为蓄电池失效循环次数;DOD为放电深度;a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数。

蓄电池寿命损坏期表示为:

其中,Ybat为蓄电池的寿命损坏期(a);Δt为仿真时间间隔;nT为仿真总时段数;SOC1,t、SOC2,t分别为第t个仿真时段初和时段末的蓄电池荷电状态;Sbat,t为在第t个仿真时段蓄电池的充放电状态,充电时值为0,放电时值为1;DOD,t为在第t个仿真时段末蓄电池的放电深度,DOD,t=1-SOC2,t。

蓄电池的重置周期为:

其中,Ybat为蓄电池的寿命损坏期,Yfloat为蓄电池浮充寿命,由厂家提供。

在系统运行过程中蓄电池将经历充电与放电过程,受其荷电状态允许范围(SOCmin≤SOC≤SOCmax)限制与蓄电池本身技术限制的约束,其最大充放电功率为:

其中,P chmax,t、Pdhmax,t分别为在第t个仿真时段内蓄电池的最大可充电功率和最大可放电功率;SOCmax、SOCmin分别为蓄电池荷电状态的上、下限;Cbat为蓄电池容量;Ubat,t为蓄电池端电压;Δt为仿真时间间隔;I chmax、Idhmax分别为蓄电池允许的最大充电电流和最大放电电流,单位时间内最大充放电电流为蓄电池额定安时容量的20%[15],如式(24)所示。

1.5 电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统

电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统在风光储独立供电系统中的作用与蓄电池储能相同:在可再生能源充足的时候,电解槽利用多余的电能电解水,并将电解产生的氢气储存在储氢罐中;而在可再生能源不足时,燃料电池以储氢罐中储存的氢气作为燃料进行发电,以满足系统负荷的需求[16]。

电解槽是一种通过电解水产生氢气的装置,其输出功率可表示为:

其中,Pele-tank为电解槽的输出氢气功率;Pele为输入电解槽的电功率;ηele为电解槽的效率,本文取为75%。

燃料电池以氢气作为燃料进行发电,其输出电功率可表示为:

其中,PFC为燃料电池的输出电功率;Ptank-FC为从储氢罐输入到燃料电池的氢气功率;ηFC为燃料电池的转换效率,本文取50%。

储氢罐中的储能量可表示为:

其中,ηstor为储氢罐的存储效率,本文取95%。

电解槽的最大输出功率受其自身额定功率P Nele及储氢罐的剩余储能容量限制:

燃料电池的最大输出功率受其自身额定功率P NFC及储氢罐的剩余储能量限制:

其中,Emaxtank、Emintank分别为储氢罐储能容量的上、下限,取Emaxtank=ENtank,Emintank=0.2ENtank;Etank,t为第t个仿真时段初始储氢罐剩余容量。

2 风光储独立供电系统电源优化配置模型

2.1 目标函数

本文建立了含有风力发电机、光伏阵列、蓄电池储能装置及电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统的独立供电系统的电源优化配置模型,取独立供电系统中光伏电池模块安装块数NPV、风力发电机安装台数NWG、风机塔架高度H、蓄电池块数Nbat、电解槽额定功率PNele、燃料电池额定功率P NFC以及储氢罐的容量Emaxtank为优化变量,主要将设备投资费用、运行和维护费用、设备重置费用3个部分计入目标函数,使系统等年值投资费用ACS(Annualized Cost of System)最低,同时满足用户要求的供电可靠性。独立供电系统电源优化配置模型描述如下:

其中,CACS为系统等年值投资费用;x为优化变量集合,x=[NPV,NWG,H,Nbat,PNele,PNFC,ENtank]T;CCP为安装成本年平均费用;COM为年运行维护成本;CREP为年均重置成本,对于寿命周期时间小于整个项目设计年限的元件需要考虑重置成本。

风光储独立供电系统各元件安装成本年平均费用与元件寿命周期年限相关[13,14]:

其中,CTCP为安装成本;Yproj为元件寿命周期年限;μCRF为资金回收系数CRF(Capital Recovery Factor),其表达式如式(32)所示。

其中,h为实际利率,与名义利率h′和全年通胀率f有关,其关系满足式(33)。

在项目年限内,若系统元件达到其寿命终止年限,则需要对元件进行重置替换,元件的年均重置成本费用计算公式如下:

其中,CTREP为重置成本;YREP为元件重置周期寿命;μSFF为偿债基金因子,其关系满足式(35)。

2.2 约束条件

其中,RLPSP为负载失电率,为全年运行的系统供电可靠性指标;RL,max为设置的系统可靠性指标;REXC为能量过剩倍率;RE,max为设置的能量过剩倍率限制;Hmax、Hmin分别为风塔设计高度的上、下限;N为非负整数集合;R为实数集合。下文介绍RLPSP及REXC的计算方法。

2.3 储能装置控制策略

因为风能、太阳能资源具有间歇性和波动性的特点,全年独立运行的系统会出现供电小于负荷的情况,这时需要储能装置放电以补充不足电力,另外也会出现供电大于负荷的情况,此时通过储能装置将多余的电能存储起来,以提高可再生能源的利用效率。

本文计算系统1 a的负载缺电概率作为供电可靠性指标。将1 a划分为8760 h,每小时计算一次,在每小时内计算系统各元件的平均功率。

其中,Pnet,t为第t小时内系统净负荷功率;Pload,t为总负荷功率;PDCload,t为总直流负荷;PACload,t为总交流负荷;ηinv为逆变器效率;Pren,t为可再生能源总发电功率。

系统采用蓄电池或电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置时的控制策略分别如下。

a.如果系统采用蓄电池作为储能设备,则当第小时Pnet,t>0时,蓄电池放电,蓄电池功率为:

此时若表明第t小时内不能完全满足所有负荷,计算第t小时的缺电功率为:

当第t小时Pnet,t<0时,蓄电池充电,蓄电池功率为:

此时若表明第t小时内可再生能源电源发电过剩,第t小时的过剩功率为:

b.如果系统采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能设备,则当第t小时Pnet,t>0时,燃料电池发电:

此时若PFC,t

当第t小时Pnet,t<0时,电解槽将多余电能转化为氢气以存储:

此时若表明第t小时内可再生能源电源发电过剩,第t小时的过剩能量为:

在计算全年各小时内各元件的功率之后,进一步可计算全年缺电概率[13,14]:

其中,SLPSP,t为系统缺电标记符,Punm,t>0时SLPSP,t=1,Punm,t=0时SLPSP,t=0。

能量过剩倍率定义为在系统全年运行期内过剩的能量除以系统负荷总需求能量,即:

3 基于粒子群优化算法的优化配置

上述独立供电系统电源优化配置是一个多约束条件的混合整数非线性规划问题,尤其是其约束条件中的RLPSP、REXC与优化变量之间难以表示为解析表达式,因此从设计方案寻优的算法上而言只能采用有约束的直接搜索法。本文采用粒子群优化PSO(Particle Swarm Optimization)算法求解优化配置模型。PSO算法本质上属于迭代的随机搜索算法,具有并行处理、鲁棒性好等特点,能以较大概率找到问题的全局最优解,且计算效率比传统随机方法高,其最大的优势在于简单易实现、依赖的经验参数较少[17]。

系统优化配置模型的优化变量集合为x,每个优化变量对应粒子的一个维度,即[NPV,NWG,H,Nbat,PNele,PNFC,ENtank]。对于式(36)、(37)体现为相应的优化变量即粒子位置的限制,粒子位置越限时,取其限值。式(40)表明NPV、NWG、Nbat为整数变量,式(41)表明H、PNele、PNFC、ENtank为连续变量。对于式(38)、(39)表示的约束,以罚函数形式将其计入目标函数中,即:

其中,σ为惩罚因子。

独立供电系统电源优化配置模型同时包含连续变量和整数变量。对于各粒子的连续变量,其PSO进化方程为:

其中,vid为粒子的速度;xid为粒子的位置;ω为惯性加权;c1、c2为大于零的认知参数和社会参数;r1、r2为(0,1)均匀分布的随机数;pid为粒子自身经历的最好位置;pgd为微粒群中所有粒子经历的全局最好位置。

对于各粒子的整数变量,其PSO算法可形式化描述为[18]:

其中,φ1∈[a1,b1]等概率分布的整数,φ2∈[a2,b2]等概率分布的整数,并且满足式(60)。

针对风光储独立供电系统的电源优化配置问题,本文采用PSO算法求得优化配置结果的流程,如图3所示。

4 算例分析

4.1 基础数据

应用本文方法对独立供电系统的电源进行优化配置,备选的分布式电源类型有风力发电机、光伏模

块、蓄电池、电解槽、储氢罐和燃料电池。风力发电机参数:PN=30 k W,vc=3 m/s,vN=11 m/s,vF=25 m/s。光伏电池参数:PSTC=100 W,tNOC=44.2℃,k=-0.4%,ηdust=94%,ηmppt=96%,ηloss=96%。蓄电池参数:Cbat=100 A·h,额定电压为12 V,允许放电深度DOD=80%,失效循环次数为560,浮充寿命为8 a。风机塔架高度的上、下限分别设为15 m、8 m,各种电源及系统其他元件的成本参数如表1所示,项目设计年限定为20 a。以上基本数据综合取自文献[11-14],算例中暂按美元与人民币汇率1∶6.38折算后进行相关计算。由表1可见,各系统元件中只有燃料电池的寿命低于项目设计年限,蓄电池的寿命与系统配置和全年实际运行状态相关,其寿命可能低于项目设计年限,因此燃料电池和蓄电池涉及重置费用。

独立供电系统容量优化配置还需工程所在实地的典型年气象数据和负荷数据。气象数据包括小时平均风速、风速标准差、小时平均光照强度、光强标准差、小时最大光强及小时平均环境温度,负荷数据包括小时平均直流负荷和小时平均交流负荷。设计2个算例,其中算例1所用气象、负荷数据如图4、图5所示,算例2所用气象、负荷数据如图6、图7所示。

针对每一算例计算2种方案:

a.方案1,备选电源只考虑风机、光伏阵列、蓄电池,即风/光/蓄电池独立供电系统;

b.方案2,备选电源只考虑风机、光伏阵列、电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统,即风/光/循环储能设备的独立供电系统。

2种方案均考虑风光储独立供电系统的最大允许缺电概率RL,max分别设置为0%、1%、2%的情况,RE,max均设为100%。

4.2 结果分析

采用提出的独立供电系统电源优化配置方法,得到电源优化配置结果如表2和表3所示。

对比分析两算例中方案1和方案2下的优化配置结果易知,显然采用方案1更经济,原因分析如下:方案2采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置,其储电和发电是通过不同元件实现的,这无疑增加了系统投资成本,相对于方案1采用单一元件的能量可双向流动的蓄电池储能形式,循环系统储能形式的单位储能量对应的投资成本要高得多。因此,在满足相同供电可靠性的前提下,方案1比方案2的最优配置更经济。将电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统仅作为独立供电系统中的电储能转换装置是不经济的,但是燃料电池系统可实现(冷)热电联供,提高燃气能量转换效率,在同时有电负荷和热(冷)负荷需求的地区,才能体现方案2的相对优势。

由于算例2中的年风速水平和年光照强度水平均偏低,而负荷水平更高,因此算例2中系统优化配置下的等年值投资费用更高。

从方案1和方案2的优化配置结果能得到一个共同的结论:可靠性指标设置得越高(即RL,max设置得越小),则独立供电系统的年投资费用越高,高供电可靠性会带来高经济性代价。因此,合理地评估停电损失和设置可靠性指标是降低系统电源冗余投资的有效手段之一。

5 结论

a.在仅有电负荷需求的边远地区,由风/光/蓄电池构成的独立供电系统比由风/光/燃料电池循环系统构成的独立供电系统的优化配置更为经济;

b.合理地评估停电损失和设置可靠性指标可有效降低风光储独立供电系统冗余投资;

c.燃料电池系统可实现(冷)热电联供,提高燃气能量综合转换效率,对于同时有电负荷和热(冷)负荷需求的地区,分别采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统与蓄电池作为储能形式时的经济性配置有待进一步研究。

摘要：风光储独立供电系统是解决边远地区供电问题的有效途径,对其合理地配置电源以提高供电可靠性、经济性是系统规划设计阶段的主要问题。在建立基本元件模型的基础上,以系统等年值投资费用最低为目标,考虑系统运行约束条件,构建了风光储独立供电系统的电源优化配置模型。提出了基于粒子群优化算法的数值求解方法。在算例分析中,分别以蓄电池和电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置,对比分析了不同储能模式下的系统优化配置方案,结果表明,在满足相同供电可靠性指标的前提下风/光/蓄电池系统的优化配置更经济,合理地评估停电损失和设置可靠性指标可有效降低系统冗余投资。