1、風光互補離網發電系統一、研究意義 在當今世界，電已成為人們生活中最常用的動力來源，隨著人們生活水平的不斷提高和技術進步，人們對電的依賴越來越強。在遠離電網的地區，獨立供電系統就成為人們最需要的電源。部隊的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號站、地質勘探和野外考察的工作站、偏遠的農牧民都需要低成本、高可靠性的獨立電源系統。要解決長期穩定可靠的供電問題，只能依賴當地的自然能源。太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏 季，太陽光強度大而風小

2、，冬季，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發電系統是資源 條件最好的獨立電源系統。單獨的風電和光電系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致發電與用電負荷的不平衡，風電和光電系統都必須通過蓄電池儲能才能穩定供電，但每天的發電量受天氣的影響很大，會導致系統的蓄電池組長期處于虧電狀態，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。二、

3、項目方案2.1 系統構架圖1 風光互補獨立發電系統風光互補獨立發電系統可分為：風機、太陽能電池板、風光互補控制器、蓄電池和逆變器幾個部分。風光互補控制器將風機和太陽能電池板發出的能力合理控制給蓄電池充電，提高充電效率，保證充電安全。蓄電池儲存能量，供用戶需要時使用。逆變器將蓄電池的直流電逆變為220V的交流電，方便用戶使用。 2.2 系統容量配置nKW風光互補離網發電系統中的nKW指的是逆變器輸出能力，即逆變器能提供最大nKW的能量輸出。風機、光伏電池板、風光互補控制器、蓄電池和逆變器幾部分之間的配置關系對保證發電系統的可靠性非常重要。一般來說，系統配置應考慮以下幾方面因素：（1）用電負荷的特

4、征發電系統是為滿足用戶的用電要求而設計的，要為用戶提供可靠的電力，就必須認真分析用戶的用電負荷特征。主要是了解用戶的最大用電負荷和平均日用電量。最大用電負荷是選擇系統逆變器容量的依據，而平均日發電量則是選擇風機及光電板容量和蓄電池組容量的依據。一般家用電器的用電情況：電器名稱 一般電功率（瓦） 估計用電量（千瓦時） 窗式空調機 1000-3000 最高每小時1-3 電暖氣 1600-2000 最高每小時1.6-2.0電熱淋浴器 1200 每小時1.22000 每小時1.2微波爐 950 每10分鐘0.161500 每10分鐘0.25 飲水機（加熱） 750 每10分鐘0.12 家用電冰箱 10

5、0-150 每日1-2 家用洗衣機 單缸 230 最高每小時0.23 雙缸 380 最高每小時0.38 電飯煲 500 每20分鐘0.16 電熨斗 750 每20分鐘0.25 理發吹風器 450 每5分鐘0.04 吸塵器（小型） 400 每15分鐘0.1（大型） 850 每15分鐘0.21吊扇大型 150 每小時0.15 小型 75 每小時0.08 臺扇16寸 66 每小時0.07 14寸 52 每小時0.05 電視機21寸 70 每小時0.07 25寸 100 每小時0.1 音響器材 100 每小時0.1 照明 100W 每小時0.1電腦臺式機 200W 每小時0.2筆記本 60-80W 每

6、小時0.06-0.08 通過對一般家用電器的功率分析，可以按用電負載的情況決定蓄電池的最大輸出功率和容量。500W：適用于普通照明用電（100W）、電視機（100W）、電扇（80W）、臺式電腦（200W）、筆記本電腦（60-80W）等功率較小的電器。這些電器每天的平均使用時間按4小時計算，總耗電量約為2KWh。風機和太陽能電池板的平均日發電量應為2KWh，蓄電池容量可以選擇4-5KWh，保證供電的穩定。1000W：適用于普通照明用電（100W）、電視機（100W）、電扇（80W）、臺式電腦（200W）、筆記本電腦（60-80W）的同時，還可以按當前功率選擇使用電冰箱（100-150W啟動功率為

7、5倍該功率）、洗衣機（380W）、電飯煲（500W）等中等功率用電器，但需要注意整個負載總功率。這些電器每天耗電大約在3.5-4.5KWh，風機和太陽能電池板的平均日發電量應為3.5-4.5KWh，電池容量適合選擇9-10KWh。1500W：使用電器和1KW大致相同，按實時剩余功率多少還可以使用一些功率1KW（沒有啟動瞬時大功率情況）以內的其他電器，電熨斗（750）、吸塵器（400-850）、飲水機（加熱時750）。電器的用電量和1KW大致相當，主要取決于用電時間的長短，平均日用電量約為4-5KWh，風機和太陽能電池板的平均日發電量應為4-5KWh，電池容量適合選擇10-11KWh。2000W

8、：與1000W相比，還可以使用電熨斗（750）、吸塵器（400-850）、飲水機（加熱時750）這類用電器，且同時可選用的用電器更多。根據不同的用電情況，每天總用電量大約在5-7KWh之間。風機和太陽能電池板的平均日發電量應為5-7KWh，電池容量可以選擇12-15KWh。3000W：可同時使用大多數用電設備，但空調（瞬時功率太大，一般在3KW以上）、電暖氣（2000W）、電熱淋浴器（2000W）這內用電設備還是不適用。每日用電量和2000KW沒有太大差別，根據不同的用電情況每日用電量大約在6-8 KWh之間，風機和太陽能電池板的平均日發電量應為6-8 KWh，蓄電池容量可選擇15-20 KW

9、h。現主要對1500W和3000W兩個型號進行分析，兩個型號可以使用的家用電器基本一樣，不同在于3000W可以同時使用更多的電器。但作為日常用電，1500W對照明、電視、電腦、電扇、冰箱供電完全可以用同時滿足。滿足家庭日常小功率電器用電需要，1500W是一個比較合理的配置。（2）太陽能和風能的資源狀況項目實施地的太陽能和風能的資源狀況是系統光伏電池板和風機容量選擇的另一個依據，一般根據資源狀況來確定光電板和風機的容量系數，在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數，最后光伏電池板和風機的容量。光伏電池板和風機的平均每日總發電量應該和負載每日平均耗電相同或略大。1.5KW風光互補離網發電系

10、統，一種合理的配置為：風機：功率1KW的風力發電機，按平均風速6m/s計算，每日發電量約為3-4 KWh；太陽能電池板：功率1KW太陽能電池板，按一般日照強度地區計算，每日發電量約為3-4 KWh；蓄電池：額定電壓48V，容量9.6KWh（12V，200Ah/塊，4塊串）；風機和太陽能電池板的選型主要取決的是日發電量是否滿足日用電量，根功率大小沒直接關系。所以風機和太陽能電池板的總功率大于輸出額定功率。 3KW風光互補離網發電系統，一種合理的配置為：風機：功率2KW風力發電機，按平均風速6m/s計算，每日發電量約為7-8.5KWh；太陽能電池板：功率2KW太陽能電池板，按一般日照強度地區計算，

11、每日發電量約為6-7KWh；蓄電池：額定電壓96V，容量19.2 KWh（12V，200Ah/塊，8塊串）。2.3 硬件設計方案系統主要要設計的部分是風光互補控制器和逆變器。電池充電控制器設計首先考慮對充電的管理和對太陽能和風能的最大功率跟蹤的功能，市面上有部分風光互補的充電機不具備這樣的功能，導致充電效率不高，且蓄電池壽命不長。同時作為一款小功率的離網逆變器，控制產品體積和成本是必須要考慮的問題，最好使用一級電路完成。如果使用兩級電路：全橋逆變經過變壓器后整流為電池充電，作為風光互補控制器的結構的話，當然能很好的實現功能。但是整個系統器件較多（體積較大）和效率較低。充電控制可選的一級控制電路

12、，實現的方法有BOOST電路和BUCK電路。使用一級BOOST電路（升壓）要求電池板電壓和風機整流后電壓低于電池電壓；使用一級BUCK電路（降壓）要求電池板電壓和風機整流后電壓高于電池電壓。選用哪種電路主要取決于太陽能電池板和風機的選擇。電池電壓1kW系統48V和3kW系統96V，電壓較低，光伏電池板電壓一塊電池板一般在44V左右，串聯后一般會高于蓄電池電壓，所以適合選擇一級BUCK電路完成充電控制。風機分為直流輸出和交流輸出兩種，目前我們掌握的風機資料都為直流輸出風機，以“風神風機”為例：1KW風機額定輸出電壓DC24/48V，3KW風機額定輸出電壓DC115/230。1KW風機低于蓄電池電

13、壓，3KW風機高于蓄電池電池電壓。所以需要根據風機選擇型號不同，確定選擇BOOST或是BUCK電路。太陽能電池板和風機輸出經過整流后的直流電通過BUCK電路可調節充電的電壓電流，同時調節BUCK電路還可完成對太陽能電池板的最大功率跟蹤。該拓撲結構的優點：結構簡單，同時可跟蹤太陽能電池板最大功率點，可調節充電電流電壓。蓄電池通過全橋逆變濾波后為50HZ交流（電壓配合蓄電池電壓設定），再通過變壓器升壓為220V交流供用戶使用。現在對可能的設計方案進行分析，主要按充電結構分為“雙BUCK”結構和“BUCK+BOOST”這兩種。（1）雙BUCK電路結構一，如下圖： 電路太陽能充電和風能充電完全獨立，可

14、同時充電也可單獨充電，可一起也可單獨控制，并且可以對太陽能和風能發電同時進行最大功率跟蹤。雙BUCK電路結構二，如下圖： 該結構功能和上面相同，兩路BUCK電路共用電感，在控制上兩路同時控制。該電路可以少用一個電感，但不能同時進行最大功率跟蹤，且控制難度較大。（2）BUCK+BOOST電路，如下圖：電路太陽能充電和風能充電完全獨立，可同時充電也可單獨充電，可一起也可單獨控制，并且可以對太陽能和風能發電同時進行最大功率跟蹤。在器件選型方面，首先要作得選型為開關管：1.5KW風光互補離網逆變器的蓄電池電壓為48V，額定功率下風機的充電電流最大為22A，太陽能電池的最大充電電壓為22A，逆變器最大放

15、電電流為33A。此時開關管將工作在低電壓較高電流的情況下，如果使用IGBT效率必定做不高，所以我們選用英飛凌的MOS管：IPA075N15N3G耐壓150V，電流43A，導通電阻7.5m，作為1KW BUCK電路的開關管或BOOST電路開關管；IPA057N08N3G耐壓80V，電流60A，導通電阻5.7m，作為1KW全橋逆變電路的開關管。這樣開關管的導通損耗將較低，同時MOS管開關速度遠高于IGBT，開關損耗也能降到極低，能整體提高系統效率。3KW風光互補離網逆變器的蓄電池電壓為96V，額定功率下風機的充電電流最大為44A，太陽能電池的最大充電電壓為44A，逆變器最大放電電流為67A。此時開

16、關管任將工作在低電壓較高電流的情況下，我們選用英飛凌的MOS管：IPB107N20N3G耐壓200V，電流88A，導通電阻10.7m，作為3KW的開關管。控制芯片要完成對充電管理、最大功率跟蹤和全橋逆變的控制。可選用TI公司DSP2812，控制技術成熟，將高效的完成系統控制。2.4軟件控制方案BUCK電路控制（BOOST電路類似）在一個控制周期T內，導通時間為D*T,則BUCK電路有如下特性：(Vin-Vout)*D*T=Vout*(1-D)*T;即D=Vout/Vin；控制占空比就可以控制輸出電壓的大小，由于D<1，則可知Vin>Vout，則只需滿足Vout>Vo+I*R；

17、其中Vo為蓄電池的電壓，R為蓄電池的等效內阻。則只需初始化一個D使得開始時的各個電壓滿足上述條件，然后調節D進行最大功率跟蹤使得系統工作到最大功率點。假設電感L1無窮大，且負載電流平直，則有I_IN=D*I_OUT；聯合上述式子，有V_OUT/I_OUT=D*D*V_IN/I_IN；則：R_OUT=D*D*R_IN;由該公式可知，通過調整占空比D可以起到調整輸出負載阻抗大小的作用，利用光伏太陽能電池板的軟負載特性調整太陽能電池板工作點電壓，可以起到對太陽能電池板最大功率跟蹤的作用。本文采用逐次逼近法的M PPT控制策略，根據DC/ DC變換器的特性，對PWM占空比輸出進行調整，通過改變當前的阻

18、抗情況來滿足最大功率輸出的要求，使系統運行在當前工況下的最佳狀態。控制流程如下圖所示：在系統啟動時，設定最初的占空比D，固定步長T, Pt,Dt為t時刻光伏發電系統輸出功率和占空比值，首先以一定的趨勢調節PWM占空比輸出，對t時刻所對應的光伏發電系統輸出功率進行比較，然后確定下一步PWM占空比輸出。當Pt>Pt-1，時，時刻所對應的系統輸出功率比t-1時刻所對應的輸出功率更加接近最大功率點Pmax，則占空比輸出按照原趨勢繼續進行，直到系統輸出功率達到最大功率點，當Pt<Pt-1時，則t-1時刻所對應的系統輸出功率比t時刻所對應的值更加接近最大功率點Pmax，占空比輸出調節為與原趨勢

19、相反的方向輸出，直到系統輸出功率達到最大功率點。全橋SPWM控制SPWM控制是用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等。通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。上圖中，Ud為蓄電池的電壓，Uof為系統的期望輸出的電壓，Ur為根據系統期望輸出電壓算出的載波，Uc為事件管理器中的比較值。系統工作后，蓄電池輸出的電壓是要穩定在48V的，這樣可根據Ud和Uof算出每一度所要發的占空比，并調用PI控制算法，根據期望電壓Uof與實際電壓Uout的差值計算出占空比的變化量，由此

20、生成的控制信號PWM波通過對全橋開關的控制來調節電壓的幅度，系統就能完全快速跟隨期望電壓了，最終使輸出功標準的正弦電壓，系統達到穩定。軟件流程圖如下：2.5 系統技術指標 1.5KW風光互補離網發電系統技術指標 輸入：風機輸出電壓：24V；風機功率：1KW；風機最大充電電流：22A太陽能電池板：開路電壓90V；太陽能電池板功率：1KW；電池板最大充電電流：22A；MPPT范圍：48V-90V最大充電效率：93%輸出：蓄電池：額定電壓48V，容量9.6KWH（12V，200AH/塊，4塊串）；最大逆變功率：1.5KW逆變電壓：AC220V；電壓頻率：50HZ；額定功率下電壓諧波因數：<5% 最大逆變效率：92%系統具備多項保護功能：低電壓保護，過放保護，過高保護，過流保護，溫度過高保護（保護的參數需要根據實際的蓄電池規格設定）3kW風光互補離網發電系統技術指標 輸入：風機輸出電壓：48V/230V；風機功率：2