紀彥偉，王秀平,劉 朋

(1.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136； 2.國網(wǎng)新源吉林松江河水力發(fā)電有限責任公司，吉林 白山 134500)

1 概 況

在風光互補系統(tǒng)設計的前期，必須對當?shù)氐牡乩項l件和資源條件進行分析，盡量在風力和太陽能資源都比較豐富的地區(qū)建造風光互補發(fā)電站。目前，我國現(xiàn)具有的風光互補發(fā)電廠的規(guī)模還是比較小的，國外已經(jīng)有相對較大規(guī)模的互補電廠出現(xiàn)。隨著技術研究的不斷深入和風光互補系統(tǒng)的進一步推廣應用，風光互補終將成為多能互補體系中的重要組成部分，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置[1-3]。

光能資源的劃分是根據(jù)所接受輻射量的多少而分為五類地區(qū)，黑龍江省綏化市太陽能資源屬于中等型地區(qū)，全年日照時數(shù)為2 600～2 900 h，年輻射總量達(4 200×5 000 MJ/(m2×a))，日照氣溫高于10 ℃的天數(shù)普遍在200天以上。太陽能板在傾斜角度為45°時，輻射量吸收為最優(yōu)，所以黑龍江省綏化市比較適合建設太陽能光伏電站。

經(jīng)查閱資料得到黑龍江省綏化市的2009～2017年的相關風速，得出9年平均風速大約為9 m/s,雖然平均風速直接利用有缺點，但仍然是反應風能資源潛力的一項重要指標[4-7]。當今世界對于能源方面的綜合技術，只有在每一年的平均風速大于3.5 m/s時，才有使用的價值。所以，黑龍江省綏化市比較適合建立風力機發(fā)電站。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)：風光互補系統(tǒng)是利用兩種能源在同一個系統(tǒng)中共同發(fā)電，同時將可再生能源——太陽能和風能轉(zhuǎn)化為電能，再利用蓄電池作為發(fā)電系統(tǒng)能量存儲設備的一種發(fā)電系統(tǒng)[5]，如圖1所示。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)

2.1 風能資源分析

根據(jù)黑龍江省綏化地區(qū)近年來的風能資源，光能資源分析出風光各占2 MW中的多少，從而可以更優(yōu)的利用資源。根據(jù)查閱相關資料得到2009～2017年的風級情況，利用公式求出每天的風速，從而得出這幾年的每月平均風速情況，如表1、圖2所示，風力發(fā)電機相關參數(shù)、逆變器和控制器相關參數(shù)如表2、表3所示。

表1 綏化市2009～2017年1～12月風速情況

圖2 2009～2017風速情況

根據(jù)風能密度計算公式：

433.74 W/m2

(1)

式中，Cp為根據(jù)葉素動量理論得到的最大風能利用小時數(shù)(h)；ρ為 空氣密度(g/l)；V為風速(m/s)。

平均每年平均風能可以使用的時間為1 214h。日平均發(fā)電量為

(2)

根據(jù)分析，可以獲得風力發(fā)電和光伏發(fā)電日平均發(fā)電量，由于該設計為2 MW風光互補發(fā)電站，故按照上面所分析的風能、光能情況，得出一天內(nèi)太陽能與風能的比例為3.69:1.44=2.57:1，光伏發(fā)電站應該發(fā)電1.44 MW，約為1.5 MW,風力機發(fā)電站應該發(fā)電0.5 MW。

表2 風力發(fā)電機相關參數(shù)

2.2 太陽能資源分析

所調(diào)查地區(qū)的近22年來的數(shù)據(jù)顯示本地光能資源情況如表4、圖3所示。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成如圖4所示，其中包括：光伏組件方陣、控制器、逆變器等。蓄電池的選型，如表5所示。

2.3 光伏系統(tǒng)蓄電池的串并聯(lián)設計

太陽能發(fā)電原理是采用半導體電池片，電池實質(zhì)為一個半導體二極管，一般單個電池的面積只有幾個平方厘米，其基本發(fā)電原理是，當太陽照射在半導體的PN結(jié)上時，它就會產(chǎn)生一個光電效應，這就達成把光轉(zhuǎn)換成所需電能的目標。分別給一個P型和N型層焊接金屬引線，形成正負極，連接到一個負載，在陽光的照射下，通過外部電路產(chǎn)生電流，它形成了一個電池組，將大量的此類電池元件進行串并聯(lián)就可以組合成一個光伏組件，組件在太陽光的持續(xù)照射下產(chǎn)生所需的電流電壓。

表3 逆變器和控制器相關參數(shù)

表4 近22年的每月發(fā)電量

圖3 近22年的每月發(fā)電量情況

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)圖

型號GFM-2000C額定電壓/V2額定容量/Ah2 000長*寬*高/mm3629*346*341總高/mm351重量/kg174短路電流/A20 000參考內(nèi)阻/mΩ0.9

查閱相關資料得知光伏電池每天大約工作8個小時，得出光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量為18×250×61×8=2 196 kWh，每組光伏電池板的輸出電壓為30.5×18=549 V，故蓄電池需要儲存的容量為2 196 kWh÷549 V=4 000 Ah串聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)工作電壓/蓄電池標稱電壓為：600 V/2 V=300塊，并聯(lián)數(shù)=蓄電池總?cè)萘?蓄電池標稱容量=4 000 Ah/2 000 Ah=2。故需要6組這樣的蓄電池串并聯(lián)，所以能滿足24小時工作的負載的功率為2 196 kWh÷24 h×6組=549 kW。需要如圖5所示這樣的蓄電池組一共6組。光伏電池板的性能參數(shù)如表6所示。

圖5 一組蓄電池電氣連接圖

項目數(shù)值項目數(shù)值最大額定功率/W250功率公差/%±3最大功率時電壓/V28.50最大功率時電流/A8.20開路電壓/V30.50短路電流/A8.71系統(tǒng)最大電壓/V1 000組件轉(zhuǎn)化效率/%15.30功率溫度系數(shù)/(%/℃)-0.45開路電壓溫度系數(shù)/(%/℃)-0.33短路電流溫度系數(shù)/(%/℃)0.04標準組件發(fā)電條件/℃46±2

控制器的選型：光伏控制器的名稱是匯能精電-單路電站控制器，型號是EPIP603。具體參數(shù)見表7。

表7 控制器的相關參數(shù)

此種控制器是為獨立的發(fā)電系統(tǒng)而設計的，它具有通訊功能?？梢詾楦蟮碾姵仃嚵蟹眨嗟倪m用于集中供電系統(tǒng)之中。

主要特點：

1)具有智能優(yōu)化控制的功能，更加穩(wěn)妥、速率高、優(yōu)秀；

2)使用效率更高的凡是充電—串聯(lián)式—PWM；

3)采用保護溫度傳感器進行過熱保護，從而保證了系統(tǒng)更高的可靠性；

4)采用PS232接口，可以保存30天以上的歷史數(shù)據(jù)記錄和下載；

5)具備后備電源開關信號輸出；

6)4個接觸按鍵，用戶可設定系統(tǒng)工作參數(shù)；

7)LCD中英文菜單顯示，可設置；

8)精確地實時性和電池電量顯示，而且斷電后不會丟失。

逆變器的確定：根據(jù)設計要求，確定了逆變器的參數(shù)如表8所示。

表8 逆變器的相關參數(shù)

1)61串光伏電池的輸出功率為

61×250×18=274 500 W=274.5 kW<275 kW

(3)

2)每串光伏組件的電壓為

30.5×18=549 V<900 V

(4)

MPPT的跟蹤范圍為280 V～820 V，故形同的輸出電壓581.5 V在其跟蹤范圍內(nèi)；

3)61串光伏組件的電流為

8.71×61=531.31 A<600 A

(5)

3 結(jié) 論

風光互補發(fā)電系統(tǒng)是一種利用清潔的、可再生的新型能源進行發(fā)電的系統(tǒng)。對風力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計展開研究，通過對綏化地區(qū)的地理環(huán)境、風光資源做了詳細分析，依據(jù)實測數(shù)據(jù)進行了相關計算，得出風光比例，確定了合理的進行風、光功率分配；通過系統(tǒng)容量，場地面積，本著經(jīng)濟性的原則，選取合理的風力機、太陽能電池板、逆變器、控制器、蓄電池等部件，以最佳的組合方式進行匹配，構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，并完成了穩(wěn)定性校驗，最終設計了一套2 000 kW的風光互補發(fā)電站。研究探索了一種風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計方法，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣利用提供了有價值的參考。

[1] 陳 嵐,史偉偉.并網(wǎng)型風光互補的研究現(xiàn)狀[J].機電信息，2010,36(3):3-4.

[2] 孟克其勞,賈大江，王利平.風光互補控制器的智能化設計[J].太陽能學報,2005,26(2)：134-138.

[3] 郭創(chuàng)新，張 理，張金江，等.風光互補綜合發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013,41(1):102-108.

[4] 趙 邀.風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及最大功率點追蹤[D].長沙:長沙理工大學，2011.

[5] 魏 單，陳 琳.“農(nóng)光互補”光伏電站設計[J].沈陽工程學院學報：自然科學版,2017,13(2):108-112.

[6] 王 宇.風光互補控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津:天津大學，2004.

[7] 賀 煒.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用展望[J].上海電力，2008,(2):134-138.