陕北贫困地区风光互补发电系统研究

周奇智，王 匡，邵 瑞

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

能源与国家经济建设发展之间始终密切相关，科学合理开发新能源，可在一定程度上推动经济长远稳定发展，而可再生能源同样是未来能源实现转型升级的关键载体。在现阶段能源迅速发展趋势下，全球一直在致力于发展新能源技术，清洁能源应用则演变成了当前世界各国能源发展主要态势。在大量可再生能源中，风能与太阳能开发利用最为便捷，在新能源发展态势越来越好的形势下，二者占据着重要位置，近年来风力与光伏发电装机容量不断增加[1]。风力与光伏发电有机结合弥补了独立发电的缺陷，尤其是时间与空间不足的问题。白天通过光伏电池板与风机同时发电，而晚上则通过风机发电。阳光与风主要受季节影响，夏季阳光充足，冬季风力充足，这就表明风能与太阳能之间的互补可最大限度地利用新能源，以陕西为例。就陕北的地理位置而言，风力与光伏互补发电的发展前景十分广阔[2]。虽然经济不断进步发展，但是我国在贫富分布不均下，依然有许多贫困地区电力不足，尤其是陕北地域广阔，人烟稀少，风能与太阳能资源丰富，可在发电中充分合理利用。

1 陕北贫困地区风光互补发电系统构成

1.1 系统构成部分

陕北贫困地区风光互补发电系统主要由4个模块共同构成[3]，具体如图1所示。

图1 风光互补发电系统框架Fig.1 Wind-solar hybrid power generation system framework

风力发电机通过将风能转换为机械能，以带动发电机生成电能，而风力发电机所生成的为三相交流电，因此以整流电路将交流电转换为直流电，然后经过风光互补控制器；光伏电池板发电将光能转化为电能，同步输出直接通过风光互补控制器。控制器所输出电流可直接利用，或者针对蓄电池进行充电，或者基于逆变转化成交流电。

逆变器负责将直流电转化为交流电压以供交流负载加以利用；控制器作为系统核心，负责控制风力发电机与光伏电池板的输出最大功率以及蓄电池充电，在系统电量匮乏时，蓄电池发挥作用进行发电，以供负载应用；蓄电池负责储能，储存多余电能。

1.2 变换电路

风力与光伏发电极易受外界环境影响，通常需以DC/DC变换电路实时跟踪最大功率。如果以普通DC/DC电路并联成负载进行供电，只有电压较高时才会面向负载提供电能[4]。陕北贫困地区风光互补发电系统的功率电路设计引用了双输入Boost电路，如图2所示。

图2 双输入Boost电路Fig.2 Dual input Boost circuit

其中开关管上分别并联二极管，以确保电源独立运行时，分别负责导通与关断。在2个电源同步供电时，二极管不运行。开关管占空比以D1与D2代表，输出电压关系即：

(1)

DC/DC变换电路应用于发电系统的优势与不足[5]具体见表1。

表1 DC/DC变换电路Tab.1 DC/DC conversion circuit

基于对比可知，陕北贫困地区风光互补发电系统设计以双输入Boost电路为载体，其输出电压与2个Boost电路电压之和相同，且于系统内可实现风力与光伏同步发电供电，可防止并联使用时发生环流现象。

1.3 储能装置

2 陕北贫困地区风光互补发电系统设计

2.1 硬件设计

陕北贫困地区风光互补发电系统硬件[7]设计具体如图3所示。通过风力发电机与光伏电池板将风能与光能转化为电能，基于双输入Boost电路实时跟踪最大功率，并利用Buck-Boost电路将输出电压控制于既定值，以面向蓄电池充电，并供直流负载加以利用。升降压电路输出直流通过DC/DC电路转化直流电为交流电，经过滤波电路与变压器，以供交流负载应用。系统以DSP芯片为主控制芯片，以其丰富的PWM输出接口通过驱动电路，有效控制功率电路与逆变电路的开关管，并通过采样电路采集系统电压电流信号，基于芯片ADC转换模块转化为数字信号加以处理，以此实现系统控制。

图3 风光互补发电系统硬件结构Fig.3 Wind and solar hybrid power generation system hardware structure

2.2 软件设计

系统所需实现功能具体即电压电流采样功能、最大功率跟踪功能、蓄电池充放电功能、SPWM逆变控制功能。主控制芯片可于能够在完成用户编程、调试、分析的软件内实现软件编程与功能程序调试。系统软件设计主要包含主程序、A/D采样子程序、最大功率跟踪子程序、寄存器设置、SPWM子程序、蓄电池管理与充放电子程序的设计。

主程序所需实现的系统初始化主要有定时器、I/O接口、外设中断、各个模块的初始化。在主程序设计过程中，需先进行变量初始化，然后合理设置主控芯片的事件管理器寄存器，以待中断。在定时器溢出中断时，核查系统新工作状态，以明确系统工作模式。主程序流程[8]具体如图4所示。

图4 主程序流程Fig.4 Main program flow

3 系统验证

风光互补控制器是发电系统核心组成部分，通过实验对各个模块进行验证，以测试硬件模块是否可以顺利实现对应功能[9]。通过风光互补控制器调试，验证是否能够实现风力发电、光伏发电、风光互补发电，并基于数据采集验证系统最大功率跟踪输出。

3.1 实验平台

实验风力发电机选用NE-200小型水平轴发电机，其具体参数见表2。光伏电池板选用M-10型与SUN-5D-5型，二者串联工作，参数具体见表3。

表2 风力发电机参数Tab.2 Wind turbine parameters

表3 光伏电池板参数Tab.3 Photovoltaic panel parameters

风力发电过程中受外界风力不稳影响，且对于天气要求过多，选择功率340 W、转速1 400 m/s的工业风扇当作送风机，以面向风力发电机传输风能，促使其达到稳定工作状态正常输出电能。光伏电池板通过外界光照，促使电池板输出电能。以数字示波器与万能表为测量设备，供电电源则以多个开关电源与1个数字电源为主。实验平台[10]具体如图5所示。

图5 系统实验平台Fig.5 System experiment platform

3.2 硬件测试

3.2.1 辅助电源

系统设计中包含辅助电源，输入端电压为24 V，以2个12 V开关电源串联作为输入电源，以此辅助电源模块进行供电。测试结果具体见表4。

表4 测试结果Tab.4 Test results

3.2.2 检测电路

检测电路测试以万用表与DSP芯片A/D采样模块加以开展，通过直流数字电源设置给定电压电流，并采样对比，以万用表采集输出端口值，通过A/D采样观察分析寄存器值，以对比分析。光伏电池电压采样电路与电流采样电路数据采样结果具体见表5。

通过软件观察采样数据可知，输出稳定性较高，控制在误差允许范围之内。

表5 采样结果Tab.5 Sampling result

3.2.3 最大功率跟踪

为验证风光互补控制器功率跟踪输出可行性，面向光伏发电与风力发电通过控制器，进行了最大功率跟踪，并测量了风光同时运行时控制器的最大功率跟踪输出。

双输入最大功率跟踪输出测试，以外界光照为光伏电池板能量输入，转变风扇档位与距离，以验证输出电压与采集电流，风力与光伏同时发电时，在双输入Boost电路输出端接入100 Ω电阻。所采集负载侧数据具体见表6。

表6 双输入测试结果Tab.6 Dual input test results

由表6可知，风光互补控制器可实现风力与光伏同步发电，可随外界光照与风速变化实现最大功率跟踪输出；风光互补控制器可实现单输入最大功率点实时跟踪，可实现光伏与风力互补发电双输入最大功率跟踪输出。

4 结论

综上所述，在能源问题不断激化的态势下，能源演变成了社会发展的主要关注点。风能与太阳能作为可再生能源备受社会各界高度重视。据此本文针对陕北贫困地区设计了风光互补发电系统，通过实验验证了硬件系统，并进行了风光互补控制器测试。结果表明，通过软件观察采样数据，可知输出稳定性较高，控制在误差允许范围之内；风光互补控制器可实现风力与光伏同步发电，可随外界光照与风速变化实现最大功率跟踪输出；风光互补控制器可实现单输入最大功率点实时跟踪，可实现光伏与风力互补发电双输入最大功率跟踪输出。

参考文献(References)：

[1] 于东霞，张建华，王晓燕，等.并网型风光储互补发电系统容量优化配置[J].电力系统及其自动化学报，2019，31(10)：59-65.

Yu Dongxia，Zhang Jianhua，Wang Xiaoyan，et al.Grid-connected wind-solar hybrid power generation system capacity optimization configuration[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2019，31(10)：59-65.

[2] 荣浩博.基于双转子发电机的风光互补发电系统优化策略研究[J].电子测试，2020(9)：72-74.

Rong Haobo.Research on optimization strategy of wind-solar hybrid power generation system based on dual-rotor generator[J].Electronic Test，2020(9)：72-74.

[3] 李益民，王关平，马建立，等.基于天牛须搜索遗传算法的风光柴储互补发电系统容量优化配置研究[J].储能科学与技术，2020，9(3)：918-926.

Li Yimin，Wang Guanping，Ma Jianli，et al.Research on optimal allocation of wind-solar diesel-storage complementary power generation system capacity based on Tianniu whisker search genetic algorithm[J].Energy Storage Science and Technology，2020，9(3)：918-926.

[4] 赵志强，戴拥民，吕盼，等.基于电力系统双侧随机性的源荷跨时空互补特性研究[J].能源与环保，2018，40(4)：176-181.

Zhao Zhiqiang，Dai Yongmin，Lü Pan，et al.Research on complementary characteristics of source and load across time and space based on double-sided randomness of power system[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(4)：176-181.

[5] 王童.风光互补发电系统控制策略的研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.

[6] 项雯，顾晓庆，李慧，等.风浪流发电功率计算方法与综合发电评估新概念[J].能源与环保，2017，39(12)：100-104，108.

Xiang Wen，Gu Xiaoqing，Li Hui，et al.Wind，wave and current power calculation method and new concept of comprehensive power generation evaluation[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(12)：100-104，108.

[7] 戴嘉彤，董海鹰.基于抽水蓄能电站的风光互补发电系统容量优化研究[J].电网与清洁能源，2019，35(6)：76-82.

Dai Jiatong，Dong Haiying.Research on capacity optimization of wind-solar hybrid power generation system based on pumped-storage power station[J].Power System and Clean Energy，2019，35(6)：76-82.

[8] 胡滢，臧大进，张勇，等.基于知识融合PSO的风光互补发电系统优化[J].控制工程，2019，26(5)：799-805.

Hu Ying，Zang Dajin，Zhang Yong，et al.Wind-solar hybrid power generation system optimization based on knowledge fusion PSO[J].Control Engineering of China，2019，26(5)：799-805.

[9] 郭瑞峰，史丛林.三相并网光伏发电系统的双模控制实现[J].能源与环保，2017，39(12)：223-226.

Guo Ruifeng，Shi Conglin.Realization of dual-mode control of three-phase grid-connected photovoltaic power generation system[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(12)：223-226.

[10] 于东霞.风光互补发电系统容量配置及逆变器研究[D].扬州：扬州大学，2018.