風光互補發電系統設計方案（一）

1、風光互補供電系統結構及原理

典型的通信基站供電系統如圖1所示，主要由交流配電、整流器、蓄電池、直流配電等設備組成。市電正常情況下，市電直接給交流負載供電，通過整流器給直流負載供電和蓄電池充電。市電異常情況下，通過蓄電池給直流負載供電，或通過手動或自動切換由燃油發電機供電。綜合通信基站供電系統的應用特點，主要包括3個方面：（1）負載24h連續運行，負荷平穩;（2）配置一定容量的蓄電池組;（3）整流器的輸出特性滿足蓄電池充電要求，輸出電流與蓄電池充電狀態相關。

圖1 ?通信基站供電系統原理框圖

風光互補供電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池組、直流負載等部分組成，該系統是集風能、太陽能及系統智能控制技術為一體的可再生能源發電系統，系統結構如圖2所示。

圖2 ?通信基站風光互補節能供電系統原理框圖

系統采用經實踐確認可行的直流接入模式。風力發電機組、太陽能光伏電池組通過控制器直接給基站蓄電池組充電和負載供電。直流接入所需設備較少，除風力發電機和控制器外，無需增加額外設備，不足之處是直流接入無法直接為交流負載供電。直流接入充分利用基站供電系統的現有設備，比較符合基站供電的特點，系統簡潔可靠，能量轉換效率較高，比傳統經逆變器供電的方式提高效率20%左右。

2、通信基站風光互補供電系統設計

2.1、通信基站情況

通信基站位于湖南中部某鄉一個山頭上，海撥高約1092m，且南北走向地勢開闊，太陽能和風能資源較為豐富，年平均日照時數約為2000h，年平均有效風時數為2500～3000h，全年平均風力3～8級。該移動通信基站為1層樓房，含有柴油發電機房，基站載頻數量為6個，2組500Ah蓄電池，設備總功耗大約為1kW，無空調。

2.2、系統設計優化方案

2.2.1、蓄電池容量計算

由于蓄電池是整個系統的后備電源，蓄電池的性能優劣直接影響整個系統的工作穩定性，故選用的閥控式密封鉛酸蓄電池要符合YD/T799—2002的要求，閥控式密封膠體蓄電池要符合YD/TI360—2005的要求。基站設備為直流-48V供電，故需采用48V蓄電池或蓄電池組。按基站的重要程度，一般來說整個系統的后備工作時間要能達到3天的時間。但根據當地氣象情況分析，早晚風力較大，中午陽光較強，無風無光日較少，且有市電接入，蓄電池容量配置為滿足基站內所有用電設備1天需求即可。

系統總負載所需的蓄電池容量為：

Cb=（I×T×K）/（η×〔1+α（t-25）〕）

=100048×1×24×1.25/（1×〔1+0.006×（0-25）〕）

=625/0.85=735.29Ah

式中Cb為蓄電池的容量;I為負荷電流（A）;T為放電小時數（h）;K為安全系數，K=1.25;η為放電量系數，η=1;α為電池溫度系數（1/℃），α=0.006;t為電池實際所在地最低溫度，按0℃考慮。

經過取整后，蓄電池的容量應為800Ah/48V，現有的2組500Ah/48V蓄電池組可滿足系統要求。

據當地氣象部門資料全年風力3～8級，即風速為3～20m/s，年平均日照時數約為2000h。作為節能供電系統，光伏電池板和風機的容量配置如表1。

表1 ?光伏電池板、風力發電機配置表

風力發電機組的額定功率與額定風速選擇原則：雖然風能本身并不需要使用費用，但作為實現能量轉換過程的發電設備卻需要成本，在節能減排風光互補供電系統中，風力發電機組的效率直接關系減排的效果，也直接關系投資的回報。相同額定功率的風力發電機組，額定風速不同時，發電量差別非常大。風力發電機組的額定功率必須與額定風速聯系起來才有意義。以9m/s額定風速與11m/s額定風速的2臺1kW額定功率風力發電機組相互比較，在5m/s的年平均風速和瑞利分布風速條件下，9m/s額定風速機組年發電量約2628kWh，而11m/s額定風速僅為1825kWh，低額定風速機組比高額定風速機組多發了44%的電能。圖3給出了2kW風力發電機功率曲線。圖4給出了年平均風速分別為4m/s，5m/s，6m/s，7m/s時，低額定風速機型與高風速機型的年發電量差別。

圖3 ?風力發電機功率曲線

圖4 ?不同額定風速風力發電機組年發電量比較

當以節能減排為目的新能源供電系統大規模推廣時，安裝地點的風速資源參差不齊，但通常低風速資源較多，風速資源豐富區少，因此，選擇低風速機型尤顯重要。

2.2.3、風光互補控制系統

風光互補控制系統是風光互補供電系統的控制管理部分，系統具有可同時管理風力發電機和太陽能光伏電池;蓄電池充放電智能管理;具有RS485通信接口，可配置GSM/GPRS模塊，實現遠程監控。

實際方案系統框圖見圖5。按照以上設計方案進行了具體實施，實際使用完全達到預期效果。在市電斷電4天的極端情況下，系統仍保障了基站的正常運行。圖6為基站風光互補發電系統實施實景。

圖5 ?通信基站風光互補節能供電系統

圖6 ? 基站風光互補發電系統實施實景

3、系統特點

（1）通信基站原有供電系統已經配置了一定數量的蓄電池組，新能源供電系統可充分利用原有設備，無需額外增加投資。

（2）通信基站的負荷連續平穩，風光互補供電系統可隨時向負荷提供電能，實時消耗，無需較大容量的電能儲存。

（3）風光互補供電系統通過風機控制器控制開關電源模塊的輸出電能，實時調整供電與用電之間的平衡，通過控制開關電源模塊的輸出特性，使風光互補發電能夠優先被負荷消耗。風光互補控制器實現了風光互補供電與市電供電之間的合理調度，調度的目標是新能源發電量最大化和節能減排效果最大化。

（4）風光互補供電系統充分利用了負載連續運行的特點，將基站負載等效為局部小型電網，通過風機控制器實時調度常規能源發電設備（市電）和風光互補發電設備（風力發電機）在局部小型電網內的供電比例，維持整個系統的正常有效運行。其結果是風光互補幾乎以全部利用的方式給負載供電，很好地解決了離網型風光互補供電系統普遍存在的效率低問題。

（5）按照每節約1kWh，相當于節省0.4kg標準煤，4L水，減少0.997kg二氧化碳排放、0.03kg二氧化硫和0.015kg氮氧化物的排放量計算，1個基站在運行期間所節約的能源數據是相當可觀的。對于運營商而言，使用風光互補系統不但可以很快收回初期投資，而且為低碳經濟做出巨大的貢獻。

風光互補發電系統設計方案（二）

1、風光互補系統

1.1、優點

太陽能、風能在時間和地域上有很強的互補性，風光互補系統可全天候工作;風光互補發電系統可根據資源條件進行系統容量的合理分配，保證系統的穩定輸出;環保、綠色、無污染;系統結構多樣，可分為離網式和并網式。

1.2、原理

風光互補是1套發電應用系統，以太陽能電池、風力發電機為供電源，充分利用太陽能與風能的互補特性，配比一定儲能蓄電池，通過1套智能交直流逆變能量控制系統，合理分配優化太陽能和風能2種間歇性能源，從而穩定輸出并網的系統。

1.3、構成

風光互補系統由以下4部分構成。

（1）發電系統：由風力發電機組和太陽能電池板矩陣共同組成，使風能和光能轉換為電能。

（2）蓄電部分：由許多蓄電池組成，配合調控太陽能和風能的穩定輸出。

（3）能量管理及充放電控制系統：由儲能充放電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成，完成風光互補系統各部分的連接、組合以及對于蓄電池組充電的自動控制。

（4）光儲一體化逆變部分：通過逆變器控制，將太陽能電池和蓄電池中的直流電能變換成交流電能，配合風機向電網輸電。

2、大型風光互補系統設計

2.1、風光互補系統工作原理

風光互補系統工作原理見圖1，系統由交流母線和直流母線組成，光伏組件通過光伏充電控制器將電能儲存于蓄電池，由逆變控制器逆變輸出到交流母線，風電機組的功率通過風電機組功率控制器輸出到交流母線，過剩電能通過逆變充電控制器儲存到蓄電池。系統通過能量控制管理平臺，控制風電機組功率的輸出與儲能蓄電池的充放電，合理分配系統中的能量，實現系統的穩定并網運行。

圖1 ?大型并網風光互補系統工作原理

2.2、風光互補系統能量管理控制

風光互補系統是通過1套能量管理系統控制實現，該系統可實現多種分布式能源的綜合優化，合理分配出力，系統集成風、光、儲能源的綜合預報功能，為能量管理系統的穩定運行提供預測數據。

能量管理系統功率控制框圖見圖2。系統并網前，檢測蓄電池組、并網逆變器狀態，若狀態正常，系統進行日照強度檢測，光伏組件可以發電，繼續檢測風速、密度，不滿足風機并網發電則切除風機，光伏儲能逆變并網發電;若風機可以并網發電，通過能量管理平臺，檢測風機與光伏組件可以輸出功率的能力來選擇風光互補的控制策略;若蓄電池及光伏組件不能正常工作，風機可獨立并網運行。

圖2 ?能量管理系統功率控制框圖

風光互補控制策略：若風機的輸出功率遠大于光伏與儲能逆變的輸出功率，能量管理控制平臺控制風機功率控制器（通過風機自身槳距角的控制，限定出力）來限定風機出力，使風機與光伏、儲能輸出穩定;若風機的輸出功率遠小于光伏與儲能逆變的輸出功率，能量管理控制平臺控制并網逆變功率控制器，限制光伏與儲能的功率輸出（通過光伏組件的切除與投入來控制功率輸出），滿足風機與光伏、儲能輸出穩定。在風機與光伏組件單獨并網運行時，儲能單元的充、放電可在一定程度上優化系統輸出。能量管理平臺可將風機功率預測系統接入，根據天氣狀況，預測風機功率輸出的變化，可有效控制策略，利于風光互補系統的穩定并網。

3、風力發電機組功率預測試驗

由于太陽光照受氣侯影響較大（如烏云，陰雨，雪天等），且光伏組件發電特性也受其較大影響，要合理分配風電機組與光伏組件的輸出功率，須對風電場風電機組的輸出功率進行準確預測。

3.1、試驗簡介

試驗地點選擇在內蒙古輝騰錫勒旅游區的某風電場，該風電場提供的風力發電機組是850kW容量雙饋變速恒頻型風力發電機組，輪轂中心到塔筒底部的高度為65m。按GB18451.2—2003標準要求，需在距風機2D～6D（D為風機葉輪的直徑）范圍內，豎立與風機輪轂中心等高的測風塔，安裝風速、風向、密度及溫度采集設備，使其與風機塔筒內安裝的功率測試設備時間同步，找到與測試風力發電機組的功率關系，從而建立在相似氣象條件下風光互補系統的工作方式，以配合風電并網發電。

3.2、風力發電機組功率輸出特性測試

要得到風力發電機組的功率必須采集風力發電機組的三相電流和三相電壓，在風機塔筒底部配電柜中的電纜上，分別加裝三相電流互感器，采集風機電流;在電纜上連上電壓采集線記錄電壓。

圖3 ?功率測試記錄系統

風機的電流互感器和電壓采集線的電纜匯集到塔筒壁上安裝的功率測試記錄儀中（見圖3），通過計算機軟件來配置電流互感器變比、記錄的周期，記錄儀與通信機相連可將數據傳回能量管理系統。通過以上系統，可測試風力發電機的實時功率及風機周圍氣象數據與風機功率的關系曲線。

3.3、風力發電機組功率預測

將測風塔測試數據與風機功率數據同步，可得不同時間段的風速、密度與風機功率之間的關系，從而找到風機在不同氣象條件下的功率曲線。通過氣象部門未來的天氣數據，采用中期預報（實現1d以內基于小時數據的以天為單位的預測），根據風機功率輸出特性，預測風電機組未來功率變化情況，能量管理系統采取相應的控制策略，實現風光互補系統穩定并網運行（見圖4）。

圖4 ?風速、密度與有功功率測試曲線

4、光伏發電功率預測試驗率預測試驗

由于日照受天氣影響較大，光伏發電功率預測具有很大難度，為了互補系統輸出的穩定，進行光伏發電功率預測試驗。試驗地點在呼和浩特金山開發區的1個5MW光伏電站。

圖5 ?光伏電站日照曲線及電池板溫度曲線

根據影響光伏電池板光電轉換效率的日照強度、角度及溫度等因素，設計了輻照、溫度傳感記錄儀器。通過記錄數據，繪制了光伏電站7月某一天的日照曲線及電池板溫度變化曲線，如圖5所示。在光伏電站的電能計量柜處安裝功率記錄儀，記錄光伏電站日功率輸出情況（見表1），繪制光伏電站的日功率曲線（見圖6），得出光伏電站在不同環境下功率輸出的情況，從而根據日照強度來預測發電功率，通過能量管理系統配合風機并網功率的穩定。

圖6 ?光伏電站日功率曲線

圖6中，在12:30—14:30時間段，由于有陰云，受日照強度影響變化比較大且不確定，光伏電站輸出功率變化較大。為此，提出光伏預測需采用超短期預測的方法來滿足風光互補系統輸出的要求，經過日照、角度、風速、風向、功率等數據的收集分析。采用1min超短期預測，可得到準確的功率變化趨勢圖，對風光互補系統的功率控制有一定幫助。

表1 ?光伏電站日功率記錄