信号塔风光互补供电系统的应用设计

卢法波

(神华北电胜利能源有限公司，内蒙古自治区 锡林郭勒盟 026015)

1 概述

野外设备一般指气象与地震监测、森林防火、水文监测等，大致都在比较偏远地区使用，一般用电负荷都不大，但其供电系统却要保持长期的供应，所以给供电系统带来很大的难题。用电网送电就不合理，一来不便于架设电缆电线，二来成本过高，三来今后维护麻烦。而只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对我地区成本太高，而且难以保障。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，随着新能源、新技术的发展，使得发电系统的多元化，可以利用大自然的能源为我们所取用，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。近20余年来，太阳能的应用已逐渐扩大，已广泛用于户用太阳能光伏电源系统(SHS);部队的边防哨所、海岛驻军供电系统;气象与地震监测、森林防火、水文监测用太阳能电源系统;邮电通讯的中继站、铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、高速公路的监控电源系统;屋顶光伏电源系统;大型光伏发电站等方面。太阳能和风力发电是解决远离电网的地区供电困难的首选系统，单独的供电系统不能满足多方面的需要，因此风光互补供电系统因此就成为野外设备最佳的供电电源［1］。

太阳能是地球上一切能源的来源，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［2］。因此，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资源条件最好的独立电源系统［3］。

由于森林防火监控系统多数架设在林区的至高点，大多都没有电源，所以它们的设备所需电源采用风光互补发电系统来供电是最佳的、最经济的。

2 技术评价

光伏发电系统是利用光伏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。该系统供电可靠性高，运行维护成本低，但系统造价高(一次性投入高，但长期来看还是比较合算，而且环保)［4］。

风力发电系统是利用小型风力发电机，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(受制于自然气候影响大)［2］。

另外，风力发电和光伏系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风力发电和光伏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力发电和光伏独立系统在资源上的缺陷。同时，风力发电和光伏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［3，4］。

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伏板、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［3］。

图1 离网风光互补供电系统组成示意图

控制器对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送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。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被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。

蓄电池的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，逆变器的高效运行也显得非常重要。

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。

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伏板容量和蓄电池组容量的依据。

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伏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，最后光伏板和风机的容量。

4 风光互补系统设备选择方案

系统配置 规格参数描述风力发电机(YF－600)最大功率720W/24V，启动风速2.3m/s，切入风速3m/s，额定风速10m/s，制动风速14m/s，电磁及离心制动，额定转速400r/min，铝合金材料叶片3片，风轮直径2.4m。太阳能光伏板(WLS－120C)最大输出功率240Wp，采用二块17.5V/120Wp单晶硅晶片的光伏板并联使用，输出电流可达6.86A。风光互补控制器(CZ2430)输入24V/30A，输出DC24V，风光互补控制器，基于CIFC系统稳定技术设计，蓄电池工作在均衡充电模式下，能有效延长蓄电池的使用寿命。风力发电机的转速、输出电压、电流及输出功率采用了柔性控制技术，系统实现了精确的功率分配，并采用了风机辅助启动功能和异常保护功能，具有高效节能、安全可靠、适应恶劣工作环境等优点。蓄电池(TP200－12)采用中美合资免维护胶体铅酸蓄电池4块12V200Ah，2块串联为24V再两组并联成400Ah，可在零下35度正常工作。风机杆 斜拉式6m高电池箱备注:120W 电池板安装参数及重量如下images/BZ_222_556_1489_859_1630.png组件尺寸W×L×H(mm)安装孔纵向间距A安装孔横向间距B 安装孔尺寸 重量1482×670×35 810 930 6－φ6.4 14kg

其性能特点:它具有特别适合内陆地区低风速时发电特性好、发电量大的特点，工作风速范围宽，过载及抗大风能力强，运行平稳，效率高，保护功能齐全完善，安装使用便捷，安全可靠。安装方便、独立供电、无需人值守、维护量少、搬迁方便、一次性投资免交电费。具有机械、电子卸荷刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压，达到国内一流水平［5］。太阳能光伏板设计周密而做了防腐、防潮处理，抗风能力强、无需维护。太阳能光伏板设计寿命为20～25年，风力发电机设计寿命为15～20年(机械磨损部件除外)，免维护蓄电池设计寿命为7～10年。这套方案在阴天并且无风时，系统还能正常给设备供电7天。

风力发电机组选用YF－600W/24V，在风速达到10m/s时，其输出额定功率达600W，可同时给设备供电和蓄电池充电;平时风速不到10m/s、只要能达3m/S以上时，输出功率有25W以上，足够阴天下单独给设备供电。

太阳能光伏板选用WLS－120C单硅晶片，光电能转换效率在16%以上，选二块120Wp的太阳能光伏板串联使用，能输出最大额定功率240W，完全满足无风的状态下，不只是单独给设备供电，还能小电流的给蓄电池充电，这样配置有利于今后增加设备。

风光互补控制器使用了专用电脑芯片的智能化控制器，能缩小使用空间、提高稳定性、安装方便尤其是适合室外作业。具有短路、过载、独特的防反接保护，充满、过放自动关断、恢复等全功能保护措施，详细的充电指示、蓄电池状态、负载及各种故障指示。本控制器通过电脑芯片对蓄电池的端电压、放电电流、环境温度等涉及蓄电池容量的参数进行采样，通过专用控制模型计算，实现符合蓄电池特性的放电率、温度补偿修正的高效、高准确率控制，并采了用高效PWM蓄电池的充电模式，保证蓄电池工作在最佳的状态，大大延长蓄电池的使用寿命。具有多种工作模式、输出模式选择，满足用户各种需要。当外部电路异常或短路时，本机自动关闭输出;当蓄电池电压低于额定值的85%时，为防止蓄电池过放电将自动关闭输出电路;当电压超过额定值+22%时，机器将自动开启泄荷旁路，并且具有防反接保护。控制部分是智能化自动调节输出功率的分配，在系统达到总额定输出时，能控制输出的70%给蓄电池充电，30%给设备供电;在不足总额定输出时，会自动调整功率分配百分比，这样就能到达设备正常工作所需的电能。

图3 信号塔风光互补供电系统实物图

［1］李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护［M］.人民邮电出版社，2010.1

［2］张希良.风能开发利用［M］.北京:化学工业出版社，2005.1

［3］Mehdi Dali，Jamel Belhadj，Xavier Roboam，Hybrid solar-wind system with battery storage operating in grid-connected and standalone mode，7th International Conference on Sustainable Energy Technologies，June 2010

［4］冯垛生.太阳能发电原理与应用［M］.人民邮电出版社，2007.7

［5］Jiabing Hu，Yikang He，DFIG wind generation systems operating with limited converter rating considered under unbalanced network conditions-A-nalysis and control design，Renewable Energy，Volume 36，Issue 2，2011