风光蓄互补

关键词： 风光 无线

风光蓄互补（精选八篇）

风光蓄互补 篇1

关键词：Zigbee,风光蓄互补,自主控制系统

国家中长期科学和技术发展规划纲要中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”。为了解决电力系统与分布式电源间的矛盾, 整合分布式发电的优势, 充分发挥分布式电源为电力系统和用户所带来的经济效益, 微电网技术得到广泛重视。微网系统内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换, 并提供必需的控制。微网系统相对于外部大电网表现为单一的受控单元, 并可同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。通过风/光/储能互补微网方案可望提高供电可靠性和经济效益。

1 现状和存在的问题

一般风力发电机组输出功率随着风速变化而波动, 因此人们不能够准确预测风力发电系统的输出功率。通常缺少互补微网系统合理设计和匹配, 采用风光互补系统供电多, 而较少采用备用电源, 导致适应性不好。

互补发电群微网系统一般作为独立电源系统, 应用在大电网覆盖不到的偏远地区, 运行时间较长, 在这种情况下传统的监控技术并不适用。需要采用无人值守远程监控技术, 对站内设备及微机保护进行统一的监测、管理和控制。典型的中央控制系统不能解决风光蓄互补发电群的控制问题, 特别是当电网或是分布式电源发生故障等情况下导致微网的电压、频率等出现较大波动超过允许范围时, 全局实时信息能量流最优化计算就会变慢, 这种情况会导致通信控制网络的中断等故障。

2 解决方案

采用Zig Bee无线传感网络技术实时的自主分布式电源控制, 就可以根据全局静态信息和本地信息, 对电压、频率等超过允许波动范围情况进行即时的调节, 从而形成可靠的分布式监控系统。利用Zig Bee无线传感网络技术实时监控风光蓄互补发电群的运行状况, 将各个风光蓄子系统监测点构成网络, Zig Bee网络中心节点以GPRS方式与监控中心通信, 从而构建一个基于Zig Bee和GPRS的远程传输通信的分布式监控系统。系统由发电群的多个分布测控RTU智能单元的集成。

分布测控RTU智能控制单元由分布智能控制单元、数据采集器模块、中继器路由模块、集中器模块、Zigbee无线通信模块、Zigbee中继器路由模块、GPRS通信模块组成。图1给出了分布测控RTU结构图。

数据采集器模块:采集风光蓄互补发电群中的各发电单元的数据, 根据不同的信号要求, 前置响应的传感器部件, 获取发电单元传感器的电气信号;Zigbee无线通信模块:将数据采集器模块的电气信号转化为Zigbee无线信号;Zigbee中继器路由模块:对无线通信模块数据进行处理, 解决信号衰减的问题, 送入数据数据集中器模块;数据集中器模块:对风光蓄互补发电群的多路传送的Zigbee无线通信数据进行集中处理, 按照数据通道编号进行;GPRS通信模块:接收数据集中器模块的数据, 进行GPRS通信信号调制, 发送给其他分布测控RTU单元, 同时接收其他单元的数据;分布智能控制单元:根据传送的本地信息和传送的电压、频率等信号, 按照设定的规则, 进行即时的调节。

3 具体实施方式

具体实施可以采用如下方式:风电系统和光伏电池组件将共同发出的电能存储到蓄电池组中, 控制器根据光照的强弱、风力的大小及负荷的变化对风力发电机、光伏电池组件、蓄电池组的工作状态进行实时监测控制, 保证系统安全而可靠的工作。基于无线传感器网络的风光蓄互补发电群的自主控制系统采集各发电单元的数据送入数据采集器模块中, 将数据采集器模块的电气信号转化为Zigbee无线信号, 送入Zigbee无线通信模块中, 对无线通信模块数据进行处理, 解决信号衰减的问题, 送入数据数据集中器Zigbee中继器路由模块中, 进行Zigbee无线通信数据进行集中处理, 按照数据通道编号进行, 送入数据集中器模块中, 接收数据集中器模块的数据, 进行GPRS通信信号调制, 发送给其他分布测控RTU单元, 同时接收其他单元的数据。送入GPRS通信模块中, 分布智能控制单元根据传送的本地信息和传送的电压、频率等信号, 按照设定的规则, 进行即时的调节。

分布智能控制单元根据光照的强弱、风力的大小及负荷的变化, 由分布智能控制单元不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节, 使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行, 实现自动均衡充电, 从而保证风力、光伏互补发电系统工作的连续性和稳定性;防止蓄电池过充电和过放电。通过加载逆变器, 将直流电变换为交流电供给交流负载使用;或者当负载电压和蓄电池电压一致时, 直接从控制器输出端引出供直流负载使用。

4 结论

本文通过采用基于无线传感器网络的小型风光蓄互补发电群的自主控制系统, 利用光/风/蓄多能互补微网系统的潜在优势, 实现具有实践价值。风光蓄互补发电群的自主控制系统应用前景广泛, 应用数量巨大, 经济效益是不可估量的。

参考文献

[1]王洪跃.风光蓄互补系统的技术研究[J].沈阳工程学院学报 (自然科学版) .2014, 10 (1) :4-6.

[2]徐林, 阮新波, 张步涵, 毛承雄.风光蓄互补发电系统容量的改进优化配置方法[J].中国电机工程学报.2012, 32 (25) :88-98.

家用风光互补供电系统 篇2

3HZ-F系列风光互补发电系统适用于供给沿海岛屿，江湖，渔船家庭的照明﹑彩电，DVD，电脑及小电器用电，白天有太阳光和风力，或虽然阴天但有风，本系统将太阳能和风能转换为电能一方面由逆变器输出交流电供家庭使用，一方面给电池充电将电能存储起来。晚间由电池供电逆变器转换为交流电供家庭使用，晚间如有风还能继续提供电能。万一遇到阴天又无风的时候，存储在电池的电能仍然能维持正常供电8-12个小时。

3HZ-F系列风光互补发电系统能最大限度地利用大自然的太阳能和风能，不但清洁环保而且是免费的。风光互补发电系统的造价比单纯太阳能发电系统低，保证供电的时间长，是新能源家族中比较理想的一种。

3HZ-F系列风光互补发电系统由太阳能光伏电池板，风力发电机，蓄电池和充放电逆变一体机四部分组成，对太阳能和风力发电机给蓄电池充电及蓄电池放电由CPU进行自动控制，有防反接，过压过流和欠压保护，对风力发电机有刹车保护。

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广州三赫太阳能科技有限公司沈先生

风光蓄互补 篇3

关键词：风光互补,抽水蓄能,发电系统,优化设计

0 引言

风光互补抽水蓄能复合发电系统是指利用风能、太阳能进行互补发电, 并使用抽水蓄能的方式部分取代传统蓄电池组储能方式的发电蓄电系统。风光互补抽水蓄能复合发电系统是一种新型的发电蓄电系统, 采用风能、太阳能、水力等清洁能源, 不会对环境造成污染, 风能、太阳能等均是可再生能源, 能够满足长期使用的要求, 且能够节省传统的发电蓄电中的的不可再生能源, 风光互补抽水蓄能复合发电系统对资源的可持续利用具有重要意义。

1 风光互补抽水蓄能复合发电系统的结构和运行方式

风光互补抽水蓄能复合发电系统是由风力发电机组、光伏组件、逆变器、风光互补控制器、可逆式水泵水轮机、蓄电池组等设备组成, 各设备配合进行发电蓄电工作, 能够促进供电的稳定性。

风光互补抽水蓄能复合发电系统的运行方式为:1) 风力发电机组和发电机组将风能转换为机械能再转换为电能, 光伏组件利用太阳能电池板将光能转换为电能, 风力发电机组和光伏组件所发出的电能由风光互补控制器和逆变器进行调整, 并将其送往负载;2) 满足负载后若有多余电能, 使用蓄电池组和可逆式水泵水轮机进行蓄电;3) 若风力发电机组和光伏组件发出的电能不能满足负载, 控制器会将电量充足的蓄电池组中的电能送往负载;4) 如果蓄电池组中的电能也不能满足负载需求, 可以使用可逆式水泵水轮机进行水力发电, 以满足负载的需求。

2 风光互补抽水蓄能复合发电系统的数字模型

风光互补抽水蓄能复合发电系统的优化设计需要综合考虑, 如气候条件、太阳辐照、风力发电机功率、蓄电池特性等, 还应建立数字模型进行计算, 确定发电机容量以及太阳能电池板的方阵等, 以保证系统的可靠性, 同时能够降低投资。

2.1 风力发电系统的数字模型

水平轴风力发电机的输出功率可用公示表示:

(1) 式中, Pw (W) :风力发电机的输出功率;Cp:风力发电机的风能利用系数;A (m2) :风力发电机的扫掠面积;ρ (kg/m3) :空气密度;v (m/s) :风速。 (2) 式中, R (m) :水平轴风力发电机半径。

2.2 光伏发电系统的数字模型

不考虑外界因素对光伏发电系统的输出电压和电流的影响, 当光伏组件的电压为V时, 其电流I为:

式中, Isc (A) :短路电流;Voc (V) :开路电压;Im (A) :最大功率点电流;Vm (V) :最大功率点电压。

2.3 抽水蓄能系统的数字模型

2.3.1 蓄电池组的..容量

风光互补抽水蓄能复合发电系统中的设计中, 蓄电池组的容量配置十分重要。若蓄电池组容量配置过大, 会加大蓄电池组充电难度, 容易使蓄电池组长期处于亏电的状态, 从而缩短蓄电池组的使用寿命。若蓄电池组的容量过小, 则不能满足风光互补抽水蓄能发电系统的需求。蓄电池组的容量计算用以下公式:

式中, Q (Ah) :蓄电池组的容量;K:安全系数, 一般取1.25;I (A) :负载电流;T (h) :蓄电池组放电小时数;η:放电容量系数;α (1/℃) :电池温度系数, 当放电小时率≥10时, α取0.006, 当10>放电小时率≥1时, α取0.008, 当放电小时率<1时, α取0.01;t (℃) :蓄电池组安装地点的最低环境温度值, 一般若安装地点有采暖设备, t取15℃, 若没有采暖设备, t取5℃。

2.3.2 抽水蓄能系统的..最大输出功率

若负载中的电量过多且蓄电池组已充满的情况下, 可以采用可逆式水泵水轮机进行抽水蓄能;蓄电池组中的电量用完时, 可利用可逆式水泵水轮机进发电。因此, 在设计风光互补抽水蓄能复合发电系统时, 应注意可逆式水泵水轮机的最大输出功率与发电系统的最大输出功率的和能满足负载的最大值。

3 风光互补抽水蓄能复合发电系统得优化设计

风光互补抽水蓄能复合发电系统好坏的衡量标准主要是系统的可靠性和经济性, 保证风光互补抽水蓄能复合发电系统的可靠性和经济性应从优化设计入手。通过科学的分析, 制定优化设计方案, 使风光互补抽水蓄能复合发电系统能够长期满足负载需求且使系统配置容量小具有较高的经济性。

在进行负载平均的固定光伏方阵设计时, 应注意不能将固定值作为太阳能电池方阵的最佳倾斜角, 太阳能电池方阵的最佳倾斜角应根据当地全年的太阳能资源以及风力资源及供电要求分布情况设定。

风光互补抽水蓄能复合发电系统的设计应根据当地的太阳能资源和风力资源、太阳能发电系统的倾角、蓄电池组的维持天数、用户负载需求、投资最小化等参数, 利用计算机软件对参数进行循环计算, 得出风光互补抽水蓄能发电系统的最优配置。通过优化设计, 使风光互补抽水蓄能复合发电系统的各配置得到优化, 既能保证发电系统的质量, 还能将投资降到最低, 能够提高其经济效益。

4 结论

风光互补抽水蓄能复合发电系统的发展对电力行业发展具有重要意义, 可以说是发电蓄电技术发展的一个转折点, 传统的发电蓄电系统会源耗费较多的不可再生能源, 对能源资源造成了较大的损失, 还会对环境造成污染。风光互补抽水蓄能复合发电系统的能源是清洁能源, 不会对环境造成污染, 能够满足长期的发电要求。风光互补抽水蓄能复合发电系统对维护电力稳定、保护能源资源等各方面均有重要意义。

参考文献

[1]谈蓓月, 卫少克.风光互补发电系统的优化设计[J].上海电力学院学报, 2009, 25 (3) :244-248.

[2]李文慧, 田德, 王海宽, 贾娇.风光互补发电系统优化配置及应用[J].农村牧区机械化, 2009, 13 (6) :149-152.

风光互补发电系统设计 篇4

因为太阳能与风能的互补性, 即在有风的时节, 风能多太阳能少, 反之亦然。另外, 太阳能与风能的蓄电池与逆变器可以相同。光伏发电的主要吸引力是光伏系统产生的电力对环境无破坏, 通过将无尽的太阳能转换为电能。光伏阵列成本的持续下降和效率的增加意味着在不久的将来光伏发电系统将会有很大的前景。而我们需要利用这种性质, 完善一个系统使之可以全年提供充足电能, 同时可靠性与经济性也得到很好的满足。在电力能源比重与日俱增的今天, 通过各种手段获得电力能源成为现阶段电气研究的重中之重, 因为在一些地区, 因为环境种种因素, 无法实现电力能源的获取, 但又对于电力能源有所需求。如山区, 公路, 林区, 边防, 港口等。为此, 在研究的过程中, 对于上述地区拥有的丰富的其他一级能源进行调研, 从而确定了以光伏发电与风力发电相结合的太阳能风光互补发电, 这种办法对于上述地区的电力能源的采集和输送是一个非常实际又行之有效的办法。因为此系统相对于其他单独的发电系统, 弥补了太阳能无法昼夜发电与风力发电稳定性不足的缺陷。无论在稳定性, 连续性与安全性上, 都有很好的保障。同时在利用自然资源的时候对于环境没有污染, 符合可持续性发展。

1 风光互补供电系统

风光互补系统主要构成有风力发电机, 太阳能电池板, 直流控制中心, 发电端控制器, 蓄电池组, 逆变器与负载。风力发电机能够将风能转换为电能, 太阳能电池板能够将太阳能转换为电能, 得到的电能分别通过风力机控制器和光电板控制器输送给直流控制器, 通过控制器进而控制电能的流向, 得到的电能可以直接用于用电负载, 而多余的电量将通过控制器直接输送给蓄电池, 用于负载的供电需求, 若需给交流负载供电, 则需要通过逆变器将直流电转换为交流电再传送给负载。

1.1 风力发电部分

该部分主要有风力发电机组成。利用风力机将风能转换为机械能, 再通过风力发电机将机械能转换为电能, 再经过控制器对蓄电池充电, 同时通过逆变器对负载供电。在风光互补的系统中, 风力发电机组的参数也十分重要, 主要有:切入风速与切出风速、额定风速与额定输出功率、最大输出功率、风能利用系数、对环境的适应能力、安装和维护的简易性等等。在进行设计时要综合考虑上述因素。

1.2 光伏发电部分

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能。然后对蓄电池充电。通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

1.3 逆变部分

逆变器是将太阳能输出直流电转变为交流电的一种设备。它是影响系统可靠性的关键因素。为了提高系统的适应工作, 这就要求逆变器具有合理的电路结构, 具备各种保护功能, 整机效率高, 输出电压波形的失真度低。直流输入电压有交换的适应范围[2]。

逆变器由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中的直流电能变换成为标准的220 V交流电, 保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能, 可改善风光互补发电系统的供电质量。风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电, 同时可用蓄电池充电, 然后靠蓄电池向负荷提供稳定的电能。若用户使用交流电器, 通过加载逆变器, 将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳能发电互补的结构形式, 具有较广的应用范围。

1.4 控制部分

控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化, 不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节:一方面把调整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存储。保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

1.5 蓄电池组部分

蓄电池部分由多块蓄电池组成, 在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来, 以备供电不足时使用。蓄电池电压采集, 用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能, 对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路, 若在太阳能电池正常充电时, 控制器将关断负载, 以保证负载不被损伤, 若在夜间或太阳能电池不充电时, 控制器由于自身得不到电力, 不会有任何动作。

2 系统工作原理

2.1 太阳能电池原理

太阳能电池是应用P-N结的光伏效应 (Photovoltaic Effect) 进行能量转换。理想的P-N结二极管, 其对应的方程式如下:

式中, Ipn, Vpn为P-N结二极管的电流及电压;k为波尔兹曼常数 (Boltzmann Constant:1.38×10-23J/K) ;q为电子电荷量 (1.602×10-19库仑) ;T为绝对温度 (凯氏温度K=摄氏温度+273度) ;Is为等效二极管的逆向饱和电流;VT为热电压 (Thermal Voltage:25.68 m V) 。

太阳能电池将太阳光能转换为电能主要由自然光中的的量子-光子 (Photons) 完成的, 而每个光子所携带的能量为:

式中, h为普郎克常数 (Planck Constant:4.14×10-15e V·S) ;c为光速 (3×108m/s) ;λ为光子波长。

2.2 风力发电机原理

风力发电的原理, 是利用风力带动风车叶片旋转, 再通过增速机提升旋转速度, 从而促使发电机发电。依据目前的风车技术, 可以实现每秒三公尺的微风速度便可开始发电[3]。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械, 又称风车。广义地说, 它是一以大气为工作介质的能量利用机械。

2.3 蓄电池原理

目前, 绝大多数的太阳能控制器用于自动切换充电方法的依据采用的是在线检测蓄电池的端电压来判断。但是, 蓄电池的端电压受到很多因素的制约, 特别是在充电过程中, 蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的不同程度的影响, 不能准确表示其荷电状态。为此提出了一种新的检测方法———离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中, 蓄电池的电动势可表示为:

式中, E为电池电动势;

E0所有反应物的活度或压力等于1时的电动势, 称为标准电动势;

R为摩尔气体常数;

T为温度;

F为法拉第常数;

n为电化学反应中的电子得失数目。

从上式可以看出, 电动势与硫酸浓度有关, 换言之就是与荷电状态有关。而且, 根据有关文献, 蓄电池的荷电状态与其稳态开路电压有良好的线性关系。因此, 由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。

3 控制器设计

3.1 控制器原理

控制器是对光伏电池板和风力发电机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按蓄电池饿的特性曲线对蓄电池进行充电, 当所发的电不能满足负载需要时, 控制器又要把蓄电池的电能送往负载[4]。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能被过放电, 保护蓄电池。

3.2 控制器设计

在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时, 控制系统必须将多余的能量消耗掉。充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备, 一般还具有简单的测量功能。蓄电池组经过充电或放电后会严重影响其性能和寿命, 所以充放电控制器是不可或缺的。控制器要对蓄电池两端的电压进行实时检测, 当两端电压过高时, 要切断风力发电机和光伏电池板与蓄电池的联系, 防止发生过充现象;当两端电压低于设定值时, 要切断蓄电池与负载的联系, 防止过放的情况。从而保证了最佳的蓄电池充电特性, 使得电能得到充分利用。

由于蓄电池只能承受一定的充电电流和充电电压, 过电流和过电压充电都会对蓄电池造成很严重的损害。风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流, 并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流, 确保蓄电池既可以充满, 又不会损坏。从而确保了蓄电池的使用寿命[5]。风光互补控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流, 使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态, 从而使产品设计更加人性化。

4 结论

太阳能发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电, 进而给负载供电的系统。该系统的优点是供电可靠性高, 运行维护成本低, 缺点是系统造价高。风力发电系统是利用风力发电机将风能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电。进而通过逆变器给负载供电的系统。该系统的优点是系统发电量较高, 造价较低, 运行维护成本低。缺点是风力发电机可靠性低。

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, 而且太阳能和风能都是洁净能源, 对环境无污染。所以风光互补发电系统是资源条件最好的独立系统。

摘要：因为经济发展的快速性, 标志着能源消耗的速度也在提升, 直接导致能源的枯竭。而目前发电的能源大多为不可再生能源, 从而迫切的需要我们寻找可再生清洁能源。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电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时, 风电和光电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。本文通过研究风光互补发电系统的原理, 对其进行分析研究, 实现风光互补发电的可能性。

关键词：太阳能,风能,风光互补,发电系统

参考文献

[1]杜荣华, 张婧, 王丽宏, 等.风光互补发电系统简介[J].节能, 2007 (3) :60-61.

[2]魏云峰.新型逆变器及其数据采集系统的研究[D].东北农业大学, 2007:30-35.

[3]郭继高.风能发电小型风能发电及其发电机[J].1999 (5) :43-45.

[4]艾斌, 杨洪兴, 沈辉, 等.风光互补发电系统的优化设计Ⅱ匹配设计实例[J].太阳能学报, 2003 (5) :70-73.

风光互补发电性能参数测定 篇5

针对风光互补发电系统的监测功能不够灵活, 扩展性比较差, 本文着重改进风光互补发电系统的监控功能, 与原系统相比, 具有如下优点:采用模块化设计, 便于后期维护;具有较高的灵活性和扩展性;此外, 该设计不仅可以实时显示且可通过上位机保存和查询历史数据[3]。

一、风光互补发电原理

如图1所示的风光互补发电系统各组成部分及功能如下:

太阳能电池阵列:在金属支架上用导线连在一起的多个太阳电池组件的集合体, 产生负载所需要的电压和电流。

风力发电机组:与公共电网不相连、可独立运行的风力发电系统。

蓄电池组:由两台12V蓄电池经串联组成的存储电能的装置。

控制器:系统控制装置, 主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护, 同时对系统输入输出功率起到调节与分配作用, 并且担负系统赋予的其他监测功能。

逆变器:将直流电转换为交流电的电力电子设备。

直流负载:以直流电为动力的设备。

交流负载:以交流电为动力的装置或设备。

当风速达到一定值时, 风力发电机组将风能转换为交流形式的电能, 但由于所产生的交流电压不太稳定, 所以必须通过整流器整流给蓄电池充电。而光伏方阵由若干太阳电池板串联构成, 其作用是将太阳能直接转换成直流形式的电能, 并向蓄电池充电。蓄电池起着储存和调节电能的作用, 当日照充足或风力很大导致产生的电能过剩时, 蓄电池将多余的电能储存起来;当系统发电量不足或负荷用电量增加时, 则由蓄电池向负荷补充电能, 并保持供电电压的稳定。为此需要设计专门的控制装置, 该装置可根据日照的强弱、风力的大小及负荷的变化, 不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节, 使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行, 以保证风力、光伏及互补发电系统工作的连续性和稳定性。具有上述功能的装置称为控制器。通常控制器还应具有防止蓄电池过充电和过放电的功能[4]。

二、监测系统硬件选型和设计

2.1CPU的选型。

CPU模块是PLC的核心部分, 它由微处理器和存储器组成。当前CPU的生产厂家有很多, 如西门子公司、欧姆龙公司、三菱公司等。本次设计选用的是西门子公司的S7-200型的CPU, 表1为CPU222型号的基本参数。

从表1中可以看出, CPU222的内置功能满足了本监测系统的要求。

2.2模拟量输入模块选型。

在工业控制中, 某些输入量 (例如压力、温度、流量、转速等) 是模拟量, 而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量信号首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压信号, 例如4~20m A, 1~5V, 0~10V, 然后PLC通过A/D转换器将它们转换成数字量[5]。

本设计选用西门子EM231模拟量输入模块。EM231模拟量输入模块有5档量程 (DC 0~10V、0~5V、0~20m A、±2.5V和±5V) [5]。本设计通过模块上的DIP开关, 将量程设置为0~20m A。

2.3电量变送器。

电量变送器是一种将被测量的参数 (直流电压、直流电流等、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、交流电流、交流电压、频率、相位、功率因数) 按线性比例转换成直流电流或电压 (电能脉冲输出) 的测量仪表。

电量变送器有直流型和交流型, 或者电压型与电流型。电量变送器主要连接在测量点与模拟量输入端子之间。根据前面的介绍我们已经对变送器的作用有了初步的了解。因为模拟量模块的输入是有一定的范围的, 电压信号 (-10~10V, 0~5V, 0~10 V, 1~5 V) , 电流信号 (0~20m A, 4~20m A) 。只有在这些范围内才可以被转换。如果实测的电压、电流信号的值已远远超过了这些范围, 必须经过变送器的变送才可以作为输入信号。

2.4监测电路设计。

本设计选择CPU222CN的PLC作为信号处理模块, 扩展模块EM231提供4通道模拟量输入, 采用24V电源为CPU、EM231模块和电量变送器供电。图2所示为监测系统图。

根据实际要求, 我们对风光互补系统的太阳能电池板、风能发电系统、直流负载、交流负载的电压电流进行实时监测。被测参数电量范围如表2。

三、监测系统软件

3.1下位机程序编写。

风光互补系统的程序在西门子公司提供的STEP 7-MICRO/WIN软件中进行编写。以测量太阳能电池板的电压为例:太阳能电池板的电压测量范围为0~40V, 经过电量变送器转换为模拟量输入模块可接收4~20m A的电流信号, 经过模拟量输入模块的A/D转换, 转换为对应的数字量存储在PLC的特殊功能寄存器AIW0中, CPU对AIW0中的数值经过转换和计算处理得到对应的实际电压值。

在西门子PLC中, 4~20m A的模拟量信号对应的数字量为6400~32000。计算公式如 (1) 所示, 其中为AIW0中的数值, 即电流信号经过A/D转换后的数字量;为经过CPU计算后得出的实际测量电压值。

3.2上位机MCGS组态。

MCGS (Monitor and Control Generated System, 通用监测系统) 是一套基于Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监测的组态软件系统, 可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台, 能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监测网络等功能[6]。

本设计采用MCGS进行上位机的组态。由“风光互补系统模拟画面”、“电压&电流当前值”、“历史报表”三个窗口组成的系统监视画面。图3所示为监控系统的组态图。

四、实验验证

编写完MCGS程序以后就可以进行调试, 在主界面上选择“文件 (F) ”, 再选择“进入运行环境”, 如图4所示。此时, 可选择测量数据的当前值和历史数据进行查看。实验结果表明, 该系统的监测结果较为准确, 满足了风光互补系统的实时监测需求。

五、结束语

本文设计的监测系统对风光互补发电性能参数进行了测定。监测系统简单灵活, 能实现对风光互补的太阳能电池板、风能发电系统、交直流负载的电压电流进行实时监测与显示, 测量结果准确, 具有一定的实际应用价值。

参考文献

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[5]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社, 2008, 1.

风光互补发电系统研究综述 篇6

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 kW·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。

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

摘要：主要阐述了风光互补发电系统的构成及其各部分特点, 并提出了系统设计中应注意的问题。

关键词：风能,太阳能,可再生能源,风光互补发电

参考文献

[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)

风光互补供能系统的优化设计 篇7

风光互补供能系统具有不枯竭、方便、清洁、无噪音等优点, 尤其是在广大边远地区, 充分利用其优势, 对建立独立可靠的供能系统具有重大意义。目前, 在我国一些偏远地区 (如农村、灾区、海岛、野外) 居民的生活用电仍存在一定问题。由于这些地区的地理位置偏远, 地广人稀, 导致架线送电路程遥远, 不仅损耗大, 而且线路维护费用较高, 因此供电网覆盖面有限, 给当地群众的生活带来了极大的不便。下面将介绍一种小型独立的风光互补供能系统, 以期可进一步解决偏远地区的用电问题。

1 风光互补供能系统概述

本模型系统采用一块太阳能板, 额定功率20 W, 面积0.189 125 m2, 根据计算可得太阳能板每年可产生电能18.84～52.32 kW·h。风机模块采用额定功率100 W风力发电系统, 每月产生电能12～17 kW·h。体积小, 重量轻, 结构合理, 美观大方, 叶片外型采用专利技术曲线设计, 具有良好的气动性能, 材料采用优质玻璃钢, 具有启动早、抗大风能力强、效率高等特点, 风力发电机整机配置优良, 性能可靠, 坚固耐用, 美观大方。本系统设计的风光互补发电系统控制器, 其风力发电充电电路与光伏发电充电电路是两个独立的充电模块, 二者互不影响, 可以进行单独充电控制。同时系统采用DC-AC电源转换器, 可对外部设备提供220 V市电。

2 太阳能跟踪算法的设计

目前, 太阳能追踪系统 (Sun Tracking System) 主要有单轴系统和双轴机械跟踪定位系统。国内外研究表明, 单轴太阳能系统比固定式系统能增加25%的功率输出, 而双轴太阳能追逐系统比固定式系统能增加41%的功率输出。为达到始终保持太阳能板与光照的垂直, 使其最大化地接收太阳能, 充分利用丰富的太阳能资源, 本系统中设计了一种优化的双轴跟踪定位系统。

由于一天中太阳的位置不断变化, 为达到能源的最大利用率, 我们制作了光源跟踪装置, 并设计一种互补跟踪控制方式:在晴天时, 选择跟踪灵敏度高的光电跟踪方式;在天气状况不好时, 则切换到视日运动轨迹跟踪。优化方案工作框图如图1所示。

在设计视日运动跟踪子程序过程中, 虽然太阳的位置时刻都在变化, 但其运行具有严格的规律性, 在地平坐标中, 太阳的位置可由高度角α与方位角来确定:

sinα=sinδsinφ+cosδcosφcosω (1)

undefined (2)

式中, δ为太阳赤纬角;φ为当地的维度角;ω为时角。

太阳赤纬角δ与时角ω由本地时间确定, 而对于确定的地点, 本地的维度角φ也是确定的, 因此只要输入当地相关地理位置与时间信息就可确定此时刻的太阳位置。

3 最大功率控制策略的设计

3.1 风机最大风能捕获控制策略

最大风能跟踪 (MPPT) 是风力发电的核心问题。目前比较成熟的最大风能跟踪控制方法主要有3种, 即最佳叶尖速比法、最大负载功率曲线法和爬山搜索法。

3.1.1 传统的爬山搜索法

爬山搜索法最大功率跟踪控制算法是根据获取的风能来计算的。获取的风能给定为:

Pw=TE×ωg (3)

式中, TE为电磁转矩;ωg为发电机的旋转速度。

传统的爬山搜索法包括以下步骤:

(1) 选择初选的参考转速并测量发电机的输出功率;

(2) 通过增加或者减小某一固定步长, 获取参考转速并在此测量发电机的输出功率;

(3) 计算Sign (ΔP) 和Sign (Δω) ;

(4) ωref (n) =ωref (n-1) +Sign (ΔP) Sign (Δω) ωstep;

(5) 从步骤 (3) 开始重复直到到达最优运行点。

采用爬山搜索算法控制可以不断地搜索风机输出功率峰值, 当风机惯量非常小, 风机速度对风速的反映几乎是瞬时的。自然界风的随机性是不可避免的, 当功率扰动或风速小范围波动使得最佳功率点偏移, 在此时若重新初始化步长, 由于风机转速较大, 步长扰动会导致系统产生无法避免的波动, 影响整个系统的功率输出, 如果采用整数倍增减的方式调整步长, 会使风机转速的收敛性无法达到预期的要求。因此最好采用步长呈指数倍形式增减的调整方式, 以达到保证系统运行稳定的效果。在实际应用中若保持风机转速在较小的范围内波动, 将有利于系统对随机变化的风速做出快速响应。

3.1.2 改进后的梯度算法

在不检测风速的情况下, 做出合适的调整是最优梯度法应用在风力发电系统的关键, 故本文引入该算法应用在风能发电系统中。改进后梯度算法是通过风机转速的扰动来搜寻最大功率输出点。

undefined

-0.4β-5·

undefined

式中, 取值β=k;常数undefined;Pw (ω) 为一非线性函数, 连续可微分;undefined。

由传统的爬山搜索法可知, 工作点位于系统最大功率输出点的左侧时, 风机转速以较大幅度指数倍增长;工作点位于系统最大功率输出点附近时, 系统提供相对小的扰动量。此时基准点Pb所对应的风机转速ωb将调整为ω′a=ωb, ω′b=ωc, ω′c=ω′b+Δω。工作点位于系统最大功率输出点的附近时, 风机步长不会有较大的起伏波动, 整个系统能够安全稳定地工作。基准点Pb所对应的风机ωb转速将调整为:Δω′=Δω-ωx, ω′a=ω′b-Δω′, ω′b=ωb, ω′c=ω′b+Δω′。ωx=±hΔω作为指数的步长调整。同样, 工作点位于风机最大功率输出点右侧时, 风机转速以相对大的幅度指数减少, 这样就可解决最大功率输出点附近收敛性不好以及振荡追逐等缺点。基准点Pb所对应的风机转速ωb将调整为ω′c=ωb, ω′b=ωa, ω′a=ω′b-Δω。

将风力发电机最大输出功率作为整个系统的目标函数, 将风机转速ω作为跟踪变量, 根据输出功率值的变化量和对应前一刻的风机转速调整步长, 共同决定该时刻调整步长的大小。对风力发电机输出功率Pw (ω) 与风机转速ω两者之间的特征函数曲线进行分析, 得到如下结论:若系统输出功率增大, 则继续按照原步长方向进行调整, 反之取相反的方向进行调整;若在最大输出功率点的较远处, 则采用较大的调整步长, 实现追踪速度的提升;若在最大输出功率点附近, 则采用较小的调整步长, 减少追逐搜索的损失;自然风风速随机等因素导致风力发电机系统输出功率发生较大的变化时, 系统能准确迅速作出相应的反应。

如图2所示, 风速稳定情况下, 波动很小, 且波长在可允许的范围内振荡;当风速发生变化时, 风力机转速ω (n) 是以ω (n-1) 时的风力机转速呈指数倍增长。功率的变化量随ω (n) 呈倍数增减, 验证了改进后的梯度算法的可行性和正确性。

3.2 光伏发电的最大功率点跟踪控制策略

常用的光伏发电最大功率点跟踪控制策略有2种:恒压控制法 (Constant Voltage Tracking, CVT) 和扰动观察法 (Perturb and Observemethods, P&O) 。

3.2.1 恒压控制法 (CVT)

采用CVT方式可以近似实现光伏阵列的功率最大输出, 并且操作性好, 可靠性高, 整个系统不会振荡, 有着较高的稳定性, 其基本控制框图如图3所示。但是CVT跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响, 导致控制精度不高, 尤其是在温差较大的季节, 光伏阵列受到温差的影响, 伏安特性曲线会有不可忽略的变化, 需要不时地对给定电压值进行调整。

3.2.2 扰动观察法 (P&O)

光伏发电扰动观察法和风力发电控制中提到的爬山搜索法相似, 是目前常用的MPPT控制方法之一。扰动观察法控制框图如图4所示。其最大优点在于结构精简, 需要测量的参数较少。但是缺点是无法消除“扰动”, 输出会有较小起伏波动, 导致最大功率追踪的过程中会损失一些微功率。

3.2.3 本系统采用的控制方法

综上所述, 两种控制方式各有优缺点, 前者可行性好, 操作控制简单, 但受限于温度的变化;后者可对不同温度下的最大功率输出点进行追踪, 但存在一定的起伏波动, 对系统的稳定行造成了不利影响。

联系实际需求, 本文将上述两种控制方式结合, 思路如下:首先参考实际情况, 得出经验值Vm, 采用CVT的启动方式, 因为CVT方式在启动特性上有着较好的优势。启动后, 使用扰动观察法, 追踪捕获最大功率输出点, 获得最大功率输出点处的Vm, 由于温度的线性变化, 在较短时间内, 该光伏阵列的Vm值基本保持恒定;最后使用CVT方式, 将光伏发电系统的输出电压控制在先前测得的Vm值附近。每隔一段时间, 重复上述几个步骤, 从而实现对光伏发电系统的最大输出功率的控制。

4 结语

本文主要讲述了一种优化的风光互补供能系统的设计方案。风光互补供能系统的使用, 能耗和污染排放始终为零, 节能减排效果十分明显, 具有深远的社会效益和长远的经济效益。

参考文献

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风光互补发电系统方案的探讨 篇8

风能是人类最早利用的能源之一, 广泛应用于风力提水灌溉、磨面、帆船等领域。随着国际工业化的进程, 环境污染日益严重, 常规能源资源面临枯竭的危机。现代新能源和可再生能源的发展成为世界各国的挑战, 清洁的太阳能、风能资源有了更广泛的发展领域。

1 风光互补发电系统方案

1.1 应用背景

近年来, 面对巨大的市场, 众多通信运营商展开激烈的市场竞争, 在硬件设施投资方面主要表现为:增加通信基站, 扩大通信覆盖范围, 这是运营商提升竞争力的硬件手段, 而通信基站能否正常工作, 可靠的电力供应保障是锁定客户和提高服务质量的根本保证。

现在一般的基站建设当中, 除了市电以外, 还有柴油发电机, 但是由于地理位置和自然条件的限制实际上在基站运行当中是很不现实的。也有很多采用光柴混合使用的基站, 但也存在其缺点:光伏组件价格昂贵, 使用范围狭窄。因此为通信网络畅通推出了绿色环保节能的、稳定可靠的电力供应解决方案———风光互补发电系统也应运而生。

统计资料显示, 平均每个风光互补型的供电基站功耗为500多瓦, 每年的耗电量是四千多度电, 加上不用空调省下的费用, 比常规基站节约将近一万多度电。按照每节约1度电, 相当于节省0.5千克煤的能耗和4升水, 同时节省了1千克二氧化碳和0.03千克二氧化硫的排放量。同时节约了后期的电的使用, 也就是用电这一块的电费等等的维护成本。

1.2 系统组成及说明

如图1所示, 风力发电机系统是由风力发电机组、智能控制器、蓄电池组、逆变器等组成。风力发电机将风能首先转换为交流电能, 在通过控制器整流转换成直流电能, 光伏组件将光能转化为不稳定的直流电能, 将直流电能输送至蓄电池组和基站设备。蓄电池组用以存储电能, 在无风阴雨时为基站设备等负载供电。柴油机作为辅助或后备电源, 确保基站设备正常工作。下面对系统各组件工作原理进行说明:

1.2.1 风力发电机

根据风力发电机功率输出表, 在4.2m/s风速下, 发电机输出功率为200W。

风力发电机每天发电量为:W发电机=P发电机H发电机=200×24=4800wh=4.8度

因为发电机的输出功率是和风速的立次方成正比, 所以, 风力发电机真正发电量是在年平均风速下发电量的1.2~1.5倍。

即:W′=1.4W风力发电机=1.4×4.8=6.72 (度)

风力发电机的台数为:n=W/W发电机=12.48/6.72=1.86

选择2台2k W风力发电机组。

1.2.2 光伏组件

光伏组件是整个系统的补充电源, 有光无风时由光伏组件供电。配置风力发电机总功率和光伏组件总功率比例取4∶1。

1.2.3 蓄电池

蓄电池起到稳压并储存能量的重要作用。无风阴雨天气时, 蓄电池输出能量, 保证基站设备工作正常。

蓄电池的优化配置公式为:

蓄电池串联节数=系统直流电压/蓄电池电压

自主天数:连续无风阴雨天数

系统电压为DC48V, 蓄电池放电深度为0.5, 负载一天用电量为9600wh。自主天数取3天。

1.2.4 控制器

1) 控制器技术参数要求:a.风力发电机输入功率:6k W;b.光伏组件输入功率为:1k W;c.控制器输入电压:DC36V-DC72V;d.控制器输出电压:DC43V-DC56V。

2) 具备如下特点:a.风光两用。控制器可以接入多台风力发电机和光伏组件, 充分利用自然资源。b.指示直观、操作方便。人性化设计, 操作方便、安全。c.具有蓄电池防反接功能当蓄电池/光伏组件出现反接情况时, 控制器自动切断和蓄电池的连接, 保证整个系统的安全。d.手动制动功能。当出现大风情况或者检修期间, 手动制动风力发电机系统。保证系统和人身安全。e.蓄电池充放电管理。过压时, 控制器自动卸荷;欠压时, 控制器自动切断负载, 延长蓄电池使用寿命。f.模块化设计。控制器采用模块化设计, 易于检修和维护。g.微电脑芯片控制, 控制精确。h.温度补偿功能。

1.3 系统评估

1.3.1 负载评估

基站负载每天用电量:

所需每天发电量为:W=1.3W基站=1.3×9.6=12.48度

1.3.2 天气评估

年平均风速4.2m/s, 属于风能资源丰富区;日平均光照时间2.7h/d。初步可以确定风光互补发电系统以风力发电机为主, 光伏组件为辅。

2展望