1、牧區(qū)戶用微電站系統(tǒng)技術(shù)方案1開發(fā)背景牧區(qū)戶用微電站系統(tǒng)是一套離網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^輸電線路送到用戶負載處。牧區(qū)戶用發(fā)電站是由風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電，夜間和陰雨天無陽光時由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能，比單用風(fēng)機和太陽能更經(jīng)濟、科學(xué)、實用。系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機、太陽電池方陣、智能控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成的一個發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)各部

2、分容量的合理配置對保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。由于太陽能與風(fēng)能的互補性強，牧區(qū)戶用發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以牧區(qū)戶用發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。2技術(shù)構(gòu)成圖1是一種牧區(qū)戶用微電網(wǎng)系統(tǒng)的原理框圖，一套獨立運行的牧區(qū)戶用微電網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機、太陽電池陣列、逆變控制一體機、蓄電池和負載等組成。基于這種系統(tǒng)框架進行，從能量角度看，整個牧區(qū)戶用微電網(wǎng)系統(tǒng)由能量產(chǎn)生、存儲、消耗環(huán)節(jié)三部分組成。風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電部分屬于能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)，分別將具有不確定性的風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能源；為了最大可能的消除

3、由于天氣等因素引起的能量供應(yīng)與需求之間的不平衡，引入蓄電池來調(diào)節(jié)和平衡能量匹配，系統(tǒng)中的蓄電池來承擔(dān)能量的儲存。圖1牧區(qū)戶用微電網(wǎng)系統(tǒng)的原理框圖風(fēng)力發(fā)電機輸出交流電，經(jīng)整流后變成直流電，它與太陽電池方陣輸出的直流電經(jīng)逆變控制一體機的控制，對蓄電池進行充電。逆變控制一體機除了控制風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池方陣對蓄電池的充電外，還包括實現(xiàn)對蓄電池向負載放電的管理，與系統(tǒng)運行時的參數(shù)的采集與通信功能。具體如下：發(fā)電部分：每戶由1臺1.5KW的風(fēng)力發(fā)電機和1.5KW的太陽電池方陣組成，完成風(fēng)、光能對電能的轉(zhuǎn)換，并且通過逆變控制一體機與直流中心完成給蓄電池組自動充電的工作。逆變控制一體機及直流中心部分：由風(fēng)能

4、和太陽能充電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成。完成系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對于蓄電池組充電的自動控制。供電部分：由逆變控制一體機組成，可把來自發(fā)電部分和蓄電池中的直流電能變換成標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電能，供給各種用電器。3方案特點完全利用風(fēng)能和太陽能來互補發(fā)電，無需外界供電；免除建變電站、架設(shè)高低壓線路和高低壓配電系統(tǒng)等工程；具有晝夜互補、季節(jié)性互補特點，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性價比高；電力設(shè)施維護工作量及相應(yīng)的費用開銷大幅度下降；獨立供電，在遇到自然災(zāi)害時不會影響到全部用戶的用電；低壓供電，運行安全、維護簡單。4. 1.5KW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機4.1風(fēng)機結(jié)構(gòu)及其功率特點4.1.1風(fēng)機結(jié)構(gòu)如圖2，根

5、據(jù)空氣動力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，它不會受到因變形而改變效率等；它用垂直直線3-5個葉片組成，由4角形或5角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成的風(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。圖2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機4.1.2功率特點根據(jù)H型風(fēng)力發(fā)電機的原理，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發(fā)電功率上升速度也相應(yīng)變快，發(fā)電曲線變得飽滿。在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機要小，并且它在低風(fēng)速運轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。4.1.3機組特點：360度捕風(fēng)能力，1米/秒微風(fēng)啟動運用釹鐵硼永磁材

6、料，超載能力強。封閉式輸電滑環(huán)，電纜不纏繞。具有防腐、防酸雨、防鹽堿的特性。微型風(fēng)機，2.5級風(fēng)發(fā)電儲能。使用壽命長達15年。具風(fēng)向調(diào)節(jié)，超強風(fēng)控制功能。過充過放保護，直流恒壓充電。運行簡單，無人工值守與特殊維護。可安裝在公共設(shè)施、公司、住宅等屋頂?shù)目臻g內(nèi)供電耐強風(fēng)結(jié)構(gòu)，無噪音、振動、不妨害信號的傳播低風(fēng)領(lǐng)域到高風(fēng)領(lǐng)域電力輸出穩(wěn)定，安裝地域廣泛,實際占地面積少，對土地要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地形惡劣的條件下均可運用。可多臺連接使用，和太陽電池板組合互補發(fā)電4.1.4 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機優(yōu)勢 旋轉(zhuǎn)緩和，無噪音，低振動360度受風(fēng)，效率高風(fēng)機啟動風(fēng)速只需1m/s可設(shè)置于地面，維修方便4.1

7、.5 具體詳細參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機詳細參數(shù)如表1所示：表1 1.5KW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機詳細參數(shù)啟動風(fēng)速m/s2.0切入風(fēng)速m/s3.0額定風(fēng)速m/s12.0額定轉(zhuǎn)速rpm100額定功率w10000風(fēng)輪直徑m4.5風(fēng)葉數(shù)量pcs3.0葉片長度m7.5最大風(fēng)速m/s60葉片寬度m0.7重量kg742.64.2 電池選型蓄電池它的主要作用就是消除由于天氣等原因引起能量供給和需求的不平衡，在整個系統(tǒng)中起到電能調(diào)節(jié)和平衡負載的作用。當(dāng)發(fā)電量大于負載消耗量時，系統(tǒng)給蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電量小于負載消耗量時，蓄電池給負載供電，仍未達到過速保護的狀態(tài)時，系統(tǒng)仍需要給負載或蓄電池供電。蓄電池選擇GFM型閥控密封鉛酸（膠體

8、）電池，是采用當(dāng)代先進技術(shù)研制開發(fā)的新型高能蓄電池，各項性能指標(biāo)符合YD/T799-2002及IEC標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品具有密封安全可靠，比能量高，內(nèi)阻小，自放電率低，充電接受能力強，循環(huán)壽命長，密封反應(yīng)效率高等諸多優(yōu)點。在正常使用時無游離電解液，無酸霧溢出，維護使用方便，可廣泛用于牧區(qū)戶用系統(tǒng)等領(lǐng)域。其特點有：高強度ABS塑料電池槽、蓋，結(jié)構(gòu)緊湊，具有耐沖擊，抗震動性能好的特點；特種鉛基多元合金板柵，內(nèi)阻小，耐腐蝕性好，充電接受能力強；新型極板制造工藝，活性物質(zhì)利用率高；優(yōu)質(zhì)超細玻璃纖維隔板，大電流放電性能好；高純度電解液和特殊添加劑，自放電小；多層密封技術(shù)和特殊的密封膠，確保電池?zé)o泄漏，無酸霧逸出

9、，安全可靠。4.3風(fēng)力發(fā)電機電子卸荷由風(fēng)力發(fā)電機的電動原理可知，當(dāng)負載為輕載時，風(fēng)力發(fā)電機的機械功率大于其輸出電功率時，風(fēng)力發(fā)電機端部電壓升高，其轉(zhuǎn)速將要增加；反之，當(dāng)負載為重載時，則風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速將要下降，電壓降低。因此，可以通過電子卸荷控制風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率、旋轉(zhuǎn)速度，完成對風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和電壓的調(diào)節(jié)。其原理圖如圖：圖3 風(fēng)力發(fā)電機電子卸荷控制簡圖如圖3，由L9、D20、C2、R2、Q4構(gòu)建成開關(guān)型電子負載模型,通過調(diào)節(jié)圖中U2控制電路驅(qū)動信號的占空比控制Q4的脈寬變化就可以實現(xiàn)等效負載的變化，因為，Q4的開斷可以實現(xiàn)對電容器C2的放電控制，并隨Q4開通的占空比呈線性變化，從而達到控

10、制風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電壓的目的。因此，調(diào)節(jié)控制電路驅(qū)動信號的占空比就可以有效控制風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率，進而使得風(fēng)力發(fā)電機實現(xiàn)變速運行，實現(xiàn)功率跟蹤。51.5KW太陽電池方陣5.1主要特點 圖4 太陽電池方陣如圖4所示，為太陽電池方陣，其特點如下：太陽能發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊；可就近供電，不必長距離輸送，避免了長距離輸電線路的損失；運行成本很低；沒有運動部件，不易用損壞，維護簡單，特別適合于無人值守情況下使用；也不會產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源；5.2 1.5KW太陽電池方陣構(gòu)成260W多晶硅光伏組件，6塊，2串3并，組成1

11、.5KW的太陽電池方陣，單個組件由60片單體太陽電池串聯(lián)構(gòu)成，開路電壓37.5V，工作電壓30V。尺寸1650*990*45光電轉(zhuǎn)換效率約為16%，在測試標(biāo)準(zhǔn)（環(huán)境）: 輻照度 1000 W/m2, 環(huán)境溫度25 °C, AM=1.5; 功率公差范圍: ± 3%條件下，具體參數(shù)如表2。表2 260W多晶硅光伏組件峰值功率 (Pmax) 290 W 峰值電壓 (Vmp)36.25 V開路電壓 (Voc)43.5 V峰值電流 (Imp) 8.0A短路電流 (Isc) 8.8A電池片轉(zhuǎn)換效率16.6%太陽能電池板工作環(huán)境-40 °

12、C +85 °C最大系統(tǒng)電壓1000 V DC (IEC) / 600 V DC (UL)二極管3 by pass / 6 by pass正負公差±3%5.3方陣支架方陣支架選擇C型槽鋼，表面熱鍍鋅處理，固定傾角方式，抗風(fēng)特性好，最大可承受 60m/s風(fēng)力載荷，最大可承受  1.4KN/的雪荷載，根據(jù)內(nèi)蒙安裝地區(qū)的氣象資料，經(jīng)計算，選擇傾角37度，保障全年平均發(fā)電量最大。光伏支架系統(tǒng)僅由少數(shù)配件組成，無需現(xiàn)場鉆孔或者焊接能在工地快速組裝，有效提高安裝效率，節(jié)約工期。可調(diào)節(jié)，安裝正確的角度提高發(fā)電效率。6.逆變控制一體機控制逆變一體機是集風(fēng)力發(fā)電控制、太陽

13、能控制和逆變于一體，設(shè)備內(nèi)部主要由DC/DC變換器、逆變器和控制器組成，目的是為了將輸入的48V直流電逆變成額定電壓輸出的正弦波交流電，供用戶負載使用。風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池發(fā)出的不穩(wěn)定能源通過控制器后，可以變?yōu)榭晒┛刂乒芾淼哪茉葱问健?.1 主要特點逆變控制一體機的存在，使用戶接線更為方便；純正弦波輸出：相對于方波或修正正弦波（階梯波）具有更強的帶負載效果和帶負載能力。設(shè)備可帶感性負載和其它任何類型的通用交流負載，帶冰箱、電視機和收音機等設(shè)備無干擾和噪音，且不會影響負載設(shè)備的性能和壽命。穩(wěn)定性高：由于本系統(tǒng)具有過壓、欠壓、過載、過熱、短路、反接、防雷、蓄電池開路保護、PWM卸載等完善的保護功能

14、，從而確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制逆變一體：結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。高效率變壓器隔離：整機逆變效率高，空載損耗低。數(shù)字化智能控制： 核心器件采用功能強大的單片機進行控制，使得外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，且控制方式和控制策略靈活強大，從而確保了優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性。其具體參數(shù)如下表所示： 表3 逆變控制一體機詳細參數(shù)逆變一體機參數(shù)規(guī)格功率規(guī)格3KW直流輸入規(guī)格DC48V額定電壓規(guī)格DC48V-AC220V工作電壓范圍40V-64V低壓警告42Vdc ± 0.3Vdc低壓斷電40.0Vdc ± 0.3Vdc低壓恢復(fù)48.0Vdc ± 0.3Vdc高壓警告及斷電64Vdc

15、77; 0.3Vdc高壓恢復(fù)62Vdc ± 0.3Vdc逆變效率90%額定電壓規(guī)格220VAC系統(tǒng)110VAC系統(tǒng)低壓關(guān)斷點180Vac±4%85Vac±4%低壓恢復(fù)點195Vac ±4%90Vac ±4%高壓關(guān)斷點260Vac±4%135Vac±4%高壓恢復(fù)點255Vac±4%130Vac±4%充電規(guī)則三個階段:恒流充電(恒流階段)恒壓充電(恒壓階段)浮充(恒壓階段)供電時效率98%交流輸出規(guī)格輸出電壓 (V)220VAC輸出電壓范圍±10% rms額定輸出頻率(Hz)50Hz ±

16、0.3Hz功率因數(shù)1.0輸出波形純正弦波波形失真率( THD )3%( 線性負載 )動態(tài)響應(yīng)( 0100% )5%峰值系數(shù)( CF )3:1過載保護 (SMPS load)(110%<負載量<125%) ±10% ：15分鐘后斷開輸出電壓(125%<負載量<150%) ±10% ：1分鐘后斷開輸出電壓負載量>150% ±10% ：20秒鐘后斷開輸出電壓其他說明連續(xù)運行時間可以連續(xù)運行正常開機空耗額定功率×2%節(jié)能模式空耗6W安全認證CE(EN62040-1)     EMC

17、：EN62040-2, C2通訊接口RS485 / 可定制冷卻溫控變速風(fēng)扇散熱噪音( dB、1米 )60dB使用環(huán)境溫度( )-10+40存儲環(huán)境溫度( )-20+55使用環(huán)境濕度0-95%相對濕度（不結(jié)露）使用海拔( m )5000( 超過1000米，降額使用 )顯示方式LED指示類+LCD液晶顯示告警方式蜂鳴器聲音告警LCD顯示告警保護功能低壓保護，高壓保護，高溫保護，短路保護，漏電保護，過流保護，過載保護，低壓恢復(fù)，高壓恢復(fù)，智能溫控，故障告警防護等級IP20 / 可定制6.2 逆變控制一體機原理圖圖5 逆變控制一體機原理圖如圖5所示，電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)可以分為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩個部分，風(fēng)力

18、發(fā)電機配備了電子卸荷系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過不可控三相整流橋后，與光伏發(fā)電的電能直接送入DC/DC變換器，從而實現(xiàn)無差別對待。電能變換環(huán)節(jié)即逆變控制一體機主要由DC/DC變換器、逆變器和控制器組成。風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生的三相交流電通過不可控制三相整流橋，經(jīng)過電容穩(wěn)波后送入 DC/DC 變換器，得到蓄電池充電所需的直流電，同時也可以送入逆變器中。逆變器接收到DC/DC變換器送來的直流電，通過SPWM調(diào)制變換成標(biāo)準(zhǔn)的220V、50HZ的正弦交流電能，供給各種用電器。6.2.1 DC/DC變換器圖6 DC/DC變換器電氣簡圖如圖6所示，為逆變控制一體機中的DC/DC變換器電氣簡圖，INPUT端口接收到來自電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)