风光互补发电博士论文

风光互补发电博士论文（通用6篇）

篇1：风光互补发电博士论文

风光互补发电系统简介

一、概述

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用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，具有很好的应用前景。

二、风光互补发电系统的发展过程及现状

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。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。

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。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。

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、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

三、风光互补发电系统的结构

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、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的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；

(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，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或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：

●利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

●在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量[5]；

●通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

四、风光互补发电系统的应用前景

(1)无电农村的生活、生产用电

中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

(2)半导体室外照明中的应用

世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。

室外道路照明工程主要包括：

●车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；

●小区(广义)道路照明工程(小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等)。

目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程、风光互补led智能化隧道照明工程、智能化led路灯等。

(3)航标上的应用

我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。

天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行、效果明显。

(4)监控摄像机电源中的应用

目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。

(5)通信基站中的应用

目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。

要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电不足时使用。这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。

(6)抽水蓄能电站中的应用

风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死去，并有利于能源开发中的生态环境保护。

风光互补抽水蓄能电站的开发至少满足以下两个条件：

●三种能源在能量转换过程中应保持能量守恒；

●抽水系统所构成的自循环系统的水量保持平衡。

虽然与水电站相比成本电价略高，但是可以解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。

风光互补发电系统的应用向全社会生动展示了风能、太阳能新能源的应用意义，推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设，具有巨大的经济、社会和环保效益。

总结

风能和太阳能都是清洁能源，随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

总之，相信随着设备材料成本的降低、科技的发展、政府扶持政策的推出，该清洁、绿色、环保的新能源发电系统将会得到更加广泛的应用。

合肥赛光电源科技有限公司 http:///

篇2：风光互补发电博士论文

2014年4月25参加了江苏省高等职业院校技能大赛——‘康尼’杯风光互补发电系统安装与调试比赛。在这次比赛中我们学校代表队取得了三等奖的成绩，这离不开辅导老师们的心血和汗水，以及我们参赛选手的辛劳和努力。在这里我首先要感谢培养和教育我的各级老师以及领导,是你们给我提供了这个舞台,没有你们的培养就没有我今天的进步。

这次比赛我们不仅代表了个人，还代表了学校，我们为学校争得了荣誉。这场竞赛虽然取得了一定的成绩，但同时也暴露出一些问题，针对这些问题，现对本次竞赛的情况作如下总结，以便为下一届参加竞赛的学弟学妹们做个参考。

1、心理素质是影响竞赛的关键因素。比赛不仅比技术，也比心理素质。技术再高的人如果欠缺一定的心理素质，将会直接影响到自身的发挥。比赛时切忌着急，要冷静不要慌，先做好功能部分，如果有时间再去抓细节，细节有时是成败的关键。在平时的训练中要把每一次练习当成比赛，这样才能在平时的训练中提高自己的心理素质。

2、团队精神至关重要。在平时的训练中，大家都会遇到不同的问题，遇到问题时要互相讨论，相互指出各自的不足，相互交流，相互考核，团结作战，共同成长，有了这样的团结精神，才能在比赛中“厚积薄发”。

3、要有速度、要细心。每个参赛选手的技能水平都不相上下，比赛比的就是操作的速度快不快，在操作的过程中细不细心。竞赛中失误大部分都是不细心所导致的。拿上位机人机界面来说，显示界面一定要有条理性，看上去要美观，重要的是建立I/O变量和数据变量的建立与链接。在按钮链接变量时一定要找准变量否则会出现一连串的错误。在写界面脚本是语句不能有错误，所以在上位机上既要细心又要注意速度。在plc编程上，程序的完整性是很重要的，拿到题目时要仔细读懂题意，弄清题目所要实现的功能，这就要求在编程时不仅速度要快，而且不能遗漏触点和指令，一步一步的编，但不能盲目地追求速度，这样才能保证编程既有速度又有质量。另外，在离开考场前一定要做好善后工作，首先要把桌面清理干净，再次要把实验箱和导线收拾好。

4、要学会自学。自学能力是我们要具备的基本素质，遇到难题和不懂的问题一定要自己去查资料，不要因为没有学过而灰心而失去信心，每个学生在课堂上学的东西总是有限的，很多知识是要靠自己去学习和积累。这次比赛我收获最大的就是提高了我的自学能力。平时的练习要脚踏实地，既不能图快，更不能懒散。遇到问题要勤思考勤动手，把问题的原因、现象以及解决方案用纸记录下来，这样不至于以后犯同样的错误。我相信只要这样坚持下去，自己的技能必定会有所进步。

5、本次竞赛是一次理论与实践相结合的竞赛，给了我们一个自我提高和学习的好机会，但是在理论题中我们的准备还是不足的，没有很好的理解和掌握风力发电和光伏发电及逆变原理的理论知识。所以在比赛时我们的理论部分的分数就差了好多。

我们非常感谢为我们指导的老师们，非常感谢学校各级领导对我们的鼓励与支持，我们在今后的学习中将更加努力，苦练技术，用我们的辛勤劳动来回报学校，回报社会。

总结人：张志远

篇3：风光互补发电系统设计

因为太阳能与风能的互补性, 即在有风的时节, 风能多太阳能少, 反之亦然。另外, 太阳能与风能的蓄电池与逆变器可以相同。光伏发电的主要吸引力是光伏系统产生的电力对环境无破坏, 通过将无尽的太阳能转换为电能。光伏阵列成本的持续下降和效率的增加意味着在不久的将来光伏发电系统将会有很大的前景。而我们需要利用这种性质, 完善一个系统使之可以全年提供充足电能, 同时可靠性与经济性也得到很好的满足。在电力能源比重与日俱增的今天, 通过各种手段获得电力能源成为现阶段电气研究的重中之重, 因为在一些地区, 因为环境种种因素, 无法实现电力能源的获取, 但又对于电力能源有所需求。如山区, 公路, 林区, 边防, 港口等。为此, 在研究的过程中, 对于上述地区拥有的丰富的其他一级能源进行调研, 从而确定了以光伏发电与风力发电相结合的太阳能风光互补发电, 这种办法对于上述地区的电力能源的采集和输送是一个非常实际又行之有效的办法。因为此系统相对于其他单独的发电系统, 弥补了太阳能无法昼夜发电与风力发电稳定性不足的缺陷。无论在稳定性, 连续性与安全性上, 都有很好的保障。同时在利用自然资源的时候对于环境没有污染, 符合可持续性发展。

1 风光互补供电系统

风光互补系统主要构成有风力发电机, 太阳能电池板, 直流控制中心, 发电端控制器, 蓄电池组, 逆变器与负载。风力发电机能够将风能转换为电能, 太阳能电池板能够将太阳能转换为电能, 得到的电能分别通过风力机控制器和光电板控制器输送给直流控制器, 通过控制器进而控制电能的流向, 得到的电能可以直接用于用电负载, 而多余的电量将通过控制器直接输送给蓄电池, 用于负载的供电需求, 若需给交流负载供电, 则需要通过逆变器将直流电转换为交流电再传送给负载。

1.1 风力发电部分

该部分主要有风力发电机组成。利用风力机将风能转换为机械能, 再通过风力发电机将机械能转换为电能, 再经过控制器对蓄电池充电, 同时通过逆变器对负载供电。在风光互补的系统中, 风力发电机组的参数也十分重要, 主要有:切入风速与切出风速、额定风速与额定输出功率、最大输出功率、风能利用系数、对环境的适应能力、安装和维护的简易性等等。在进行设计时要综合考虑上述因素。

1.2 光伏发电部分

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能。然后对蓄电池充电。通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

1.3 逆变部分

逆变器是将太阳能输出直流电转变为交流电的一种设备。它是影响系统可靠性的关键因素。为了提高系统的适应工作, 这就要求逆变器具有合理的电路结构, 具备各种保护功能, 整机效率高, 输出电压波形的失真度低。直流输入电压有交换的适应范围[2]。

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220 V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, 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。

1.4 控制部分

控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化, 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或交流负载;另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

1.5 蓄电池组部分

蓄电池部分由多块蓄电池组成, 在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来, 以备供电不足时使用。蓄电池电压采集, 用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能, 对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路, 若在太阳能电池正常充电时, 控制器将关断负载, 以保证负载不被损伤, 若在夜间或太阳能电池不充电时, 控制器由于自身得不到电力, 不会有任何动作。

2 系统工作原理

2.1 太阳能电池原理

太阳能电池是应用P-N结的光伏效应 (Photovoltaic Effect) 进行能量转换。理想的P-N结二极管, 其对应的方程式如下:

式中, Ipn, Vpn为P-N结二极管的电流及电压;k为波尔兹曼常数 (Boltzmann Constant:1.38×10-23J/K) ;q为电子电荷量 (1.602×10-19库仑) ;T为绝对温度 (凯氏温度K=摄氏温度+273度) ;Is为等效二极管的逆向饱和电流;VT为热电压 (Thermal Voltage:25.68 m V) 。

太阳能电池将太阳光能转换为电能主要由自然光中的的量子-光子 (Photons) 完成的, 而每个光子所携带的能量为:

式中, h为普郎克常数 (Planck Constant:4.14×10-15e V·S) ;c为光速 (3×108m/s) ;λ为光子波长。

2.2 风力发电机原理

风力发电的原理, 是利用风力带动风车叶片旋转, 再通过增速机提升旋转速度, 从而促使发电机发电。依据目前的风车技术, 可以实现每秒三公尺的微风速度便可开始发电[3]。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械, 又称风车。广义地说, 它是一以大气为工作介质的能量利用机械。

2.3 蓄电池原理

目前, 绝大多数的太阳能控制器用于自动切换充电方法的依据采用的是在线检测蓄电池的端电压来判断。但是, 蓄电池的端电压受到很多因素的制约, 特别是在充电过程中, 蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的不同程度的影响, 不能准确表示其荷电状态。为此提出了一种新的检测方法———离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中, 蓄电池的电动势可表示为:

式中, E为电池电动势;

E0所有反应物的活度或压力等于1时的电动势, 称为标准电动势;

R为摩尔气体常数;

T为温度;

F为法拉第常数;

n为电化学反应中的电子得失数目。

从上式可以看出, 电动势与硫酸浓度有关, 换言之就是与荷电状态有关。而且, 根据有关文献, 蓄电池的荷电状态与其稳态开路电压有良好的线性关系。因此, 由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。

3 控制器设计

3.1 控制器原理

控制器是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制, 一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载, 另一方面把多余的能量按蓄电池饿的特性曲线对蓄电池进行充电, 当所发的电不能满足负载需要时, 控制器又要把蓄电池的电能送往负载[4]。蓄电池充满电后, 控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时, 控制器要控制蓄电池不能被过放电, 保护蓄电池。

3.2 控制器设计

在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时, 控制系统必须将多余的能量消耗掉。充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备, 一般还具有简单的测量功能。蓄电池组经过充电或放电后会严重影响其性能和寿命, 所以充放电控制器是不可或缺的。控制器要对蓄电池两端的电压进行实时检测, 当两端电压过高时, 要切断风力发电机和光伏电池板与蓄电池的联系, 防止发生过充现象;当两端电压低于设定值时, 要切断蓄电池与负载的联系, 防止过放的情况。从而保证了最佳的蓄电池充电特性, 使得电能得到充分利用。

由于蓄电池只能承受一定的充电电流和充电电压, 过电流和过电压充电都会对蓄电池造成很严重的损害。风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流, 并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流, 确保蓄电池既可以充满, 又不会损坏。从而确保了蓄电池的使用寿命[5]。风光互补控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流, 使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态, 从而使产品设计更加人性化。

4 结论

太阳能发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电, 进而给负载供电的系统。该系统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。风力发电系统是利用风力发电机将风能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电。进而通过逆变器给负载供电的系统。该系统的优点是系统发电量较高, 造价较低, 运行维护成本低。缺点是风力发电机可靠性低。

太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性, 而且太阳能和风能都是洁净能源, 对环境无污染。所以风光互补发电系统是资源条件最好的独立系统。

摘要：因为经济发展的快速性, 标志着能源消耗的速度也在提升, 直接导致能源的枯竭。而目前发电的能源大多为不可再生能源, 从而迫切的需要我们寻找可再生清洁能源。由于太阳能与风能的互补性强, 风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时, 风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的, 所以风光互补发电系统的造价可以降低, 系统成本趋于合理。本文通过研究风光互补发电系统的原理, 对其进行分析研究, 实现风光互补发电的可能性。

关键词：太阳能,风能,风光互补,发电系统

参考文献

[1]杜荣华, 张婧, 王丽宏, 等.风光互补发电系统简介[J].节能, 2007 (3) :60-61.

[2]魏云峰.新型逆变器及其数据采集系统的研究[D].东北农业大学, 2007:30-35.

[3]郭继高.风能发电小型风能发电及其发电机[J].1999 (5) :43-45.

[4]艾斌, 杨洪兴, 沈辉, 等.风光互补发电系统的优化设计Ⅱ匹配设计实例[J].太阳能学报, 2003 (5) :70-73.

篇4：小型风光互补发电系统设计

一、设计原则

风光互补发电系统的设计既是一个理论问题，又是一个工程实践问题，它包括电能的产生、储存、变换及控制，涉及到电源技术、自动控制、单片机、机械等多个学科领域，还要考虑系统安装地区的自然能资源状况。

二、系统结构

风光互补发电的协调工作及与负载匹配的问题，历来是设计的一个重点。本文就针对这两个问题设计了一套风光互补发电系统，并详细阐述了对该系统的控制策略。其结构图如下：

图 4-1 风光互补发电系统结构图

说明

这套风光互补发电系统实际上是前面介绍的光伏发电系统和风力发电系统一个有机的结合，并在它们基础上实现了联合控制，跟踪负载的功率变化。

两套系统的在经过DC/DC整流后并联在一起，共同向负载和蓄电池提供能量，它们的功率调节和电压调节都是相对独立的，所以不会因为某一套系统有故障或某一种自然能长期短缺而影响系统的正常工作，而且由于DC/DC斩波器具有防反向逆流的功能，所以也不必担心电流的逆流损坏发电设备。

本系统蓄电池组端电压为24v，采用恒压，浮充二阶段充电方式，恒压充电时充电电压为30v，当蓄电池充满时改为27v浮充，以保护蓄电池不过冲。防止蓄电池过放状态检测设备是系统的蓄电池过放保护装置，当蓄电池的电压低于它的放电电压底限时，它的输出为低电平，J4接收到低电平会自动断开。

功率输出状态检测设备会不断检测蓄电池的电流，放电时电流为正方向，充电时为负方向。当电流为正时，即蓄电池在放电时，第一路输出为高电平。当电流为负时，即蓄电池在充电，第一路输出为低电平，状态检测设备同时会判断充电电流是否达到蓄电池充满时的电流值，未达到时第二路输出高电平，达到时第二路输出为第电平。

J1：接受到高电平时，说明蓄电池在放电，说明系统所发的电不能满足负载需求，则接通左边让系统处于最大功率输出状态。接受到低电平时，说明蓄电池在充电，说明系统所发的电能够满足负載需求，则接通右边让系统处的功率输出状态以满足负载为主。

J2：由功率输出状态检测设备的第一路输出和I1REF通过一个或门联合控制，接收到低电平接通右边，接收到高电平时接通左边。

J3：接受到高电平时，蓄电池处于恒压充电状态下，接通30v；接受到低电平时，蓄电池处于浮充电状态下，接通27v。

I：风光互补发电系统输出的供给负载和蓄电池的总电流。

I2：光伏发电系统的输出电流。

三、控制方法

本系统的控制思想是让光伏系统尽可能多的输出功率，不足的部分由风力发电系统补充。系统发出的功率对负载而言无非两种情况：可以满足负载，不能满足负载。下面就这两种情况下的控制策略分别讨论。

（一）系统输出功率不能满足负载

当蓄电池放电时说明风光互补发电系统的输出功率不能满足负载需求。此时功率输出状态检测设备第一路输出为高电平，J1、J2接收到高电平，两个开关都接通左边，即光伏和风力两套发电系统都采取最大功率输出策略，尽可能满足负载，不足的部分由蓄电池提供。

（二）系统输出功率可以满足负载

当蓄电池充电时说明系统的输出功率能够满足负载，功率输出状态检测设备输出为低电平J1接收到低电平，接通右边，风力发电系统的功率输出以满足负载方式输出，其功率输出的大小由负载和光伏发电系统的功率输出决定。此时光伏系统的功率输出不确定有两种情况。

1.当I1REF不等于0时，J2接收到高电平，光伏系统仍以最大功率输出，风力发电部分的输出功率作为补充，其参考电流：

即整个系统工作的总电流减去光伏发电系统输出的电流，再乘以当前的工作电压，再除以风力发电机的输出电压，即为风力发电机需要输出的电流，与当前风力发电机的输出电流比较，误差送入PWM2，以改变发电机的输出电流，使其逼近参考电流，也就是输出功率逐步靠近负载所需要的功率。

2.当I1REF等于0时，即风力发电部分的参考电流为0，不需要风力发电系统输出功率。这时J2接收到低电平，接通右边，光伏系统的输出以满足负载为主，参考电流：

与ID2做比较，误差信号送入PWM改变占空比，使ID2逼近I2REF，输出功率靠近负载所需功率。

这样，就实现了两套系统协调工作，成功的对负载功率实现了跟踪。

在常规能源日益短缺的今天，新能源的开发和利用是今后世界发展的一个趋势，对我国解决能源紧张，偏远地区供电问题更是具有现实意义。

参考文献：

[1]王承熙.张源.风力发电.北京： 中国电力出版社，2002

[2]王兆安.黄君.电力电子技术.北京： 机械工业出版社，2000

[3]陈桂兰.孙晓.李然.光伏发电系统最大功率点跟踪.电子技术应用，2001，（8）， 33～35

作者简介：

仲勇（华北电力大学 巴彦淖尔电业局 015000）

篇5：风光互补发电博士论文

0 摘要

随着经济的快速发展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常规能源面临日益枯竭的境况，迫切需要可再生的新型清洁能源。而风能与太阳能在众多新型能源中潜力最大，也最具开发价值。由于太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，综合利用风能、太阳能的风光互补发电系统成为一种合理的能源系统。本文主要介绍了风光互补发电系统的结构和工作原理，分析了内蒙古自治区的太阳能风能资源和他们之间的互补性,总结出风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性和可行性。1 引言

能源是人类社会生存与发展的物质基础，也是国民经济发展的重要基础。在过去的200多年里，以非可再生能源为基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是，随着石化燃料消耗的飞速增长，环境日益恶化，资源日益匮乏，利用可再生的清洁能源成为解决中国资源和环境问题的必由之路。其中太阳能和风能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究开发的重点。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。风光互补发电系统成为边远地区资源条件最好的独立电源系统，具有很好的应用前景。

内蒙古地域广阔，至今还有很多地方不通电，尤其是边境、草原和沙漠地区。牧区用电负荷较小而且分散，通过大电网的延伸来供电很不现实。单独的风能或太阳能发电系统，很大程度上受到时间和地域的约束，很难实现全天候利用自然资源。风光互补发电系统利用了风能和太阳能优势，顺应了国家节能减排的政策，也解决了电网难以覆盖的边远牧区的供电问题。风光互补发电系统简介

所谓风光互补发电系统就是指将太阳能和风能联合起来、使二者优劣互补进行发电的发电系统。

2.1 系统结构及原理

典型风光互补发电系统主要由风力发电机组、光伏阵列、控制器、蓄电池组、泄荷器、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图如图1所示。

（1）风力发电机组利用风力机将风能转化为机械能，然后利用风力发电机将机械能转换为电能。此时的电能为交流形式且电压不稳定，所以必须通过整流器整流。然后通过控制器给蓄电池充电，直接给直流负载供电，经过逆变器对交流负载供电。

（2）光伏阵列是由若干太阳电池板串联和并联构成，利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能。此时的电能为直流形式，可以通过控制器向蓄电池充电，并给交流、直流负载供电。

（3）蓄电池在风光互补发电系统中起着储存和调节电能的作用，由多块蓄电池组成。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、日照不佳或负荷用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并保持供电电压的稳定。

（4）逆变器是一种把直流电转变为交流电的装置。风力发电机、太阳能电池和蓄电池输出的电能经控制器后都输出直流电。系统要想给交流负载供电，必须通过逆变器将输出的直流电转换成负载所需的交流电。此外，逆变器还具有自动稳压功能，确保风光互补发电系统的供电质量，提供稳定的电能，使负载正常运行。（5）控制器在整个系统中起着非常重要的作用。它将系统中各个部分连接起来，并对各部分的工作进行控制。根据日照强弱、风力大小和负荷的变化，控制器不断切换和调节蓄电池的工作状态。当电能充足时，控制器将调节后的电能送往负载，并控制太阳能电池阵列和风力发电机将剩余电能以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效地送入蓄电池组储存；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，同时避免蓄电池过充电和过放电现象的发生。

（6）泄荷器是一种快速消耗电能的装置。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器正常工作，控制器会自动接通泄荷器，将多余的电能消耗掉。

风光互补发电系统克服光伏、风力单独发电的不足，有效利用太阳能、风能在时间和地域上的互补性，为不易用电网供电的边远地区提供低成本、高稳定性的电能。同时，它也为当前有效解决能源危机和环境污染问题翻开了崭新的一页。2.2 风光互补发电系统的特点

风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统具有日发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低等优点。缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风力发电机对风速的要求较高。

光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统的优点是系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。

发电与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的不确定性造成的。风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

较风电和光电独立系统，风光互补发电系统具有以下特点：（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆变环节，减少系统造价；（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情况下，可大大减少储能装置的容量；（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供电可靠性的情况下减少系统造价；（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。3 风能、太阳能资源 3.1 风能资源

内蒙古具有得天独厚的地理优势和气候优势。全区风能丰富区和较丰富区面积大、分布范围广，占全区总面积的80%，风能稳定度高、连续性好。这为内蒙古利用风能资源提供了有利的条件。

内蒙古位于祖国的北部边疆，地域辽阔，横跨东北、华北、西北三大区域。东西长2400公里，南北宽1700公里，面积118.3万平方公里，约占全国总面积的1/8。它基本上是一个高平原地区，海拔高度多在1000～1500米之间。境内，大兴安岭呈东北-西南贯穿本区东部，阴山山脉东西横亘于西部，形成坦荡而辽阔的高原风貌，为内蒙古利用风能提供了地理优势。

内蒙古大部分地区属温带大陆性季风气候，它处于北半球盛行西风带。大风和多风天气主要分布在春、秋、冬三季，特别是秋末至来年春初。冷空气活动和寒潮天气过程较为频繁，是造成内蒙古风大多风的根本原因。在大风寒潮的影响下，形成冬半季内蒙古中西部地区丰富的风能资源。

全区理论可开发风能储量为78690万千瓦，可开发风能储量为6180万千瓦，占全国总风能储量的24.4%，居全国各省区第一位。中部和西部地区的理论可开发风能储量为64376万千瓦，技术可开发风能储量为5056万千瓦；北部地区的理论可开发风能储量为14313万千瓦，技术可开发风能储量为1124万千瓦。10米高度可开发利用的风能储量为1.01亿kW，占全国相应风能总储量的40%；50米高度可开发利用的风能储量为2.02亿kW，也占全国相应风能总储量的40%。一年中有5 000h～6 000h风速大于3m/s，年最长连续无效风速小时数低于100小时。

3.2 太阳能资源

内蒙古不仅有储量巨大风力资源，太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高，日照充足，干旱少云，光辐射强，日照时数也较多。辐射量为每平方米4800-6400兆焦耳，年日照时数为2600-3200小时，是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5500兆焦耳以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5000-5500兆焦耳之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万平方公里，约占全区总面积的61%。

全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部及阿拉善盟最多，太阳能总辐射量高达6490～6992兆焦耳/平方米，仅次于青藏高原，处我国的第二位。3.3 风光资源互补特性

根据内蒙古地区光能和风能资源及当地的用电负荷情况，我区将风能作为风光互补发电的主要指标。这主要是因为：①风能能量密度远大于太阳能密度；②风力发电的成本远低于太阳能发电成本；③风能的时空变化大而复杂，变率大，太阳能的时空变化规律性强，变率小。

根据内蒙古气象科学研究所对内蒙古风能、太阳能资源互补性的分析，全区各地的风能资源可以分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型、和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看，冬强夏弱型为互补性最强；春强夏弱型较强；春季强夏秋冬弱型互补性一般；春季强夏季弱型较差；春强冬弱型无互补性。4 风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性及可行性 4.1 优势性

1）风光互补发电系统将太阳能电池阵列与风力发电机有机地配合组成一个系统，整合了太阳能和风能优势，充分发挥各自的特性，最大限度地利用好大自然赐予的风能和太阳能以应用科学来满足农牧民需求，为内蒙古的发展翻开了崭新的一页。

（2）风光互补发电系统不需输电线路，也不需挖开路面埋管或架空线路。其独特的优势在边远广袤的内蒙古大草原十分突出，解决了偏远牧区无法供电的难题和传统供电线损耗大成本高的难题。

（3）较风能太阳能单独发电系统，风光互补发电系统利用内蒙古风能和太阳能互补的资源优势，采用风光互补技术，有风无光时通过风力发电机发电，无风有光时通过太阳能电池阵列发电，二者皆有时同时发电，通过蓄能装置，为用户提供稳定的电源。

（4）风光互补发电系统投资小、见效快；占地面积小，应用灵活便捷，一个家庭、一个村庄、一个区域，无论个人、集体均可采用；供电区域规模小、供电区域明确，便于维护。

（5）风光互补发电系统是把风能和光能转化为电能，直接减少了对矿物燃料的消耗，减少大气污染，保护环境，为节能减排开辟了新的天地。4.2 合理性

1）内蒙古风能、光能资源都非常丰富，但是这些资源时空分布的不均匀性使得单独使用一种能源会出现一定时段内供能不足，甚至出现停止供能的现象。风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补性，在资源上弥补了风能和太阳能独立发电系统的缺陷。

（2）风光互补发系统将风能和太阳能转变来的电能通过蓄电池储存起来，通过逆变器将直流电转变为交流电，比传统的家用直流微型发电机功率更大，使用时间更长。

（3）风力发电系统利用高空的风能，光伏发电设备则利用地面的太阳能，实现地面和高空的有效结合，充分利用土地资源。风光互补技术可加大利用太阳能和风能连续工作的能力，降低设备制造成本。同时，加强太阳能和风能利用时间可减少使用蓄电池的时间，提高蓄电池使用寿命。

（4）风光互补发电系统中的蓄电池组和逆变环节在风电和光电系统中在是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以大大降低，使系统趋于合理。4.3 可行性

风光互补技术的发展，内蒙古丰富的风能太阳能资源及国家对于新能源开发利用的有利政策，使得风光互补发电系统在内蒙古牧区的应用具有可行性。

伴随着风光互补技术的日益成熟，风光互补发电系统可以提供越来越稳定的电力供应，可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可采用最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

风光互补发电系统一种新型的绿色环保发电方式，其能量来源是自然界的太阳能和风能。在太阳能以及风能充足的地区使用风光互补发系统，节约使用成本，同时节省国家能耗，符合国家节能环保政策的要求。

风光互补发电系统在牧区的应用受到国家相关政策的扶助。国家推行了一系列关于利用风能太阳能等新能源的项目，落实在边远地区使用风能太阳能发电等惠民政策。这为风光互补发电系统在牧区应用提供了有利的政策支持。5 结语

风光互补发电系统可以弥补风能和太阳能发电存在的缺陷，利用风能和太阳能在时间和地域上的互补性，最大限度地将风能和太阳能转变成电能，通过蓄电池和逆变器给用户供电。内蒙古牧区太阳能风能非常丰富，而且具有很强的互补性。在地处边远的内蒙古牧区采用风光互补发电系统为牧民供电具有很强的优势性、合理性和可行性。参考文献：

篇6：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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广州三赫太阳能科技有限公司沈先生