风光互补发电系统研究综述

冮明颖 鲁宝春 姜丕杰

（辽宁工业大学电气工程学院，辽宁 锦州121001）

0 引言

能源与环境问题是当今世界所面临的两大主要问题，并日益引起社会的广泛关注。用洁净的可再生能源取代常规能源，是世界能源发展的必然趋势。风能和太阳能作为一种天然能源，以其蕴藏量丰富、清洁无污染、可开发利用而受到世界各国的高度重视。我国地域辽阔，风能资源十分丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。我国太阳能资源也非常丰富，理论储量每年达1．7×104亿t标准煤，大多数地区年平均日辐射量在4 k W·h／m2以上。

风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面最具规模和最成熟的发展行业，它们都是无污染、取之不尽用之不竭的可再生能源，且成本低、效率高。但单独的风能和单独的太阳能利用都存在各自的弊端，众所周知，风能和太阳能在时间和地域上存在着天然的互补性，若将这2种新能源有效地结合利用，可弥补风力发电和太阳能光伏独立发电系统各自在资源利用上的缺陷，既可实现供电的稳定性和可靠性，又能降低发电成本。风光互补发电系统就是将风力发电和光伏发电组合起来所构成的发电系统。但最初的风光互补发电系统，只是简单地将风力发电系统和太阳能光伏发电系统组合在一起，由于技术等方面的原因，其没有得到很好的发展。近几年，风力发电技术和太阳能光伏发电技术日臻完善，为风光互补发电系统的发展及推广奠定了坚实的基础。所以风光互补发电具有十分广阔的发展前景，并且已受到许多国家的关注与重视。

1 风光互补发电系统的构成

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、交直流负载等部分组成，如图1所示。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，可以划分成4大环节，即发电部分、储能部分、控制部分及逆变部分。

图1 风光互补发电系统结构图

1．1 发电部分

风力发电机组和光伏电池组是该系统的发电部分。风力发电部分是先利用风力机将风能转换成机械能，再通过风力发电机将机械能转换成电能；光伏发电部分是利用太阳能电池板的光生伏打效应，将光能转换成电能。在风光互补发电系统中，风能和太阳能可以独立发电也可以混合共同发电，具体要采用哪种发电形式，主要取决于当地的自然资源条件和发电的综合成本。通常情况下，在风能资源较丰富的地区宜采用风能发电，而在光照较好的地区宜采用光伏发电。就成本而言，风能发电的综合成本要远低于太阳能光伏发电的综合成本。所以，根据风能和太阳能在时间和地域上的互补性，合理地将二者进行最佳匹配，既可实现供电的可靠性，又能降低发电系统的综合成本。

1．2 储能部分

由于风能和太阳能的不稳定性和间歇性，供电时会出现忽高忽低、时有时无的现象。为了保证系统供电的可靠性，应该在系统中设置储能环节，把风力发电系统或太阳能发电系统发出的电能储存起来，以备供电不足时使用。目前，最经济方便的储能方式是采用铅酸蓄电池储能，在系统中蓄电池除了将电能转化成化学能储存起来，使用时再将化学能转化为电能释放出来外，还起到能量调节和平衡负载的作用。

1．3 控制部分

控制部分主要是根据风力大小、光照强度及负载变化情况，不断地对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。风光互补控制器，是整个系统中最重要的核心部件，一般采用PWM无极卸载方式对蓄电池进行管理与控制，一方面把调节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储存起来，当发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池储存的电能送给负载。在这一过程中，控制器要控制蓄电池不被过充或过放，从而保证蓄电池的使用寿命，同时也保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

1．4 逆变部分

由于蓄电池输出的是直流电，因此只能给直流负载供电。而在实际生活和生产中，用电负载有直流负载和交流负载2种，当给交流负载供电时，必须将直流电转换成交流电提供给用电负载。逆变器就是将直流电转换为交流电的装置，也是风光互补发电系统的核心部件之一，系统对其要求很高。此外，逆变器还具有自动稳压的功能，可有效地改善风光互补发电系统的供电质量。

2 设计风光互补系统应注意的问题

风光互补发电系统是风力发电和太阳能光伏发电两者的完美结合，但由于这2种能源都受气象条件的影响，所以在进行风光互补系统设计时应注意以下问题：

（1）由于风能和太阳能具有不确定性和间歇性，因此会导致发电与用电负荷间的不平衡问题。为了保证系统供电的不间断性和稳定性，风光互补发电系统中必须设置蓄电池进行储能。由于蓄电池只能承受一定的充电电压和浮充电压，过充和过放都会对蓄电池造成严重危害，影响蓄电池的使用寿命，这样不但降低了系统的可靠性，也提高了整个风光互补发电系统的运行成本，所以如何延长蓄电池的使用寿命是风光互补系统中比较关键的问题。

（2）风光互补系统受气象条件影响较大，所以要充分调研安装地区的光能和风能资源以及当地的负荷情况，选择合适的发电形式——或以风能为主光伏发电为辅，或以光伏发电为主风力发电为辅。应选择最佳的容量配比，以降低系统的投资成本和综合造价。

（3）风能和太阳能在时间和地域上存在互补，这就要求我们能够控制这2种发电系统的能量输出，使其能够向负载输出最大功率。

（4）目前，我国风光互补发电系统主要采用直流母线，但在日常生活和生产中，大多数负载为交流负载，所以在给交流负载供电时，就要利用逆变器将太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载所需要的交流电。逆变器是风光互补发电系统的关键部件，系统对逆变器的要求很高，功能强大的逆变器应具有数据采集、系统保护、效率追踪、通讯等功能。如果在并网系统中，还要求逆变器具有同电网连接的功能。目前，国内对逆变器的研究尚处于探索阶段。

3 风光互补发电系统的应用前景

为了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，政府不断推出扶持政策来促进风光互补发电系统的发展。在我国，风光互补发电系统主要应用在偏远农村、LED路灯照明系统、高速公路监控系统、航标、抽水储能电站及通信基站等方面。

4 结语

相对于单一的风力发电或太阳能光伏发电，风光互补发电实现了风能和太阳能的有效结合，可实现系统供电的不间断性。目前，风光互补发电技术的研究仍在不断深入，随着其技术的日益成熟与完善，风光互补发电必将成为未来最具潜力、最有开发利用价值的发电模式。

［1］中国投资咨询网．2008年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报告［R］，2008

［2］普子恒，倪浩，黄杨珏．浅析风光互补发电系统及其应用前景［J］．科协论坛，2009（6）

［3］周志敏，纪爱华．风光互补发电实用技术——工程设计 安装调试 运行维护［M］．北京：电子工业出版社，2011