浅谈风光储能发电系统在无人值守高速公路收费系统的应用

中铁十四局集团电气化工程有限公司 李平忠 郭福建

浅谈风光储能发电系统在无人值守高速公路收费系统的应用

中铁十四局集团电气化工程有限公司 李平忠 郭福建

高速公路收费系统一般处于城市的郊区，为了保证收费的正常进行一般需要建设UPS系统。采用风光互补储能供电，可解决UPS利用率低以及未来低强度人工干预收费的需求。风光储能发电系统利用风能和太阳能资源的互补性，很好的解决了单一的太阳能或者单一风能不能够提供持续的能量来源的问题，符合国家未来新能源产业发展趋势，具有很好的应用前景。

风光互补储能；高速公路收费系统；光伏阵列；风力发电机

引言

高速公路收费系统一般处于城市的郊区，为了保证收费的正常进行，需要建设UPS不间断供电系统。目前随着电网的稳定性不断增加，UPS的作用越来越弱。另外，随着用工荒的出现以及人力资源成本的上升，未来无人值守收费是必然的趋势。这两种新的趋势的出现，迫切需要提供一种不受外界供电条件影响，环保且便捷安全的电力供应方式。高速公路机电设备的供电系统正在逐渐的向新型供电方式方向发展。风光储能发电系统利用风能和太阳能资源的互补性，很好的解决了单一的太阳能或者单一风能不能够提供持续的能量来源的问题，符合国家未来新能源产业发展趋势，具有很好的应用前景。

1.风光互补发电的优势

进入冬季以来，北方的雾霾又再次袭来，这是由于化石燃料的使用，化石燃料给造成环境污染对生态系统造成严重破坏。中国已经认识到新型清洁能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，因此，中国提出了能源互联网计划，把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

风光互补发电系统同时利用光伏发电和风能发电，对气象资源的利用更加充分，可真正实现昼夜发电。另外，根据目前统计规律，除雾霾天气外，一般在光照不太好的白天，风能资源相对不错。我国东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。在这一地区，有效风能密度大于、等于200W/m2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上，有效风力出现时间百分率达80～90%。

分析我国太阳能资源，东南沿海一带，山东、辽宁、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地全年辐射量在5400～6700MJ/m2。长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区全年辐射量在4200～5400MJ/m2。但是此区域春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

风能和太阳能资源的分布正好形成了互补，同时东南沿海一带，也是我国化石能源使用密度最高的部分。因此，在太阳能、风能资源、比较丰富，且互补性好的情况下，对系统的部件配置、运行模式及负荷调度方法等进行优化设计后。系统负载只靠风光互补系统发电即可获得连续、稳定的供电，这样风光互补发电系统会有更好的社会和经济效益。

2.风光互补储能发电系统和UPS系统的融合

风光互补发电系统受环境、气候和季节的影响较大，其输出功率具有不可预测性和不稳定性，为了确保负载用电的持续性和可靠性，需配置一定容量的储能装置。作为高速公路风光互补发电系统一般配置蓄电池作为储能装置。收费系统由车道计算机系统、收费站计算机系统以及收费监控系统构成,通常采用UPS电源系统为收费系统供电。UPS电源系统中一般配置后备2小时左右的蓄电池，供市电停电时所有的收费计算机系统使用。根据目前已通车的德商高速公路沿线市电电力供应情况来看，市电停电为极小概率事件。因此此部分蓄电池的功能未得到充分应用。从某种程度来看造成了一定的浪费。

针对此种情况，本单位项目在设备厂商的支持下，进行了电力供应的创新，将风光互补储能发电系统和UPS系统进行了融合，不但降低了风光互补储能发电系统的建设成本，还将利用率不高的资产进行了盘活，提高了投资的利用率。本系统选用山东鼎维数字技术有限公司研发的风光互补储能供电系统。该公司的DigitalWay SolarLong风光互补储能发电系统，采用航天级设计理念和思路，创造性的将航天太阳能系统技术应用到高速公路。

3.风光互补储能发电系统在无人值守收费系统的应用

SolarLong风光互补充放电控制器可独立运行为现场负载提供电能；两个及两个以上的充放电控制器在相互间距不超过5Km的情况下可通过充放电控制器的直流高压母线并网组建微型电网，为现场负责提供电能。从而解决传统风光互补微型电网的多次升降压和交流直流变换降低了光伏/风力资源的利用效率问题，以及传统风光互补微型电网由于发电设备集中建设，无法适应各小功率风光互补发电点无法有效并网的问题，提高风光发电的利用效率，降低单位发电的建设成本。

其中，风力发电机采用玄武岩风力发电机，风机输出三相交流电，经过风光互补控制器给蓄电池充电。稀土永磁风力发电机结合空芯杯和盘式电机的双重优点，设计生产的无铁芯系列发电机，是专门为低风速区应用而研发的，没有机械摩擦，无噪音，空气动力设计确保风机转动平稳，设计寿命 15 年；风机转子系 统在旋转时的径向摩擦力可减小70%以上，极大地减少了摩擦阻力，起动风速为 1 米/秒，明显优于普通风力发电机。叶片采用天然玄武岩加工制作，优越的理化性能提升了叶片的抗腐蚀能 力、可加工性能、使用寿命，更因采用纯天然材料而提升了环保水平。

储能及能量管理系统采用智能化设计。能够实现对风能、太阳能、蓄电池、负载之间的供电模式、能量流动和负载供电进行控制，能够根据蓄电池状态和负荷需求进行灵活调节，及对蓄电池进行完善的充放电控制与保护，延长蓄电池的使用寿命，最大程度降低系统成本。

提供高效的充电和放电控制，采用风能和太阳能的最大功率充电模块，提升系统转换效率，降低成本；另外此系统可实现多机互联，配置通信模块实现设备联网监控，故障诊断、参数设置、功能升级等功能。

4.结论

实验研究表明本方案设计提供的风光互补储能发电系统具有投资节省、环保节能等优点，创造性的将航天太阳能系统技术应用到高速公路，将风光互补储能发电系统和UPS系统进行了融合，不但降低了风光互补储能发电系统的建设成本，还将利用率不高的资产进行了盘活，提高了投资的利用率。系统可实现多机互联，配置通信模块实现设备联网监控，故障诊断、参数设置、功能升级等功能。

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李平忠（1977—），男，山东微山人，1998参加工作，现服务于中铁十四局集团电气化工程有限公司，从事轨道交通和高速公路建设工作。