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风光互补发电系统

作者：陈星宇

来源：《中国科技博览》2013年第34期

[摘 要]在能源危机和环境污染日益严重的当今社会，具有清洁无污染、安全可靠、可循环利用等特点的风能和太阳能己引起人们的广泛关注。大力开发风能和太阳能，对于解决无电地区的用电问题，改善我国的能源结构，都具有极其重要的意义。

本文首先综述了国内外风光互补发电系统的研究现状和发展趋势；论述了小型风光互补发电系统的组成及工作原理；其次，详细介绍了风能和太阳能的各自原理，并对风光互补发电系统控制技术进行了说明。

[关键词]风力发电原理 太阳能发电原理 风光互补系统

中图分类号：S214.4 文献标识码：S 文章编号：1009―914X（2013）34―0033―01 1风力发电和太阳能发电情况概述

进入二十一世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面是常规能源的匮乏，另一方面石油等常规能源的开发带来一系列的问题，如环境污染、温室效应等。人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。而太阳能和风能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重视。由于风力发电和太阳能发电系统均受到外部条件的影响，光靠独立的风力或太阳能发电系统经常会难以保证系统供电的连续性和稳定性，因此，在采用风光互补的混合发电系统来进行相互补充，实现连续、稳定地供电。

2 风力发电系统的基本原理 2.1 系统组成与分类

风力发电系统主要由风力机、发电机、齿轮箱、变频器、调向机构、制动机构和塔架等组成。风力机把风能转换为机械能，发电机把机械能转换为电能。目前，世界上大中型风力发电机组主要有两种类型：一类是恒速恒频，这类风电机组并网后捕获风能的效率低；另一类就是变速恒频，相比之下，变速恒频风力发电机具有不可比拟的优势。

变速恒频风力发电系统根据其中不同类型发电机，如异步感应发电机、双馈感应发电机、永磁同步发电机等，有多种拓补结构，以其特点适用于各种不同场合，这里主要介绍双馈感应发电机组型。

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3 太阳能光伏发电系统概述 3.1太阳能发电原理

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。另外，还有其它类型的太阳电池[5]。

当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样，N区有很多电子，P区有很多空穴，在P-N结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。

3.2 光伏阵列的最大功率点跟踪方法

所有光伏系统都希望光伏电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，这也就在理论上和实践上提出了太阳电池阵列的最大功率点跟踪（MPPT-Maximum Power Point Tracking）问题。太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格仍相对昂贵更加速了人们对这一问题的研究。

太阳能电池在阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便产生电流。这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。光伏效应在液体和固体物质中都会发生。但是，只有在固体中，尤其是在半导体中，才有较高的能量转换效率。所以，人们常把太阳能电池称为半导体太阳能电池。

太阳能电池的基本原理和二极管类似，可用简单的PN结来说明。电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。将太阳能单元进行串、并联并封装后就成为太阳能电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多太阳能电池组件需要再进行串、并联后形成太阳能电池阵列。

4 基于DSP风光互补发电设系统计 4.1风光互补发电系统的组成及总体框图

风光互补.发电总体结构系统主要由电补发电系统总体结构如图4-1所示，电能产生环节、电能变换控制环节和电能存储消耗环节3部分组成。

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电能产生环节包括风力发电和太阳能发电两部分。风力发电部分可通过直流风机或交流风初获取风能转化为电能；太阳能发电部分通过太阳能电池板获取光能转化为电能。

电能变换控制环节由DC/DC变换器、主拦制电路等部分构成，是发电系统的核心环节。交流风机输出的三相交流电需经整流后进入DC/DC变换器，直流风机输出直流电经过稳压后直接送入DC/DC变换器；太阳能电池板输出指到的直流电通常要通过1个防反二极管后，再送入DC/DC变换器。

主控制电路采用TMS320F2812控制芯片，通过控制DC/DC变换器实现功率变换，同时还可对各种信自，、参数进行数据采集、处理，从而实现设备保护、风险预警等功能。 电能存储消耗环节包括存储和消耗两部分。电能的存储部分由蓄电池承担，用来消除由于天气等原因引起的能量供需的不平衡，在整个系统中起到电能调节和平衡负载的作用。电能的消耗部分主要由直流负载、交流负载组成。直流负载可由蓄电池直接引入，也可通过1个升压或降压直流变换电路提供所需要的直流电压；对于交流负载则需将蓄电池输出的直流电变为交流电。

5结论与建议

所谓风光互补，简而言之，是指将风力发电和光伏发电组合起来构成发电系统。利用太阳能电池将太阳能转换成电能的光伏发电系统，虽然清洁，但造价相对高，且受日照时间影响；而风电系统虽然系统造价低，运行维护成本低，但质量可靠性也相对较差。将两者结合，就能互补所短，各扬所长。

本文以“新能源发电技术\为课题研究方向，根据太阳能、风能的特点，给出了风光互补控制器的设计方案。风光互补发电系统的特点如下所示：

（1）风光互补发电系统的最大功率点追踪控制。智能化最大功率跟踪，确保电能最高利用率。采用升降压DC/DC变换技术控制其输出电压就可以实现控制风力发电机、太阳能电池阵列的输出电流，通过调节输出电流使风光互补发电系统始终工作在最大功率点，即所谓的最大功率点追踪控制（MPPT）。

（2）风力发电控制部分采用TMS320F2812 DSP和PWM脉冲宽调制充电方式，高效率地实现对蓄电池的充电，同时具备了完善的蓄电池电压监控、手动停风机和充电指示等功能。 （3）光伏发电控制部分采用TMS320F2812 DSP做主控制器，通过对蓄电池电压、环境温度、太阳能板的电压等参数的检测判定，以实现各种控制和保护功能。

（4）风光互补发电系统采用交错并联控制，由DSP对两个交换器进行分别控制，其输出电压的PWM脉冲相位相差180度。其电流波动幅度和电磁干扰与传统控制方式相比均能够降低。