风光互补控制器十篇

风光互补控制器 篇1

关键词：风光互补控制器,蓄电池,ATMEGA48,基站

0 引言

随着通信业务的发展,基站的数量在逐年增长,在偏远山区、海岛、边远哨所等电网不能到达地方,建立通信基站是必须的。由于风和光的不确定性,通常要配置蓄电池作为供电电源,电源是通信基站的心脏。对风光互补控制器的设计和研究具有重要意义。

1 风光互补控制器电路设计

风力发电系统的一次回路设计如图1所示。控制器的输入电压为AC85V- AC247V, 经过不可控整流桥整流成为直流电压,后经卸荷用的TGBT(VT1),直流侧电压为DC120V~350V,当直流侧电压超过350V时, VT1导通,启动卸荷装置, 将发出的多余能量消耗在R1上,当直流侧电压低于350V时,关闭VT1,卸荷装置停止工作,保护风机 ;通过制动用IGBT (VT2),当整流后电压大于700V时,启动VT2,VT1和VT2形成短路,断路器QF2断开,制动风机。

Fig.1. circuit of fan system

光伏发电 系统的一 次回路设 计如图2所示。光伏输出经过一二极管 (KPPC3510)给蓄电池充电。同时设计有卸荷电路,设计卸荷电压为50V-52.5V, 当光伏输出的电压在50V-52.5V之间时,ATMEGA48芯片控制两个MOSFET管(Q13和Q12)输出可变的占空比,起到分流降压的作用,当电压大于52.5V时, Q12和Q13全导通,光伏输出端接地,保护了蓄电池。

Fig.2. circuit of solar system

控制器设置有过载保护电路如图3所示,当基站的负载超过限制时,提示过载报警。电路最左端连接ATMEGA48的I/O口,分别设计连接基站的用电负载。正常情况下,芯片的I/O口输出高电平, MOSFET(Q26和Q27) 导通,蓄电池 (BAT+) 给两个负载正常供电。当负载电流过大, 即基站负载过多时,单片机I/O口输出低电平,MOSFET(Q26和Q27) 截止,蓄电池端(BAT+)和负载的连接端断开。

Fig.3. Overload circuit

2 试验结果

2.1 光伏过压试验

试验平台如图11所示,试验在上海电机学院风电实验室进行。

试验中的记录的输入电压是蓄电池两端的电压,过压试验的数据如表1所示。设置卸荷电压为50V-52.5V,通过控制MOSFET的占空比来对光伏输出端进行分流,当电压大于52.5V时,MOSFET全导通,光伏输出端接地,对蓄电池进行充电保护。

2.2 风机降压试验

软件设置蓄电池的充电电压为额定电压值48V,降压实验的数据如表2所示。风力机整流后经过Buck电路降压,使电压稳定在48V左右,实验结果说明风光互补控制器可以很好的控制IGBT和MOSFET的开通和关断。

3 结束语

风光互补控制器 篇2

风能太阳能作为可再生的能源具有分布广泛,可再生、无污染等优点,同时也具有能量密度低,受天气影响大等缺点,独立式的风电和PV发电系统的输出特性受天气影响大,不能提供稳定的电能供应。经过一些专家多年的研究表明,风能和太阳能具有良好的互补性能,利用风能太阳能两者的变化趋势基本相反的自然特性,扬长避短,相互配合,发挥风光互补系统的最大效用对于提高偏远地区和远离电力线路的独立用户的电能质量是非常重要的。国内外的专家对风光互补系统的输出优化等问题开展了大量的研究。但目前而言国内对相关领域的研究依然较少,特别是风力机和PV的价格仍然较为昂贵,所以一种高效的最大功率跟踪控制策略是必须的[1,2,3,4]。

在实际的使用过程中,风速所具有的随机非线性、不确定性和发电机内部特性的不确定性使得风电系统的MPPT非常难以实现,对于小型的风电系统而言,目前并没有较好的MPPT控制方法,一般采用传统的扰动观察法(爬山法)和增量电导法进行MPPT;而PV在实际使用中会遇到被云、建筑物和树影部分遮蔽的情况,使得PV系统的MPPT过程也难以实现,对于PV发电系统在部分遮蔽情况下的MPPT控制,文献[5-8]提出了一些控制方案,例如通过改进旁路二极管电路的方式和基于状态空间的控制方法,但总的来说这些方法要么实现复杂,要么算法的计算量大,输出效率低,对环境突变的响应能力差。风光互补系统的风电和PV发电部分需要不同的优化控制策略才可以实现系统的最大功率输出。在不提高硬件成本情况下,本文针对风光互补系统的风电机组部分采用了模糊MPPT控制方法,针对PV部分可能遇到部分遮蔽的状况提出了模糊PWM扰动的控制方法。通过MSP430F449单片机实现了基于所提议MPPT控制策略的风光互补MPPT控制器的软硬件设计,实验表明所提议的方法可以有效提高风光互补系统的电能质量、输出效率和供电可靠性。

1 风光互补系统结构

分布式的风光互补系统包括风轮、发电机、整流桥、光伏、控制芯片(单片机)、DC/DC电路、DC/AC电路和各种采集设备等,系统拓扑结构如图1所示。风力机产生的交流电通过整流桥变换为直流电,通过控制DC/DC电路的开关来实现直流电压的变换,进而得到蓄电池所需直流充电电压,如果是直流负载则利用DC/DC电路将蓄电池输出直流电压变换到所需直流电压;如果是交流负载则利用DC/AC电路将蓄电池输出直流电压变换到所需交流电压。光伏输出为直流电,同风力机相比不需要整流桥,其他过程相同。系统的控制部分包括单片机、信号采集电路和驱动电路等,风力机和光伏所产生的电压和电流信号通过电压、电流传感器采集,将信号进行AD转换并输入单片机,然后单片机通过内部程序的计算输出优化的PWM脉冲信号,利用驱动芯片去控制DC/DC和DC/AC电路中的MOSFET或IGBT,实现系统的MPPT和蓄电池的充放电控制。控制策略的优劣决定了系统输出效率的高低。目前风力机和光伏的价格非常高昂,一种高效的输出优化即MPPT控制方法对于风光互补系统是必需的。

2 风电机组MPPT控制方法

现代风能利用主要是风力发电,MW级变速恒频风电机组采用变桨距MPPT控制方式,通过风速计测得的风速信息即可实现MPPT,风速计对于小型风力机过于昂贵,同时桨距角是固定的,一般采用扰动观察和模糊逻辑控制方法实现MPPT。本文采用了模糊MPPT控制法,模糊规则如表1所示,输入输出变量的隶属函数如图2所示。

3 光伏MPPT控制方法

在理想天气状况下,PV的太阳照射强度是相同的,所以常规的扰动观察、增量电导和模糊等方法是有可能实现PV系统的MPPT,但在实际状况下,整个PV的照度不可能一直相同,即可能出现部分遮蔽情况,例如云、建筑物和树的阴影对部分PV的遮挡,导致被遮挡的PV的通流能力下降,部分遮蔽时的PV输出特性如图3所示,输出特性具有强烈的非线性,并出现了多个峰值点,被称为局部峰值点,而此时只有一个是该时刻的最大峰值,称为全局峰值点,传统的扰动和模糊方法是不可能实现部分遮蔽情况下的MPPT。例如利用扰动观察法在跟踪到图3中的A点的局部峰值后,PWM将稳定下来,不可能找到真正的全局峰值B点[5,6,7,8]。

在不增加硬件成本的基础上,建议将模糊和PWM扰动法相结合实现部分遮蔽情况下的MPPT,具体如下:首先利用传统的模糊法可以跟踪到PV输出的一个局部峰值点A,然后PWMA稳定下来,但是该点并不一定是PV的全局峰值;如图3所示,部分遮蔽情况下所有的局部峰值相距较近,这时可以在已经确定的PWMA上加上一个新的扰动±ΔPWM,即在PWMA附近寻找是否存在比A点更大的功率输出点,如没有则A点就是全局峰值;如果有则说明A点只是局部峰值,保存新的PWM值,继续扰动直至找到实际的全局峰值,扰动结束;如果系统输出功率发生超过5%的变化,则认为照度或遮蔽情况发生变化,程序重新运行。其中ΔPWM以1%的占空比变化,变化范围为±30%。

图4(a)显示了扰动法在部分遮蔽的情况下的输出功率曲线,由图可知输出不太稳定,特别是在遮蔽微小变化时跟踪效果不理想。图4(b)是所提议方法的输出功率曲线,与扰动法相比,启动时的超调量减小,输出功率的振动幅值减小,对遮蔽微小变化的灵敏度增强,输出功率较为平稳,即找到了实际的全局峰值。其中模糊规则如表2示,输入和输出变量的隶属函数分别如图5(a)、(b)所示。

4 分布式风光互补MPPT控制器设计

4.1 硬件设计

所设计的风光互补系统MPPT控制器主电路如图6所示,包括风力机、整流桥、光伏、boost(DC/DC)电路、蓄电池、负载等。系统的控制电路包括电流和电压采样电路、单片机外围电路和驱动电路等,硬件电路利用了Protel99se电路设计软件。实验中风力机基本参数如表3所示,光伏电池采用两块天威英利Module Type 40(17)P660×540,基本参数如表3所示,单片机采用美国德州仪器(TI)公司的MSP430F449;硬件电路采用外部12 V稳压电源供电,采用了可调电阻的500 W直流负载。

电路中主要器件型号如表4所示,其中整流桥如图7中D1-D6;电压传感器可采用CHV-25P,实验中采用分压方式;肖恩特二极管如图7中D7-D9,其中D8为防反二极管。功率开关器件允许通过的电流为14.1 A,为了留有一定的余量,取为两倍,即28.2 A,选用的MOSFET为IRF540N,如图6中T1-T4。图6中的T4和电阻R11组成蓄电池放电回路。Boost电路中的高频电感L1、L2、C3、C6通过计算分别取为1000μH、100μH、35 V/3300μH、50 V/100μH。所设计的风光互补MPPT控制器电路板和实验环境如图7所示。

4.2 软件设计

随着单片机在工业生产中的广泛应用,单片机模糊控制技术已经得到了实际的应用,单片机的模糊控制可采用软件和硬件两种方式实现,软件实现方式包括强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式三种;硬件实现方式主要是利用模糊单片机,也可称为模糊微控制器(Fuzzy Micro Controller,FMC),例如美国Nerualogix公司生产的NLX230。本文采用软件实现方式,主要的工作包括输入精确量的模糊化、模糊控制规则的推理合成运算和输出模糊量的精确化,文中采用的是直接查表方式,它是根据偏差e和偏差变化Δe通过查找事先准备好的模糊控制表来决定输出u,该方法最大的特点是结构简单、响应速度快、资源要求低、一般的家用电器的模糊控制多采用该方法。具体来说直接查表法分为四个步骤:(1)确定e、Δe和u的范围,即在论域中所处位置;(2)对于实际的e*和Δe*可以归纳到论域中的某一相对应的量程;(3)查找事先准备好的模糊控制表,得到对应的u,其中模糊控制表是根据专家经验,并确定相应的论域后的道德;(4)u乘以适当的比例因子后,就可以用于控制对象。在控制器的硬件电路和软件程序准备好后,将风光互补系统的电能输出端与智能控制器的电能输入端相连,并将控制器的电能输出端与直流负载相连,其中程序控制界面利用TI公司提供的IAR MSP430集成开发环境Workbench,来写入和修改程序,本文中采用C语言编程[9]。

5 实验结果

将光伏输出接到控制器输入端,运行传统的模糊MPPT程序,在没有部分遮蔽情况下输出稳定,在2 s时刻光伏电池被遮蔽了20%,系统输出功率曲线如图8(a)所示;然后运行所提议的模糊PWM扰动MPPT程序,输出功率曲线如图8(a)所示,在无部分遮蔽情况下输出与传统方法相比基本相同,当发生遮蔽时,所提议方法输出功率对遮蔽的灵敏性要高于传统方法,即拥有更快的响应速度,输出功率增加。利用所提议MPPT控制方法分别运行风电机组、光伏和风光互补光伏系统,系统输出功率曲线如图8(b)所示,由图可知,独立的风电和光伏发电系统受天气影响较大,供电稳定性较差,而风光互补系统有效提高了系统的供电可靠性,提高了电能的质量。对于分布式的供电系统而言,独立式的风电或PV发电系统在实际的运行过程中随着天气的变化将导致用户供电电压的剧烈变化,如采用蓄电池保证用户电能质量则需要较大容量的蓄电池组,如采用较小容量的蓄电池组则导致蓄电池的蓄电容量较大变化,缩短蓄电池的使用寿命。而风光互补发电系统输出相对稳定,可以有效提高了系统的供电可靠性和电能质量,在实际的使用中可以减少蓄电池的容量,减少投资。

6 结论

风光互补系统在实际运行过程中可能遇到的光伏被部分遮蔽的情况,提出了模糊PWM扰动的MPPT控制策略,该方法使PV在部分遮蔽和均匀照射情况下均可以跟踪到最大功率点,提高了PV发电部分的输出效率。风电机组部分采用了模糊MPPT控制策略,利用上述MPPT控制策略实现了风光互补系统的最大功率跟踪,通过MSP430F449单片机实现了系统的MPPT控制器设计,实验和运行结果表明,该控制器完全实现了风光互补系统的最大功率跟踪,并且系统成本低、易于实现、使用维护方便,有利于提高风光互补电站的自动化水平。

参考文献

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风光互补控制器 篇3

摘要： 随着风光互补发电技术的发展，储能单元已成为风光互补发电系统的重要组成部分，储能单元的优劣将直接影响到系统的整体性能.针对风光互补发电系统自身的特点，提出了基于风光互补发电系统的铅酸蓄电池多阶段充电控制策略.通过对不同阶段充电控制策略的控制调节，可以使蓄电池在环境发生变化时仍然可以得到合理有效的充电效果；通过合理的转换和控制电路使风能与太阳能资源得到最大限度的存储与利用；通过系统仿真与实验验证了蓄电池多阶段充电控制策略的合理性与可实施性.

关键词： 风光互补； 储能； 多阶段充电； 控制策略

中图分类号： TK 01+9文献标志码： A

随着能源与环境问题的日益突出，新能源的开发与应用日益受到国际社会的广泛关注.作为传统的新能源产业，风能与太阳能已成为新能源领域技术最成熟、最具产业化和规模化的行业.同时，风光互补发电系统亦存在资源的间断不平衡性﹑不稳定性的特点，需要配备相应的储能设备保证系统供电的稳定性与持续性.因此，储能系统的好坏将直接影响到风光互补发电系统的整体性能[1].

1风光互补发电系统组成

典型的风光互补发电系统总体结构如图1所示，其中：Us为太阳能电池板的输出电压；Uw为风机的输出电压；Uo为经前级DC/DC转换后风光互补系统的输出电压.其总体结构主要由电能产生单元、系统控制单元、前级DC/DC变换单元、后级逆变单元以及储能单元组成.

由于风光互补发电系统的多变性，风光互补发电也具有能量密度低、稳定性差和随机性大的特点，容易造成供电不连续和电能质量波动，因此一般需要配置相应容量的储能设备维持系统的稳定性[2].

储能单元在风光互补发电系统中的作用主要有：

（1） 将风光互补发电系统所产生的部分能量有效地存储起来，使能源得到充分的存储与利用.

（2） 改善电能质量，维持系统的稳定.在风光互补发电系统中，太阳光照强度与风速的变化都会使系统的能量输出不稳定，造成电能质量波动.储能设备的加入可改善风光互补发电系统输出电压质量，解决电压跌落、供电中断等电能质量问题.

（3） 在风机与光伏电池同时无法正常工作，不能正常提供电能时，储能装置可以起到过渡作用，为系统提供相应电能以保证系统工作的连续性.

因此，储能系统的好坏将直接影响到风光互补发电系统的性能.在实际的风光互补发电系统中，储能单元又是最易受损﹑消耗的部分.获得最佳的储能系统成为风光互补发电系统设计的重要组成部分[3].

2铅酸蓄电池多阶段充电控制策略

由于风光互补发电系统具有随机性和不稳定性的缺点，因此，采用传统的铅酸蓄电池充电方法[4]，如恒流充电﹑恒压充电，会降低蓄电池的充电效率，甚至造成蓄电池充不满电的现象，严重影响风光互补发电系统的整体性能[5].因此，本文在基于小型风光互补发电系统特点的基础上，将铅酸蓄电池的充电过程分为四个阶段：激活充电（涓流充电）、主阶段MPPT（基于最大功率跟踪）充电、均衡恒压限流充电和浮充充电（小电流保持）.四个阶段充电曲线如图2所示[6-7]，其中：U为蓄电池的充电电压；I为蓄电池的充电电流；T0-T1、T1-T2、T2-T3、T3-T4依次为四个阶段的持续时间.

蓄电池各阶段充电控制策略为[8]：

2.1激活充电

当对铅酸蓄电池进行充电时，控制系统首先开始采集风光互补发电系统输出端的端电压，选择合适的电能供给系统对蓄电池进行充电，同时对蓄电池的端电压进行采集.如果蓄电池的端电压低于某一限定电压值，则开启激活充电模式，同时说明蓄电池处于深度放电状态或可能处于受损状态.为避免充电电流过大造成“热失控”，在本阶段实行小电流激活模式，这样有利于激活蓄电池内反应物质，部分恢复受损的蓄电池单元.在激活充电阶段，蓄电池端电压开始缓慢上升.当蓄电池端电压上升到能接受大电流充电的阈值时转入第二阶段的充电过程.

2.2主阶段MPPT充电

本文所设计的小型风光互补发电系统中风力发电系统与太阳能发电系统是两个独立的发电模块，可进行单独的充电控制.风力发电系统受风速影响波动性比较强，光伏发电系统相对比较稳定，因此在充电过程中优先选用光伏发电系统作为蓄电池的基础充电系统.只要最大功率下的输出电流小于蓄电池可以接受的最大充电电流，则采用基于最大功率点的充电方式；如果风机和太阳能电池板所提供的充电电流大于蓄电池所能接受的最大充电电流，则开启风机卸载电路，舍弃一部分风机功率，维持充电电流不超过蓄电池最大充电电流.随着充电的进行，蓄电池端电压将逐渐升高，当达到规定阈值电压时，停止基于主阶段的蓄电池充电策略，转入下一充电阶段.

2.3均衡恒压限流充电

在此阶段，蓄电池仍未充满（蓄电池容量约为80%），但是为了避免充电电流过大造成电池极化，对蓄电池采用恒压充电方式.随着蓄电池容量增加，充电电流将逐渐减小.当达到浮充充电流阈值时（约为0.01～0.015 C），则表示蓄电池已基本充满.此时，均衡恒压限流充电模式结束，转入下一充电阶段.

2.4浮充充电

在浮充充电阶段，蓄电池已基本处于充满状态.在此阶段继续采用恒压控制（充电电压稍低

于均充电时电压）模式，以恒压小电流促进蓄电池的氧复合循环，补偿前级蓄电池瞬时大电流及自放电所造成的电池容量的损失，提高蓄电池的性能及使用寿命.

3蓄电池多阶段充电控制策略仿真

为了验证设计思路的可实施性和正确性，本文基于Matlab软件的Simulink仿真平台构建相应的蓄电池多阶段充电控制策略仿真实验平台[9].

设计中采用48 V铅酸蓄电池作为风光互补发电系统的储能装置.在蓄电池四阶段充电仿真实验中，设定蓄电池初始电压为44 V，MPPT充电阶段开始时阈值电压设定为46 V，在MPPT充电阶段充电电流设定为4.5 A，恒压阶段电压阀

值设定为55 V.蓄电池四阶段充电电路仿真波形如图3所示，其中t为蓄电池充电时间.

从图3可以看出，蓄电池充电时，基本可以按照所设定的充电策略进行.当达到相应充电阶段的阈值电压时，可以平缓地过渡到下一充电阶段.因此，蓄电池四阶段充电策略基本可以保证对蓄电池进行平稳的充电，实现各阶段的有序切换，验证了该充电策略的正确性.

4实验分析与验证

由于蓄电池容量相对比较大，完成一次完整的充电过程需要相当长的时间，这对数据采集工作带来了很大的不便.因此，本实验中，在天气晴朗时采用太阳能电池板对蓄电池进行充电[10].实验对象为4块相互串联的12 V/20 Ah铅酸蓄电池.铅酸蓄电池充电实验所耗时间约为6 h，每隔 15 min对蓄电池端电压进行一次实验数据记录，实测数据如表1所示.蓄电池充电过程中实测电流曲线如图4所示.

测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V

5结论

从实验数据与实验波形中可以看出，蓄电池多阶段充电控制策略可以基本实现对蓄电池多阶段充电过程.在进行充电实验之前，铅酸蓄电池初始端电压为45 V.因此，开始时首先对蓄电池实行补充充电.随着端电压逐渐升高，开始以系统的最大输出功率对蓄电池进行充电，此时充电电流基本保持不变，蓄电池端电压开始以较快的速度上升.随着蓄电池端电压逐渐升高，充电过程将逐渐趋于平缓，此时充电电流将逐渐下降.总体来说，蓄电池多阶段充电控制策略基本可实现对蓄电池进行多阶段充电控制，在各充电阶段过渡过程中也可保证对蓄电池进行平稳的充电.蓄电池多阶段充电控制策略可保证在充电初期能激活修复蓄电池，使蓄电池更经久耐用，在蓄电池充电末期不过充，又能达到充满的目的.

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[10]柳厚田，周伟舫.充电电压对铅蓄电池及其电极性能的影响[J].复旦学报：自然科学版，1988，27（1）：45-52.

值设定为55 V.蓄电池四阶段充电电路仿真波形如图3所示，其中t为蓄电池充电时间.

从图3可以看出，蓄电池充电时，基本可以按照所设定的充电策略进行.当达到相应充电阶段的阈值电压时，可以平缓地过渡到下一充电阶段.因此，蓄电池四阶段充电策略基本可以保证对蓄电池进行平稳的充电，实现各阶段的有序切换，验证了该充电策略的正确性.

4实验分析与验证

由于蓄电池容量相对比较大，完成一次完整的充电过程需要相当长的时间，这对数据采集工作带来了很大的不便.因此，本实验中，在天气晴朗时采用太阳能电池板对蓄电池进行充电[10].实验对象为4块相互串联的12 V/20 Ah铅酸蓄电池.铅酸蓄电池充电实验所耗时间约为6 h，每隔 15 min对蓄电池端电压进行一次实验数据记录，实测数据如表1所示.蓄电池充电过程中实测电流曲线如图4所示.

测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V

5结论

从实验数据与实验波形中可以看出，蓄电池多阶段充电控制策略可以基本实现对蓄电池多阶段充电过程.在进行充电实验之前，铅酸蓄电池初始端电压为45 V.因此，开始时首先对蓄电池实行补充充电.随着端电压逐渐升高，开始以系统的最大输出功率对蓄电池进行充电，此时充电电流基本保持不变，蓄电池端电压开始以较快的速度上升.随着蓄电池端电压逐渐升高，充电过程将逐渐趋于平缓，此时充电电流将逐渐下降.总体来说，蓄电池多阶段充电控制策略基本可实现对蓄电池进行多阶段充电控制，在各充电阶段过渡过程中也可保证对蓄电池进行平稳的充电.蓄电池多阶段充电控制策略可保证在充电初期能激活修复蓄电池，使蓄电池更经久耐用，在蓄电池充电末期不过充，又能达到充满的目的.

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值设定为55 V.蓄电池四阶段充电电路仿真波形如图3所示，其中t为蓄电池充电时间.

从图3可以看出，蓄电池充电时，基本可以按照所设定的充电策略进行.当达到相应充电阶段的阈值电压时，可以平缓地过渡到下一充电阶段.因此，蓄电池四阶段充电策略基本可以保证对蓄电池进行平稳的充电，实现各阶段的有序切换，验证了该充电策略的正确性.

4实验分析与验证

由于蓄电池容量相对比较大，完成一次完整的充电过程需要相当长的时间，这对数据采集工作带来了很大的不便.因此，本实验中，在天气晴朗时采用太阳能电池板对蓄电池进行充电[10].实验对象为4块相互串联的12 V/20 Ah铅酸蓄电池.铅酸蓄电池充电实验所耗时间约为6 h，每隔 15 min对蓄电池端电压进行一次实验数据记录，实测数据如表1所示.蓄电池充电过程中实测电流曲线如图4所示.

测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V测试时间蓄电池端电压/V

5结论

从实验数据与实验波形中可以看出，蓄电池多阶段充电控制策略可以基本实现对蓄电池多阶段充电过程.在进行充电实验之前，铅酸蓄电池初始端电压为45 V.因此，开始时首先对蓄电池实行补充充电.随着端电压逐渐升高，开始以系统的最大输出功率对蓄电池进行充电，此时充电电流基本保持不变，蓄电池端电压开始以较快的速度上升.随着蓄电池端电压逐渐升高，充电过程将逐渐趋于平缓，此时充电电流将逐渐下降.总体来说，蓄电池多阶段充电控制策略基本可实现对蓄电池进行多阶段充电控制，在各充电阶段过渡过程中也可保证对蓄电池进行平稳的充电.蓄电池多阶段充电控制策略可保证在充电初期能激活修复蓄电池，使蓄电池更经久耐用，在蓄电池充电末期不过充，又能达到充满的目的.

参考文献：

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风光互补优缺点 篇4

一、概念及技术原理

光电系统是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，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机，将风能转化成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低。缺点是小型风力发电机可靠性低。

风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。

技术构成：

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，,或者采用小功率led 光源，蓄电池可以直接供电。

2、特点

A、风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，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。

B、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。

C、风光互补发电站是针对通信基站、微波站、边防哨所、边远牧区、无电户地区及海岛，在远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。

3、风光互补的优点

A、昼夜互补——中午太阳能发电，夜晚风能发电 B、季节互补——夏季日照强烈，冬季风能强盛。C、稳定性高——利用风光的天然 D、互补性，大大提高系统供电稳定性。

对比：单纯的风能与太阳能供电有显著的缺陷 A、季节性障碍无法克服 B、供电不稳定

C、公用设施供电不适宜

4、产品及应用

A、风光互补公共照明系统

完全利用风和太阳光能为灯具供电（无需外接电网）。系统兼具风能和太阳能产品的双重优点，由风、光能协同发电，电能储于蓄电池中，开关智能控制，自动感应外界光线变化，无须人工操作，主要用于乡村结合道路、高速公路、城市道路、防洪堤及景观道路。产品特点：

1、零电费、零排放，节能减排、绿色环保、未来照明发展的重要方向之一。

2、三免产品：

免能耗：利用自然资源自身发电，无需外界供电； 免配套：独立供电，无需其他辅助输电设备； 免电费：自身发电，运行不需要电费支出； 风光互补公共照明系统应用范围：

城市路灯 ；农村路灯——“路路亮”高速公路； 防洪堤；景观工程；小区公共照明等。

B、家庭供电系统：主要用于农村无电户、别墅度假屋、渔船游艇、家庭并网系统。

C、风光互补分布式电站系统：主要应用于分布式电站、用户侧并网、海岛、边防哨所 无电村集中供电。

D、风光互补离网型独立供电系统：主要应用于通信基站、加油站、收费站、养殖场等。

E、风光互补监控指示系统：主要应用于：交通监控、指示；治安国防监控；石油、天然气、电力线监控；森林防火监控等。

二、风光互补发电系统技术评价

光电系统是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，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机，将风能转化成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。

另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

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。

风光互补发电系统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作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推广风光互补发电系统最大保障是小型风力发电机的可靠性问题。

几十年来，小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定的成就，但从根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。长期以来，出于成本上的考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是通过空气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护。机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞的实验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。

目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是

尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决办法。

华豫新能源公司研究开发的限速保护理念是一种全新的磁电限速保护，其技术要点在于当风力机处于“过功率”状态时给发电机一个反向磁阻力距，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮输出的功率，从而使风轮转速下降，风轮转速的下降，使风轮的叶尖速比减小，从而降低定桨距风轮的风能利用率，减小风轮吸收的风能，从而进一步减低风轮转速„„为此连锁作用所产生的实际效果是减速而不是限速，而磁电响应的过程，使保护动作十分安全可靠。随着传统能源的日益紧缺和低碳生活理念的倡导，太阳能的应用将会越来越广泛，尤其太阳能发电领域在短短的数年时间内已发展成为成熟的朝阳产业。下面浅谈太阳能路灯照明的优缺点：

1：目前制约太阳能发电应用的最重要环节之一是价格。

2：一些工程商常选用LED灯做为太阳能路灯的照明，但是LED灯的质量层差不齐，光衰严重的LED半年就有可能衰减50%光照度。所以一定要选择光衰较慢的LED灯，或者选用无极灯、低压钠灯等。

3：蓄电池的使用寿命也应该考虑在整个路灯系统应用中，一般的蓄电池保修三年或五年，但一般的蓄电池在一年、甚至半年以后就会出现充电不满的情况，有些实际充电率有可能下降到50%左右，这必

将影响连续阴雨天时期的夜间正常照明，所以选择一款较好的蓄电池尤为重要。

4：控制器的选择往往也是被工程商忽略的一个问题，控制器的质量层差不齐，12V/10A的控制器市场价格在100-200元不等，虽然是整个路灯系统中价值最小的部分，但它却是非常重要的一个环节。控制器的好坏直接影响到太阳能路灯系统的组件寿命以及整个系统的采购成本，5:控制器的防水，控制器一般装于灯罩、电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中控制器端子的连接线往往因为雨水顺着连接线流入控制器造成短路。所以在施工时应该注意将内部连接线弯成“U”字型并固型，外部连接线也可以固定为“U”型，这样雨水就无法淋入造成控制器短路，另外还可在内外线接口处涂抹防水胶。6：距离市区较远的地方还应该注意防盗工作，很多工程商因为施工疏忽，没有进行有效的防盗，导致蓄电池、电池板等组件被盗，不仅影响了正常照明，也造成了不必要的财产损失。

风光互补发电系统及其发展 篇5

我国的风力发电和太阳能发电技术起步较晚, 由于我国是人口大国, 人均能源匮乏, 远低于世界平均水平, 我国能源发展战略研究会议文献表明:“我国电力工业的结构应当多元化, 利用多种能源资源积极发展新能源和可再生能源用于发电。这是一条以煤炭为基础能源的多元化的可持续发展的中国能源发展之路, 是一条适合我国国情的能源发展之路”。太阳能与风能在时间上和地域上天然具有很强的互补性, 风力发电 (风电) 和太阳能发电 (光电) 系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点, 但风电和光电分别在无风和阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应, 对于无电网的边远地区, 单独使用风电或光电需配备相当大的储能设备。采用风力发电和太阳能发电互补 (风光互补) 技术后, 可以有效解决单一发电不连续问题, 保证基本稳定的供电。我国属季风气候区, 一般冬季风大, 太阳辐射强度小;夏季风小, 太阳辐射强度大, 风光互补发电技术正在得到广泛应用。以风力和阳光资源为能源, 通过风力发电机和太阳能电池将风能和太阳能转化为电能, 供给用电设备使用。

1 风/光互补发电系统—最合理的独立电源系统

20年来风力发电和太阳能发电在我国的沿海、新疆和内蒙等地得到了一定的推广应用。由于对环境和能源的重视, 国内在新能源领域的研究困于资金的限制, 针对部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民等需要低成本、高可靠性的独立电源系统的潜在用户。集中于风力发电及太阳能发电的控制算法研究和小型新能源系统的研究, 而小型风光互补发电系统的也逐渐得以呈现在人们的视野里。

目前国内对小型风光互补发电系统的研究也仅限于系统的组成与控制、设备的选用以及系统仿真等。

小型风光互补发电系统一般包括风力发电机、太阳能电池组件、控制器、逆变器、耗能负载、蓄电池组以及支架等。发电系统具体工作原理如图1所示。白天在太阳光的照射下, 太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后, 通过控制器一部分经逆变器转化成交流电供负载使用, 另一部分对蓄电池进行充电;当阳光或风能不足时, 蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供交流负载使用 (图2) 。

风光互补发电系统有很多优点:

(1) 利用太阳能、风能的互补特性, 可以获得比较稳定的总输出, 有效解决无风或无阳光电力供应中断问题, 提高供电的稳定性和可靠性;

(2) 在保证同样供电的情况下, 可大大减少储能蓄电池的容量;

(3) 对风电和光电进行合理的设计和匹配后, 可以基本上保障用户电力供应, 无需配备其他电源。

2 风光互补发电系统的适用性

2.1 资源的评价

偏远地区一般用电负荷都不大, 所以用电网送电就不经济, 在当地直接发电, 最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区成本太高, 所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期稳定可靠的供电问题, 只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍的自然资源, 也是取之不尽的可再生能源。

太阳能是地球上一切能源之源, 太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式, 由于地球表面的不同形态 (如沙土地面、植被地面和水面) 对太阳光照的吸热系数不同, 在地球表面形成温差, 地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

我国西部地区是世界上最大, 也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一, 尤其是西藏地区, 空气稀薄, 透明度高, 年日照时间长达3 400 h, 每天日照6 h以上年平均天数在275~330天之间, 辐射强度大, 年均辐射总量7000 MJ/m2, 地域呈东向西递增分布, 年变化呈峰型, 资源优势得天独厚, 应用前景十分广阔。

我国风能资源丰富, 储量3 200 GW, 可开发的装机容量约253 GW, 居世界首位, 与可开发的水电装机容量380 GW为同一量级。2005年我国风电装机容量超过1 GW, 2020年风电规模预计达30 GW。未来风电很可能成为和太阳能比肩的新能源行业。我国风能开发利用的潜力很大, 属于风能资源可利用区。

特别是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, 风光互补发电系统是一个最好的独立电源系统。

2.2 技术评价

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能, 通过控制器对蓄电池充电, 再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是供电可靠性高, 运行维护成本低, 但是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机, 将风能转换成电能, 通过控制器对蓄电池充电, 再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是发电量较大, 系统造价较低, 运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。

风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题, 风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电, 但每天的发电量受天气的影响很大, 会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态, 这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

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。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统, 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。对于用电量大、用电要求高, 而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区, 风光互补供电无疑是一种最佳选择。

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。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统, 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。对于用电量大、用电要求高, 而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区, 风光互补供电无疑是一种最佳选择。

2.3 风光互补发电系统的合理配置

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成, 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。

2.3.1 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。

最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据, 而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。

2.3.2 太阳能和风能的资源状况

项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据, 一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数, 在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数, 最后光电板和风机的容量。

3 结语

风光互补发电系统是科学利用自然资源的新成果。它有诸多优势:

(1) 弥补了独立风电和光电系统的不足, 向电网提供更加稳定的电源。

(2) 充分利用土地资源。风力发电设备利用高空风能, 光伏发电设备则利用风机之间的地面太阳能, 实现地面和高空的有效结合。

(3) 大大提高经济效益。由于共用一套送变电设备, 降低了工程造价;共用一批经营管理人员, 提高了劳动效率, 降低了运行成本。

(4) 2005年, 我国第一个风光互补发电系统在华能南澳风力发电场成功并入当地10 k V电网, 该系统中采用100 k VA的发电设备是国内首个并入电网运行的太阳能光伏发电系统。

(5) 风光互补发电技术在我国的发展才刚刚起步, 在交通、通信等诸多领域仍有无限前景。

风光互补发电系统作为合理的独立电源系统, 开创了一条综合开发风能和太阳能资源的新途径, 标志着开发利用太阳能光伏发电进入了新的阶段。它不仅适用于缺电的边远地区, 因为它是可再生能源, 无污染, 且成本低、效率高, 所以在条件具备的地方都有很好的开发应用前景。

摘要：新能源领域中的风力发电技术和太阳能发电技术发展非常迅速, 风光互补发电方案是独立供电系统的最佳选择。

关键词：新能源,风力发电,太阳能发电,风光互补发电

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风光互补路灯的发展前景研究 篇6

二十世纪70年代太阳能科技的应用突飞猛进, 对太阳能利用的方式日新月异。法国工程师所罗门·德·考克斯在1615年发明第一台太阳能驱动的发动机。他是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功来抽水的机器。1615年至20世纪初, 世界上又研制出多台太阳能动力装置和其它一些太阳能装置。但是这些动力机器装置大部分都是用聚光方式利用太阳能, 输出功率不大, 且价格昂贵, 没有太大实用价值。

我国自从在1958年开始研制第一片硅晶体光伏电池, 直到现在可以说走过已经大半个世纪。“中国的硅光太阳能电池经历了从无到有、由小到大、由军到民、从空间到地面、由单品种直到多品种再到光电转换率由低至高的艰难且辉煌的历程。”据统计, 自从2002年至今, 中国的硅光太阳能电池生产量迅猛增长了七十七倍。2008年, 我国硅光太阳能光伏电池总产量已占世界总产量的三分之一强, 已经连续两年被评成为世界第一大硅光伏太阳能电池生产大国。

风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。在地理位置上我国临近太平洋, 位于亚洲东部, 内陆还有众多山系, 地形复杂, 季风风力强, 并且我国西部耸立着青藏高原, 进而改变了海陆影响引起的大气环流和气压分布, 使我国季风分布变的很复杂。因东南季风的影响已遍及我国东部, 而西南季风则已影响西南部各省和南部边沿海, 夏季风是来自太平洋的东南风、西南风则是从印度洋和南海吹来的。但是风速远远不及上东南的季风大。而热带强风暴则是全西部太平洋及热带大部海洋已在南海上空形成的强空气涡漩, 属于极破坏力强大的超海洋风暴。当登陆我国南海之滨和东南沿海后, 每年夏季和秋季频频侵袭我国, 热带强风暴也会在上海的北部登陆, 但是次数非常少。是因为青藏高原地势高亢开阔, 冬季东南部盛行偏南风, 且东北部大多为东北风, 而其他地区则一般为偏西风。夏季以唐古拉山为边界, 以北向东为东北风, 以后向南则盛行东南部季风。在西伯利亚及蒙古等中及高纬度的内大陆, 那里空气则十分严寒且干燥当强冷空气被积累到大一定程度, 就会形成了向冬季风。并在有利的高空环流风引导下, 就会很快变成向南下俗称为的寒潮。并在此后强冷空气控制及影响下, 形成寒冷干燥的西北风来侵袭我国的北方各省 (直辖市、自治区) 。每年冬季则总会有多次很大幅度的降温强冷空气南下, 直到次年的春夏之交后才消失。其为主要影响我国大西北、东北及华北。我国幅员辽阔, 有一万八千多公里的海岸线, 有岛屿五千多个, 风能资源十分丰富。我国风电场现有的场址的每年平均风速都能达到6米/秒以上。风力发电场的风况分为三类:年平均风速达到6米/秒以上时为较好;达到7米/秒以上为好;达到8米/秒以上为很好。估算国际标准大气状态下该机组的年发电量, 可按风速频率曲线和机组功率曲线来设计。我国达到6米/秒以上平均风速的地区, 全国范围内仅有较少数几个地带。从内陆算起, 仅占全国陆地总面积的百分之一, 主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿, 包括辽东半岛、山东、黄海之滨, 南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛, 这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区, 新疆达板城, 阿拉山口, 河西走廊, 松花江下游, 内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北, 分布各地的高山山口和山顶以及张家口北部等地区。

从全国气象台提供的风能资料的计算统计, 太阳辐射出的能量到达地球表面上约有2%转化为风能, 风能是地球上重要的自然能源的一部分, 我国潜在风能估算如下:风能理论可开发总量 (R) , 全国为32.26亿千瓦, 实际可开发利用量 (R’) , 按总量的l/10估计, 并考虑到风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0.785倍[1米直径风轮面积为0.52 Xπ=0.785 (平方米) ], 故实际可开发量为:R’=0.785R/10=2.53 (亿千瓦) 。

我国的太阳能资源和风能资源虽然都很丰富。但却具有典型的季节差异。在春季和秋季太阳能和风能相对适中, 而冬季全国大部分地区的风比较多。在夏季则全国大部分地区太阳光照时间较冬季要长很多。因此, 太阳能要比风能强很多。如果我们用单一型的风能或太阳能就可能出现某地区在每年特定时段季节性能源不足。进而给社会的生产和生活带来不便。如果我们能将太阳能和风能结合在一起组成风光互补型能源, 就能解决这种因季节而造成的能源阶段性不足。

我们以经讨论了我国太阳能和风能的地区性分布和季节性差异。这种不足可以利用风光互补能源方式进行解决。而随着我国城市化进程的加快, 公路也越建越多。这就要在路两边修建大量路灯, 而这些路灯的耗电量就很大啦!如果将路灯从传统的固定线路供电改成风光互补型能源供电, 充分利用地域性风能和太阳能就能节约很多电能。因此, 我们有必要对风光互补路灯进行深入研究进而在我国各地进行风光互补路灯的普及工作。

摘要：近年来随着石化能源的大量使用, 并对世界环境造成巨大的污染同时石化能源的储量也正在减少。因此, 节能和环保成为世界能源所要面对的主要问题。我国是世界大国, 幅员辽阔, 物产丰富。对能源的需求和使用量大, 进而环境污染问题也比较严重。所以在我国推广使用风光互补路灯是很有必要的节能手段。

风光互补控制器 篇7

风光互补发电技术是世界新能源利用的趋势, 随着风力发电技术和太阳能发电技术日臻完善、成本日趋下降, 风光互补发电技术将有很广阔的市场前景。但是光照强度、风速、温度等环境因素随地理位置、时间、天气等的变化有很大差异, 对风光互补发电系统有很大影响。而系统的运行是否达到预期目标, 仅从运行效果来看是无法客观、准确的显示出来, 因此需要有一套数据采集监测系统来测得实时数据以指导操作人员进行安装方案的选择和系统运行状态的分析。

2. 系统构成和功能设计

本系统主要由数据采集, 数据处理, 数据存储和发送三部分组成。数据采集由ATmega16单片机和各种传感器构成。数据处理是由电脑上位机构成, 显示采集到的环境参数和电参数。数据存储和发送是由RS232串口通信、SD卡数据存储模块、GPRS无线数据传输模块构成。

2.1 数据采集

为了全面监测风光互补发电系统的运行状态, 必须将所有相关参数测量和记录。这些参数包括发电机的电压、电流和功率, 太阳能电池板的电压、电流和功率。以及光照强度、风速、温度等环境参数。通过各种相关的传感器, 将这些数据采集到单片机中, 单片机根据从时钟芯片所获得的时间信息, 确定数据保存和发送的时刻。本系统由三种数据保存发送方式, 以供不同应用场合使用。

2.2 硬件设计

2.2.1 霍尔电压、电流传感器

霍尔电压、电流传感器是根据霍尔原理制成的线性元件。它有直测式和磁平衡式两种工作方式。此平衡式闭环霍尔电压传感器工作原理:霍尔磁补偿原理—被测电流In从原边通过导体会产生磁场, 通过霍尔元件在副边输出原边控制信号的补偿电流Im, Im流过次级线圈产生一个与原边反向的磁场, 当原边与副边的磁场达到平衡时, 其补偿电流Im即可精确反映原边电压值。闭环霍尔电流传感器工作原理与闭环霍尔电压传感器工作原理类似, 也是以磁平衡方式工作, 它是用补偿电流直接反应原边的输入电流。

实际应用中电压传感器采用CHV-系列霍尔电压传感器。它可以用于测量直流、交流、脉冲电压, 实现原边被测电压与副边输出电流 (电压) 电气隔离。

电流传感器采用CHB-系列霍尔电流传感器。可用于测量直流、交流、脉冲电流, 原边被测电流与副边输出电流电气隔离。

2.2.2 风速传感器

风速传感器采用TF-V1系列风向仪。测量风速范围0—30m/s, 额定工作电压12V DC, 输出信号0-5V直流电压。风向仪由三个互成120°的半圆形空杯组成三杯式旋转感应仪, 感应仪安装在和它垂直的旋转轴承上, 配合内部顺滑的轴承系统, 确保了信息采集的精确性。

2.2.3 光照传感器

传感器采用KTR-TBQ型总辐射测量仪。传感器由感应件、玻璃罩和配件组成。感应件由感应面和热电堆组成。其工作原理基于热电效应。热电堆为快速响应的线绕电镀式热电堆, 感应面涂3M无光黑漆。当涂黑的感应面接收辐射增热时, 使以热接点紧贴在下部的热电堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势输出信号。

2.2.4 温度传感器DS18B20

该温度传感器通过单总线方式与单片机进行通讯, 能够方便的测量环境的温度。它采用单根信号线完成数据的双向传输, 并同时通过该信号线为单总线器件提供电源, 具有节省I/O引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

2.2.5 时钟芯片DS1302

该时钟芯片通过SPI总线方式给系统提供实时时钟, 能够准时的控制数据传输的起止时刻, 并且将时间数据作为协议的一部分, 可以使系统准确的记录数据的时刻。

2.2.6 ATmega16

系统主控芯片ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16有丰富的片上资源, 集成了8路单通道ADC、PWM、SPI总线、IIC总线等, 可以减少大量的外围电路缩短产品的开发周期。ATmega16的低成本与高性能使其有广泛的应用。

3. 系统软件设计

本监测系统上位机使用C#和ACCESS数据库开发, 界面主要有三部分:串口参数设置;文本文件导入;实时参数与历史曲线显示。根据不同的应用场合数据将通过以下三种方式获得, 同时在右侧的坐标中做出数据曲线, 直观的将数据显示出来, 使操作人员清晰的观测在本次数据采集中数据的变化过程与趋势。

3.1 现场数据监测

在风光互补发电系统的安装现场, 可以使用本监测系统, 通过RS232串口线和安装本上位机的计算机的串口连接。将上位机的串口号设置成串口线实际对应的串口号, 点击“打开串口”按钮, 如果按钮左侧的指示灯变亮, 则标志通信正常。连接成功后, 上位机中相应的参数显示文本框中将显示实时数据, 右侧的坐标横轴是数据采集编号, 按数据的到来顺序自增, 纵轴分别是风速、光照强度、

风机功率、太阳能电池板功率。同时将数据记录到ACCESS数据库。

3.2 GPRS远程数据监测

软件使用方法同现场数据监测, 不同之处是用GPRS模块来代替RS232数据线, 本系统使用KL-W7000系列GPRS数据采集模块。使用时将本系统的硬件部分用串口线连接到该GPRS数据采集模块的DB-9接口, 插入已充值的SIM卡。使用该模块配套的虚拟串口上位机软件可以完全透明的与扩展设备进行通讯传输数据, 从而实现智能设备数据的无线透明传输。

3.3 SD卡数据存储模块

数据存储使用SD卡数据存储模块。该数据采集模块将数据存放于SD卡, 便于数据收集并利用计算机分析。电路每次上电, 模块将在SD卡中自动创建一个文件夹, 然后在文件夹中创建一个数据文件, 用户要存储的数据就存在这个文件中。使用串口线将模块和单片机连接, 单片机通过发送的ACSII字符都将保存到模块上电以后自动创建的TXT格式的文本文件中。将该TXT文件放到本系统上位机的安装目录中。点击软件左侧导入文件按钮, 文件中的数据将自动导入上位机, 并且同将各种数据显示到相应的保存到ACCESS数据库中。

4. 结束语

该监测系统通过三种数据存储和发送方式对风光互补发电系统相关参数进行监测, 上位机软件界面友好, 数据库功能强大以及历史曲线显示, 所得数据对进行风光互补发电系统调试的操作人员很好的指导意义。而且其低成本和维护方便的优点使本系统具有很好的实用与推广价值。

参考文献

[1]黎水平, 贺建军.基于GPRS的配电变压器在线监控系统研究[J].自动化仪表, 2008, 29 (9) :33-35.

[2]马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社, 2005:80-181.

[3]王健, 娄承芝.风光互补发电数据采集管理系统研究[J].数采与处理, 2007, 15 (9) :1247-1249.

风光互补控制器 篇8

一方面,我国经济社会发展迅速,能源资源的需求进一步加大,使得我国的能源缺口严重,而且,使用一次能源的量较大,产生了较为严重的环境污染问题,使得环境治理和经济发展之间产生矛盾;另一方面,我国幅员辽阔,地理位置优越,具有十分丰富的太阳能和风能资源,开发和利用的前景广阔,尤其是对于一些偏远地区来说,风光互补发电系统的利用率还较低,可开发的潜力还很大。

同时,由于我国季风气候和地理区域的特点,使得我国在夏半年的光能资源较为丰富,但风能资源贫乏,反之,在冬半年,风能资源较为丰富,光能资源匮乏,同样的,由于夜间、阴雨天等影响,太阳能资源具有十分不稳定性,而且,风能受天气变化影响,也具有不稳定性,因此,研究风光互补发电系统的应用,就具有十分重要的意义,能够弥补太阳能和风能的缺陷,使得其时间上和空间上的优缺点相互弥补,比单一的太阳能发电和风能发电的效率要高,能够提供更为稳定的供电,促进边远地区的更好发展。

1 对风光互补发电系统研究和应用的分析

1.1 风光互补发电系统研究现状分析

风光互补发电的理念出现较晚,是由丹麦专家在20世纪80年代出提出来的,而我国引入这一理念还较为更晚一些,但发展却很迅速,在我国边远地区的风光互补发电系统应用中,取得了较为突出的成绩,目前,各国对于风光互补发电系统的研究,主要关注重点是对该系统的效率提升和优化配置等,此外,一些国外的研究人员为了提升风光发电系统的更优配置和设计,通过模拟一些不同配置系统条件下的发电效率,进行输电成本和工作性能的分析和对比,研究出一些计算风光互补发电系统最优化配置的软件系统,最为出名的是由美国可再生能源资源研究推出的hybrid2软件,能够极大地对风光发电互补系统进行最优的配置,达到使用效率的最高。

1.2 我国风光互补发电系统应用分析

在引入风光发电理念以后,我国很多学者都对其进行了深入的研究,根据我国实际的特点,得出了适用于我国国情的风光互补发电系统应用理论体系,促进了我国能源资源的节约和使用效率的提升;目前,我国风光发电系统的应用范围还不够广泛,在一些偏远地区,对这一系统的发展和使用重视程度还不够,我国在风光互补发电系统,取得了一些技术上的进展和突破,尤其是离网型风光互补发电系统技术,已经达到世界领先水平,在我国的应用范围也较为广泛,例如,在一些国家电网还没有覆盖到的边远地区的通信站路灯、应急电站、港口哨所等,一些独立的供电系统,使用风光互补发电系统具有节约成本、提升发电效率等优势。

目前,在我国,风光互补发电系统应用也比较多,其中具有代表性的发电系统有很多,例如,在新疆纳木错旅游区安装的100kW的风光互补发电系统,内蒙古呼伦贝尔、西安、云南等地区一些高速公路上安装的风光互补发电系统,为全程监控系统提供稳定的电源,东海、黄海上的石油钻井平台,使用的风光互补发电系统等,但总的来说,我国风光互补发电系统的应用还不够广泛,发展的前景还很广阔,尤其是在一些电网覆盖不到的边远地区,应用风光互补发电系统具有很明显的优势。

2 对风光互补发电系统的构成及特点分析

风光互补发电系统具有很明显的使用优势,弥补了单一的风能发电和光伏发电的缺陷,开发应用前景广阔,风光互补发电系统的基本构成如图1所示,主要由风力发电机/光伏组件、风机/光伏控制器、蓄电池和逆变器等构成,并且,太阳能发电和风力发电都可以提供输出直流电源,同时,还可以使用蓄电池充电,然后,利用蓄电池向负载提供稳定的电能供应,并根据用户使用电源类型的不同,使用逆变器将直流电变为交流电,满足用户的需求。

2.1 对风力机组的分析

风力机组和其组合系统是将风能转化为电能,利用风机组先将风能转化为机械能,之后,再转换为电能,进而可以通过向电池充电以及逆变器的转换等,最终转化为我们所需要的电源。一般来说,风力机一般有上风向、水平轴、三叶片进行布置,在计算风力机组输出功率时,要进行科学的计算。

2.2 对太阳能发电系统的分析

首先,太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板,最大程度的吸收太阳光,将其转化为电能,同样,利用蓄电池进行负载供电,并根据用户使用的不同,将直流电通过逆变器转换为交流电进行供电,此外,在进行太阳能辐射量计算时,要考虑到电池板的倾斜角等影响因素,进行精准的计算。

2.3 对控制器和控制中心的分析

在风光互补发电系统中,控制器和控制中心是最重要和最关键的部件,这是风光互补发电系统进行风力发电和太阳能发电的替换管理装置,主要是对整个系统进行衔接,并对蓄电池进行自动的控制,控制中心能够根据当时当地风力大小和日照辐射强度进行灵活的调整,对蓄电池的工作状态进行实时的控制和切换;一方面,把产生的电能直接通过直流负载或是交流负载进行输送,完成电力的运输,另一方面,就是把所产生的多余电能输送到蓄电池进行存储,防止系统的发电量不能满足复核时,供电不足现象的出现,保证风光互补发电系统供电的稳定性和连续性。

2.4 对蓄电池的分析

蓄电池是风光互补发电系统中很重要的一个构件,能够起到平衡负载和电能调节的作用;一方面,蓄电池可以把太阳能发电和风能发电所产生的电源转化为化学能,进行储存,当供电不足时,再转化为电能进行输送,保证负载的稳定性和供电系统工作的连续性;另一方面,由于风能发电和太阳能发电存在很大的不确定性和间隔性,其所输出功率也不尽相同,这就要求蓄电池的充电能力和方式有独特性,要保证对蓄电池的容量在没有电能输入的情况下,可以满足负载两天的用电量,同时,为了延长蓄电池的使用寿命,确保蓄电池的当月放电深度不能大于30%,其次,连续亏电期应在两个月之内。

2.5 对逆变器和控制系统的分析

逆变器就是根据用户的需求不同,将蓄电池中的直流电转化为交流电,报保证负载交流电气设备的正常使用。

风光互补发电系统的控制系统较为复杂,根据控制系统的特点,对发电系统现场进行各类传感器、执行器和变送器的控制,并对数据进行分析,然后智能的决定进行风光互补发电系统的自动切换,保证供电的最大效率和稳定性。

3 结束语

风光互补发电系统在我国的应用范围还较小,尤其是对于一些边远地区,并且,随着我国能源资源缺口的加大,不可再生能源消耗的加剧,环境污染问题的严重,使得我国对清洁能源的研究和开发力度加大,根据我国的国情和特点,风光互补发电系统具有明显的优势和益处,对国家电网暂时覆盖不到的边远地区,要加快使用风光互补发电系统,解决生活和生产难题,能更好的促进边远地区的发展,造福于人民。

摘要：全球性的能源危机严重,各种不可再生资源的使用缺口越来越大,使得各国的可持续发展遭遇了瓶颈,当前,开发和使用新能源,成为各国研究的一个重点,而其中风能和太阳能是其主要的研究方向,太阳能和风能的可再生性、清洁性、无污染、高效便捷等优势,深受各国的喜爱,我国在这一方面也展开了研究,本文对风光互补发电系统在边远地区的应用进行了分析,对我国风光互补发电系统发展的现状也进行了分析,并对风光互补发电系统发展和应用存在的问题进行了分析,结合笔者学习经验,提出了一些合理的建议和办法,希望有所帮助。

关键词：风光互补发电,应用分析,现状及存在问题,解决措施

参考文献

[1]董光凯,白岩林.风光互补发电系统应用现状分析.河北:河北人民出版社,2009.

[2]林泽森,齐勇.浅析风光互补发电系统应用及存在问题.湖北:武汉出版社.2010.

[3]王涛,周刚.我国风光互补发电系统研究和应用.郑州:中原杂志出版社,2012.

[4]姚蓓森,陈留坤.试论当前清洁能源的开发和使用.陕西:西安出版社,2010.

风光互补控制器 篇9

随着能源危机的日益临近, 太阳能和风能这两种新能源将可望成为今后世界上的主要能源之一, 随着应用技术的日益成熟, 应用成本的大幅降低, 太阳能和风能这两种互补性良好, 取之不尽, 用之不竭的绿色能源在高速公路外场设备的供电领域也逐步开始施展身手。

福州长乐国际机场高速公路一期为我省首条全程监控高速公路, 全线共设13处监控点, 其中4处监控点由于条件所限, 采用的是太阳能供电方式。但在试运行一年后发现存在一定缺陷:一是在连续阴雨天气时由于系统长时间无法补充能量;二是在发生路面事故等紧急情况下, 监控人员需频繁操作云台, 此时功率消耗较大, 太阳能供电系统的储能速度低于监控设备的能量消耗, 难以满足全天候不间断监控要求。经过多次研究论证, 可以采用风光互补系统, 即风力发电机与太阳能光伏系统进行互补供电的方式进行供电。因此, 针对原有单纯太阳能供电系统的缺陷, 通过改造降低监控设备的功耗的同时, 采用风力发电机与太阳能电池互补供电方式, 可以解决设备供电不足的问题。

2 研究主要内容

2.1 监控设备的降耗改造

由于原来云台静态工作时有对其供电, 损失了部分的电能, 通过对供电系统的重新设计, 改为当有控制信号下发时启动逆变器供电, 无控制信号时不供电, 以消除云台待机的静态功耗。

取消监控系统原有的独立解码器, 对部分设备的线路和电路进行重新设计, 并利用路侧端机板载解码器, 实现摄象机控制信号的解码。

2.2 发电容量确定

发电系统是为满足设备的用电要求, 为设备提供可靠的电力, 计算出设备的最大用电负荷和平均日用电量。通过计算路侧端机、解码器、摄像机、云台等设备动静态的工作电流, 分别计算出设备动静态的耗能, 最后统计计算出设备平均每天总共需要的用电量。按连续7天阴雨、蓄电池效率75%考虑, 并结合和本地风能、太阳能分布情况选择风力发电机, 并确定与之匹配的太阳能电池组合板。

负载平均每天用电量:

静态:全天耗能19.66AH (0.819A×24H) , 功率9.83W (12V×0.819A)

动态:假设每天云台动态工作时间不超过20分钟, 则全天耗能20.44AH (19.66AH+0.78AH) , 其中云台20分钟耗能0.78AH (2.349A×20/60) 。

折算成全天24小时消耗功率为10.22W (20.44AH/24H×12V) 。

发电量计算:

(1) 光伏系统各月发电量。

对于太阳电池方阵容量为P的光伏系统, 各月发电量:

Q =NPTmη1η2 (1)

式中:N——当月大数;Tm——该月平均峰值日照时数;

η1 ——从太阳电池方阵到蓄电池的输入效率;

η2 ——从蓄电池到负倚的输出效率。

(2) 风力发电机各月份发电量。

对于小型风发电机, 各月发电量:

E=E1+E2 (vm≤vi < vH) (2)

E1=∑PNhi | (vi/vH) 3| (vi =vm～ vH) ;E2=PN∑hi (vi =vH～ vr)

式中:E—— 当月发电量;E1, E2——风力发电机在不同风速段的发电量;

vi——当时风速; vm——风力发电机启动风速;

vH——风力发电机额定风速; vr——风力发电机停机风速;

PN——风力发电机额定功率; hi ——该月中与vi相对应的小时数。

因此, 在保持原有太阳能板和蓄电池容量基础上, 通过计算, 选择风力发电机组功率为400W。

2.3 控制器研究

在风光互补发电系统中, 控制器系统是核心, 控制器主要控制多路太阳电池方阵及风能发电机对蓄电池组的充电, 并实现蓄电池给负载供电, 依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制多路太阳电池方阵和风能发电机的依次接通和切离。通过计算和模拟实验, 设计一种能够对风电、光电和蓄电池充放电自动控制的控制器。

蓄电池问题一直是我们新能源最为关注的问题。为保证蓄电池提供一个恒压的充电值, 保证蓄电池不过充又能正常蓄电, 采用了脉宽调制的方法, 即PWM。PWM控制是通过系统与蓄电池间串联场效应开关, 必要时调制信号脉冲宽度, 以减少充电电流, 使蓄电池电压维持在一个恒定范围。PWM 控制可使蓄电池平均荷电状态达到90%～ 95%的水平, 这样可提高蓄电池的充电效率、减少老化效应、提高蓄电池容量和延长蓄电池的使用寿命。PWM控制较高的脉冲电压能够穿透网板和活性物质间的电阻层, 减少气泡的形成, 脉冲下沿进一步改善蓄电池的充电效率并减少释气。

2.4 风/光发电系统优化设计

对于以蓄电池为储能装置的风/光发电系统, 希望尽量做到全年各月都能均衡发电, 这样配置的蓄电池容量可以减小, 也可以减少系统的无效能量损失, 提高系统的整体效率。

风光互补独立供电系统优化配置是在满足供电可靠性的前提下降低成本。系统总安装成本表示为:

Ctotal =CWPB+Co (3)

其中, CWPB——风力发电机、光伏电池和蓄电池的成本之和;Co——电力转换设备、系统设计等费用。对安装成本和供电可靠性影响较大并且可以优化的有风力发电机的种类和数量、光伏电池的倾角和数量以及蓄电池的数量, 所以用CWPB代替Ctotal作为优化目标。

系统改造前:

原有太阳能供电系统日均供电量约1.89m2×14%×3.33×0.808=0.712kwh (福州为太阳能资源III类可利用区, 年日均辐射量为3.33KW/m2, 修正系数取0.808, 太阳能电池板有效受光面积1.89 m2, 光电转换效率取14%) 。经蓄电池转换后, 实际日均供电量为0.712×0.8=0.57kwh。

经过优化设计后:

(1) 按照装置点年平均风速低估为3.5m/s, 本次改造配置的风力发电机日均发电量为1.536KWh。

(2) 风光互补供电系统日均总发电量为2.106KWh, 取0.8的安全系数, 计算得2.106×0.8=1.685KWh。

(3) 经蓄电池转换后, 实际发电量为1.685×0.8=1.348KWh。

改造后的风光互补系统日发电量达到设备日耗电的两倍。鉴于本地区风能与太阳能良好的互补性, 加之风光资源的计算值均已取最低值, 并考虑了0.8的确安全系数, 故改造后的风光系统日均发电量数据是安全可靠的, 足以保证系统连续不间断工作, 满足运营管理需求。

3 系统应用情况

云登桥头和里仁桥头两处太阳能供电监控点经过试点改造, 增加风力发电机与原有太阳能系统实现互补供电, 改造完毕投入运行, 迄今为止运行时间已达2年以上, 改造后的两处监控点上传图象始终保持正常, 期间设备经受了“凤凰”、“鹦鹉”等多次直接影响我路段的台风天气考验, 风光互补供电系统应用效果良好, 能够满足长期稳定运行的需求。

摘要：机场高速全程设13处监控点, 其中4处监控点采用太阳能供电方式, 但经过一年多的运行, 发现太阳能供电方式存在一些缺陷, 在一些特定条件下会出现无图像现象, 为解决存在的问题, 对原有单纯太阳能供电系统进行改造, 采用风力发电机与太阳能电池互补供电方式, 解决供电不足问题。

风光互补控制器 篇10

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.