風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一）

1、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

典型的通信基站供電系統(tǒng)如圖1所示，主要由交流配電、整流器、蓄電池、直流配電等設(shè)備組成。市電正常情況下，市電直接給交流負(fù)載供電，通過整流器給直流負(fù)載供電和蓄電池充電。市電異常情況下，通過蓄電池給直流負(fù)載供電，或通過手動或自動切換由燃油發(fā)電機(jī)供電。綜合通信基站供電系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，主要包括3個(gè)方面：（1）負(fù)載24h連續(xù)運(yùn)行，負(fù)荷平穩(wěn);（2）配置一定容量的蓄電池組;（3）整流器的輸出特性滿足蓄電池充電要求，輸出電流與蓄電池充電狀態(tài)相關(guān)。

圖1 ?通信基站供電系統(tǒng)原理框圖

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池組、直流負(fù)載等部分組成，該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?通信基站風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)能供電系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用經(jīng)實(shí)踐確認(rèn)可行的直流接入模式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組通過控制器直接給基站蓄電池組充電和負(fù)載供電。直流接入所需設(shè)備較少，除風(fēng)力發(fā)電機(jī)和控制器外，無需增加額外設(shè)備，不足之處是直流接入無法直接為交流負(fù)載供電。直流接入充分利用基站供電系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備，比較符合基站供電的特點(diǎn)，系統(tǒng)簡潔可靠，能量轉(zhuǎn)換效率較高，比傳統(tǒng)經(jīng)逆變器供電的方式提高效率20%左右。

2、通信基站風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、通信基站情況

通信基站位于湖南中部某鄉(xiāng)一個(gè)山頭上，海撥高約1092m，且南北走向地勢開闊，太陽能和風(fēng)能資源較為豐富，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000h，年平均有效風(fēng)時(shí)數(shù)為2500～3000h，全年平均風(fēng)力3～8級。該移動通信基站為1層樓房，含有柴油發(fā)電機(jī)房，基站載頻數(shù)量為6個(gè)，2組500Ah蓄電池，設(shè)備總功耗大約為1kW，無空調(diào)。

2.2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

2.2.1、蓄電池容量計(jì)算

由于蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的后備電源，蓄電池的性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，故選用的閥控式密封鉛酸蓄電池要符合YD/T799—2002的要求，閥控式密封膠體蓄電池要符合YD/TI360—2005的要求?；驹O(shè)備為直流-48V供電，故需采用48V蓄電池或蓄電池組。按基站的重要程度，一般來說整個(gè)系統(tǒng)的后備工作時(shí)間要能達(dá)到3天的時(shí)間。但根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笄闆r分析，早晚風(fēng)力較大，中午陽光較強(qiáng)，無風(fēng)無光日較少，且有市電接入，蓄電池容量配置為滿足基站內(nèi)所有用電設(shè)備1天需求即可。

系統(tǒng)總負(fù)載所需的蓄電池容量為：

Cb=（I×T×K）/（η×〔1+α（t-25）〕）

=100048×1×24×1.25/（1×〔1+0.006×（0-25）〕）

=625/0.85=735.29Ah

式中Cb為蓄電池的容量;I為負(fù)荷電流（A）;T為放電小時(shí)數(shù)（h）;K為安全系數(shù)，K=1.25;η為放電量系數(shù)，η=1;α為電池溫度系數(shù)（1/℃），α=0.006;t為電池實(shí)際所在地最低溫度，按0℃考慮。

經(jīng)過取整后，蓄電池的容量應(yīng)為800Ah/48V，現(xiàn)有的2組500Ah/48V蓄電池組可滿足系統(tǒng)要求。

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料全年風(fēng)力3～8級，即風(fēng)速為3～20m/s，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000h。作為節(jié)能供電系統(tǒng)，光伏電池板和風(fēng)機(jī)的容量配置如表1。

表1 ?光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置表

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率與額定風(fēng)速選擇原則：雖然風(fēng)能本身并不需要使用費(fèi)用，但作為實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程的發(fā)電設(shè)備卻需要成本，在節(jié)能減排風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率直接關(guān)系減排的效果，也直接關(guān)系投資的回報(bào)。相同額定功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，額定風(fēng)速不同時(shí)，發(fā)電量差別非常大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率必須與額定風(fēng)速聯(lián)系起來才有意義。以9m/s額定風(fēng)速與11m/s額定風(fēng)速的2臺1kW額定功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互比較，在5m/s的年平均風(fēng)速和瑞利分布風(fēng)速條件下，9m/s額定風(fēng)速機(jī)組年發(fā)電量約2628kWh，而11m/s額定風(fēng)速僅為1825kWh，低額定風(fēng)速機(jī)組比高額定風(fēng)速機(jī)組多發(fā)了44%的電能。圖3給出了2kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線。圖4給出了年平均風(fēng)速分別為4m/s，5m/s，6m/s，7m/s時(shí)，低額定風(fēng)速機(jī)型與高風(fēng)速機(jī)型的年發(fā)電量差別。

圖3 ?風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線

圖4 ?不同額定風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量比較

當(dāng)以節(jié)能減排為目的新能源供電系統(tǒng)大規(guī)模推廣時(shí)，安裝地點(diǎn)的風(fēng)速資源參差不齊，但通常低風(fēng)速資源較多，風(fēng)速資源豐富區(qū)少，因此，選擇低風(fēng)速機(jī)型尤顯重要。

2.2.3、風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)是風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的控制管理部分，系統(tǒng)具有可同時(shí)管理風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能光伏電池;蓄電池充放電智能管理;具有RS485通信接口，可配置GSM/GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

實(shí)際方案系統(tǒng)框圖見圖5。按照以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體實(shí)施，實(shí)際使用完全達(dá)到預(yù)期效果。在市電斷電4天的極端情況下，系統(tǒng)仍保障了基站的正常運(yùn)行。圖6為基站風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施實(shí)景。

圖5 ?通信基站風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)能供電系統(tǒng)

圖6 ? 基站風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施實(shí)景

3、系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）通信基站原有供電系統(tǒng)已經(jīng)配置了一定數(shù)量的蓄電池組，新能源供電系統(tǒng)可充分利用原有設(shè)備，無需額外增加投資。

（2）通信基站的負(fù)荷連續(xù)平穩(wěn)，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)可隨時(shí)向負(fù)荷提供電能，實(shí)時(shí)消耗，無需較大容量的電能儲存。

（3）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)控制器控制開關(guān)電源模塊的輸出電能，實(shí)時(shí)調(diào)整供電與用電之間的平衡，通過控制開關(guān)電源模塊的輸出特性，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電能夠優(yōu)先被負(fù)荷消耗。風(fēng)光互補(bǔ)控制器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)供電與市電供電之間的合理調(diào)度，調(diào)度的目標(biāo)是新能源發(fā)電量最大化和節(jié)能減排效果最大化。

（4）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)充分利用了負(fù)載連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)，將基站負(fù)載等效為局部小型電網(wǎng)，通過風(fēng)機(jī)控制器實(shí)時(shí)調(diào)度常規(guī)能源發(fā)電設(shè)備（市電）和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備（風(fēng)力發(fā)電機(jī)）在局部小型電網(wǎng)內(nèi)的供電比例，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。其結(jié)果是風(fēng)光互補(bǔ)幾乎以全部利用的方式給負(fù)載供電，很好地解決了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)普遍存在的效率低問題。

（5）按照每節(jié)約1kWh，相當(dāng)于節(jié)省0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤，4L水，減少0.997kg二氧化碳排放、0.03kg二氧化硫和0.015kg氮氧化物的排放量計(jì)算，1個(gè)基站在運(yùn)行期間所節(jié)約的能源數(shù)據(jù)是相當(dāng)可觀的。對于運(yùn)營商而言，使用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)不但可以很快收回初期投資，而且為低碳經(jīng)濟(jì)做出巨大的貢獻(xiàn)。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（二）

1、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)

1.1、優(yōu)點(diǎn)

太陽能、風(fēng)能在時(shí)間和地域上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可全天候工作;風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理分配，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出;環(huán)保、綠色、無污染;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣，可分為離網(wǎng)式和并網(wǎng)式。

1.2、原理

風(fēng)光互補(bǔ)是1套發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，以太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)為供電源，充分利用太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)特性，配比一定儲能蓄電池，通過1套智能交直流逆變能量控制系統(tǒng)，合理分配優(yōu)化太陽能和風(fēng)能2種間歇性能源，從而穩(wěn)定輸出并網(wǎng)的系統(tǒng)。

1.3、構(gòu)成

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)由以下4部分構(gòu)成。

（1）發(fā)電系統(tǒng)：由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽能電池板矩陣共同組成，使風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)換為電能。

（2）蓄電部分：由許多蓄電池組成，配合調(diào)控太陽能和風(fēng)能的穩(wěn)定輸出。

（3）能量管理及充放電控制系統(tǒng)：由儲能充放電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成，完成風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對于蓄電池組充電的自動控制。

（4）光儲一體化逆變部分：通過逆變器控制，將太陽能電池和蓄電池中的直流電能變換成交流電能，配合風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)輸電。

2、大型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)工作原理

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)工作原理見圖1，系統(tǒng)由交流母線和直流母線組成，光伏組件通過光伏充電控制器將電能儲存于蓄電池，由逆變控制器逆變輸出到交流母線，風(fēng)電機(jī)組的功率通過風(fēng)電機(jī)組功率控制器輸出到交流母線，過剩電能通過逆變充電控制器儲存到蓄電池。系統(tǒng)通過能量控制管理平臺，控制風(fēng)電機(jī)組功率的輸出與儲能蓄電池的充放電，合理分配系統(tǒng)中的能量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 ?大型并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)工作原理

2.2、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理控制

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)是通過1套能量管理系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種分布式能源的綜合優(yōu)化，合理分配出力，系統(tǒng)集成風(fēng)、光、儲能源的綜合預(yù)報(bào)功能，為能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供預(yù)測數(shù)據(jù)。

能量管理系統(tǒng)功率控制框圖見圖2。系統(tǒng)并網(wǎng)前，檢測蓄電池組、并網(wǎng)逆變器狀態(tài)，若狀態(tài)正常，系統(tǒng)進(jìn)行日照強(qiáng)度檢測，光伏組件可以發(fā)電，繼續(xù)檢測風(fēng)速、密度，不滿足風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電則切除風(fēng)機(jī)，光伏儲能逆變并網(wǎng)發(fā)電;若風(fēng)機(jī)可以并網(wǎng)發(fā)電，通過能量管理平臺，檢測風(fēng)機(jī)與光伏組件可以輸出功率的能力來選擇風(fēng)光互補(bǔ)的控制策略;若蓄電池及光伏組件不能正常工作，風(fēng)機(jī)可獨(dú)立并網(wǎng)運(yùn)行。

圖2 ?能量管理系統(tǒng)功率控制框圖

風(fēng)光互補(bǔ)控制策略：若風(fēng)機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)大于光伏與儲能逆變的輸出功率，能量管理控制平臺控制風(fēng)機(jī)功率控制器（通過風(fēng)機(jī)自身槳距角的控制，限定出力）來限定風(fēng)機(jī)出力，使風(fēng)機(jī)與光伏、儲能輸出穩(wěn)定;若風(fēng)機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)小于光伏與儲能逆變的輸出功率，能量管理控制平臺控制并網(wǎng)逆變功率控制器，限制光伏與儲能的功率輸出（通過光伏組件的切除與投入來控制功率輸出），滿足風(fēng)機(jī)與光伏、儲能輸出穩(wěn)定。在風(fēng)機(jī)與光伏組件單獨(dú)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲能單元的充、放電可在一定程度上優(yōu)化系統(tǒng)輸出。能量管理平臺可將風(fēng)機(jī)功率預(yù)測系統(tǒng)接入，根據(jù)天氣狀況，預(yù)測風(fēng)機(jī)功率輸出的變化，可有效控制策略，利于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)。

3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率預(yù)測試驗(yàn)

由于太陽光照受氣侯影響較大（如烏云，陰雨，雪天等），且光伏組件發(fā)電特性也受其較大影響，要合理分配風(fēng)電機(jī)組與光伏組件的輸出功率，須對風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

3.1、試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在內(nèi)蒙古輝騰錫勒旅游區(qū)的某風(fēng)電場，該風(fēng)電場提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是850kW容量雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，輪轂中心到塔筒底部的高度為65m。按GB18451.2—2003標(biāo)準(zhǔn)要求，需在距風(fēng)機(jī)2D～6D（D為風(fēng)機(jī)葉輪的直徑）范圍內(nèi)，豎立與風(fēng)機(jī)輪轂中心等高的測風(fēng)塔，安裝風(fēng)速、風(fēng)向、密度及溫度采集設(shè)備，使其與風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)安裝的功率測試設(shè)備時(shí)間同步，找到與測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率關(guān)系，從而建立在相似氣象條件下風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的工作方式，以配合風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電。

3.2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出特性測試

要得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率必須采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三相電流和三相電壓，在風(fēng)機(jī)塔筒底部配電柜中的電纜上，分別加裝三相電流互感器，采集風(fēng)機(jī)電流;在電纜上連上電壓采集線記錄電壓。

圖3 ?功率測試記錄系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)的電流互感器和電壓采集線的電纜匯集到塔筒壁上安裝的功率測試記錄儀中（見圖3），通過計(jì)算機(jī)軟件來配置電流互感器變比、記錄的周期，記錄儀與通信機(jī)相連可將數(shù)據(jù)傳回能量管理系統(tǒng)。通過以上系統(tǒng)，可測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)功率及風(fēng)機(jī)周圍氣象數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)功率的關(guān)系曲線。

3.3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率預(yù)測

將測風(fēng)塔測試數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)同步，可得不同時(shí)間段的風(fēng)速、密度與風(fēng)機(jī)功率之間的關(guān)系，從而找到風(fēng)機(jī)在不同氣象條件下的功率曲線。通過氣象部門未來的天氣數(shù)據(jù)，采用中期預(yù)報(bào)（實(shí)現(xiàn)1d以內(nèi)基于小時(shí)數(shù)據(jù)的以天為單位的預(yù)測），根據(jù)風(fēng)機(jī)功率輸出特性，預(yù)測風(fēng)電機(jī)組未來功率變化情況，能量管理系統(tǒng)采取相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行（見圖4）。

圖4 ?風(fēng)速、密度與有功功率測試曲線

4、光伏發(fā)電功率預(yù)測試驗(yàn)率預(yù)測試驗(yàn)

由于日照受天氣影響較大，光伏發(fā)電功率預(yù)測具有很大難度，為了互補(bǔ)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定，進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)在呼和浩特金山開發(fā)區(qū)的1個(gè)5MW光伏電站。

圖5 ?光伏電站日照曲線及電池板溫度曲線

根據(jù)影響光伏電池板光電轉(zhuǎn)換效率的日照強(qiáng)度、角度及溫度等因素，設(shè)計(jì)了輻照、溫度傳感記錄儀器。通過記錄數(shù)據(jù)，繪制了光伏電站7月某一天的日照曲線及電池板溫度變化曲線，如圖5所示。在光伏電站的電能計(jì)量柜處安裝功率記錄儀，記錄光伏電站日功率輸出情況（見表1），繪制光伏電站的日功率曲線（見圖6），得出光伏電站在不同環(huán)境下功率輸出的情況，從而根據(jù)日照強(qiáng)度來預(yù)測發(fā)電功率，通過能量管理系統(tǒng)配合風(fēng)機(jī)并網(wǎng)功率的穩(wěn)定。

圖6 ?光伏電站日功率曲線

圖6中，在12:30—14:30時(shí)間段，由于有陰云，受日照強(qiáng)度影響變化比較大且不確定，光伏電站輸出功率變化較大。為此，提出光伏預(yù)測需采用超短期預(yù)測的方法來滿足風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)輸出的要求，經(jīng)過日照、角度、風(fēng)速、風(fēng)向、功率等數(shù)據(jù)的收集分析。采用1min超短期預(yù)測，可得到準(zhǔn)確的功率變化趨勢圖，對風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的功率控制有一定幫助。

表1 ?光伏電站日功率記錄