基于5kw風光互補發電系統配置方案設計案例基于5kw風光互補發電系統配置方案設計案例 1 1 1 2 21.3.2光伏電池仿真模型的建立 3 5 6 61.4.2風力發電輸出特性 7 1.1風光互補發電系統設計的基本條件首先風光互補發電系統的設計必須具備3個基本條件：(1)當地的風能資源狀況和太陽能資源狀況，如光伏強度、氣溫、風速等基礎資源數據。(2)用電器的配置、功率、供電電壓范圍、負載特征、是否連續供電等。(3)了解風力發電機和光伏組件的功率特性，儲能系統的類型。系統設計內容包括如下：(1)選取適合建設風光互補發電系統的地址，并調研選址地區的風光資源；(2)分析負載的電壓、功率和用電量的統計及相關計算；(3)光伏組件的選取及光伏陣列的日均發電量分析；(4)風力發電機的選型及風力發電日平發電量的計算；(5)蓄電池的選取及容量的計算；(6)風力發電機、太陽能電池組件、蓄電池之間相互匹配的優化設計。風光互補系統不僅在能源上補充了風電系統和光伏系統獨立系統供電的不確定性和波動性，而且還可以提高發電量，穩定輸出電能，滿足負載的要求。在風光互補系統中加入互補控制策略顯得尤為重要。由于風電系統和光伏系統的能源特性不同，注定了兩者不可能完全結合在一起，而是需要在各自獲得的能量基礎上經過一定的控制，將兩者的功率組合在一起，從總體上保證負載穩定的能量供應，這在一定條件下可以達到互補的原則。本文依據的互補調度原則如下：(1)首先盡可能的利用風能與太陽能，就是負載的能量先由風能與太陽能提供，若能量冗余則給蓄電池充電。(2)若遇到陰雨天氣及無風的情況時，風能與太陽能供電不足時，由蓄電池向負載供電。(3)盡量延長系統與蓄電池的使用壽命，減少蓄電池的充放電次數。風光互補式風力發電配套系統的主要總體功能結構圖設計如下圖本表1.1所示。其中主要的發電組件產品包括大型太陽能光伏發電陣列，風力發電成套機組，交流負載直流負載圖1.1風光互補發電系統結構圖1.3.1光伏組件太陽能光伏電池用于把光能直接轉化為電能，按照應用的需求，太陽能電池經過一定的組合，達到一定的額定輸出功率和電壓的一組光伏電池，稱為光伏組件，其中光伏電池等效電路及數學模型圖如下：圖1.2太陽能電池等效電路模型圖1.2給出了典型的太陽能動力電池實際相同等效的集成電路。光伏電池的主要輸出電壓、電流相對較小，電壓約為0.5V左右，功率約為1-2W。為了使其光伏系統的陣列，通過光伏陣列傳輸功率。通過以上等效電路，我們可以得到溫度，A為PN結的理想因子，Rs為光伏電池的串聯電阻。另外，漏電流電阻將2-3和2-2代入2-1中，可以得到如下表達式：而此時輸出電壓U=0,Ia也視為0,因此I=Isc=Iph,而輸出功率表示為：然后根據上述數學模型在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，取圖1.3光伏電池simulink仿真模型圖1.4光伏電池仿真模型封裝圖設置溫度為25℃保持不變，取光照強度分別為600w/m2,800w/m2,1000w/m2,1200w/m2。通過擬合，得到了在相同溫度不同光照強度下的光伏電池U-I分析圖1.5得出，在溫度不變的情況下電流隨著光照強度的增大有著明顯的設置光照強度為1000w/m2保持不變，取溫度為15℃,20℃,25℃,30℃,通過擬合，得到了在系統光照強度不同溫度下分析圖1.6可知，在相同光照強度下下電壓隨著溫度的增大有著明顯的減少，而電流隨著溫度的增大幾乎不變。同時，U-I特性曲線也在最大功率點處滿足這種變化。錯誤!未找到引用源。1.4風力發電系統模塊1.4.1風力發電機組成與數學模型風力渦輪機主要有兩大部件構成。一種就是風力渦輪機，它將風能直接轉化成機械動力；另一種就是發電機，它把所有的機械能都轉換為電能。風力機的兩個重要的組成部分有詳細介紹：風力機一種能夠把風的動能通過轉化成其他電能的一種機械設備。按風機容和大型(100kw以上)三種類型風力渦輪發電機。水平方向軸承式風力發電機機在技術最成熟、也是最廣泛應用的，分為升力和阻力驅動驅動，大多數的水平軸風力發電機風裝置，它的主要優點是，風力渦輪機可以設置捕捉風離地面高，這樣可以有效降低因為障礙物附近區域地面產生的擾動而導致轉子的動態學特性受到較之一就是垂直軸風力機運行的效率相對較低，且該設備需啟動。同時，還有一些關鍵技術方面的問題亟待解決。水平軸風力渦輪機的風輪沿水平軸旋轉。在工作中，風輪的旋轉方向為平面，并且與風向保持垂直。風力機上的葉片進行徑向放置，豎立于旋轉軸，與風力機的旋轉平面相連，形成了小角度(即安裝的角度)。風力渦輪機的葉片數量通常為3。成的永磁磁極，如BaFeO、SmCo等，不需要通常永磁同步電機的La和Lq相等，因此制Te,就必須通過控制定子側的電流而實現。若使Te與風輪機械轉矩Tw達到平在討論風力機的能量輸出和轉換時，有幾個特征系數特別重要，需要進行了(1)風能利用系數Cp風能利用系數Cp表示風力機從風能中吸收機械能P的程度：是m/s。風速，單位m/s,Cp為風能利用系數。風能利用系數是葉尖速率比和槳距角的函數，即Cp=f(λ,β)。可以得到定槳矩風力機的Cp-圖1.7典型風力機的Cp特性曲線則風能利用系數開始下降；不同槳距角的風力機擁有根據貝茲理論，在任意的λ與β下，CP都小于0.953,0.953這個數值在理論上來說是風力機的最大功率系數，而實際上目前最大的風力機功率系數應該在公式(5.1)至(5.6)完整地描述了風力機的特性，我們可以根據此特性來搭建風力機的數學模型，其中輸入量為風速v、風力機轉速wm還有槳距角β,輸出量為風力機功率Pm和轉矩Tm,以此作為和它同軸相連的永磁同步發電機的結合本文5kw風光互補發電系統的需求，該系統采用水平軸、三葉片、定槳給定，如圖1.6所示。XxxAvoiddivisonKKKf圖1.5風力機模塊仿真模型0圖1.6風力機模塊封裝圖1.5儲能系統分析1.5.1儲能系統的分類及特點由于儲能系統具有動態吸收、適時釋放能量的特點，因此有效補救了風電、光伏發電間歇性、波動性的缺點，改善了間歇式電源輸出功率的可控性及電能質量，提高了電能穩定性水平及優化發電系統的經濟性。儲能技術分為儲電與儲熱，根據不同的能量轉換形式，電儲能技術大致分為機械儲能、電磁儲能和化學儲能三大類，具體分類見表1.2。從表1.2可以看出，鉛酸蓄電池的能量密度是最低的，其技術上較為成熟且性價比高，因此本課題選用鉛酸蓄電池作為蓄能單元。持續響應時間抽水蓄能抽水蓄能電池容量巨大、技術最成熟、能量回收轉換處理效率一般低于壓縮空氣儲能7要的特殊地形和需要水資源、施工運行周期長換效率小于65%、響應速度慢，且依賴地形與燃氣資源、建設周期長能能容易測量放電深度，對溫度不敏感，對環境友好，開發昂貴，由于飛輪高速旋轉，設計及制造要求高超級電容儲能鉛酸電池液流儲能響應速度快、功率密度較高、儲能容量過低(秒級)、維護成本過高、技術不成熟功率密度大、循環壽命長、儲能容量過低(秒及)、自放電率高價格便宜、構成成本低、技術成熟、可靠性高、充電速度慢、質量較重、污染環境、壽命短NaS:容量大、體積小、效率高、壽命長、工作溫度高高，使用壽命長，大規模集成困難但儲能密度稍低放電率；Cs(t)是t時刻蓄電池容量；□則是逆變器的效率，而□則是池極板電極活性物質損失，同時水分在電池中消耗；過放電會導致電極上形成結晶，降低電極導電性，增加電池內阻。以保護電池，延長其使用壽命，一般要滿1.5.3蓄電池的充放電特性(1)蓄電池用來描述一種蓄電池中儲存電能的功率和能力，即蓄電池的容量，即鉛酸蓄電池在充滿電后，根據具體放電條件要求，當鉛酸蓄電池被放電至固定端電壓時，其可能直接釋放出來的電能量就被稱為蓄電池容量，通常采用符號c來表示。使用單位為安培每個小時(A.h)。所以在鉛酸電池進行恒流恒壓放電使用過程中，其電池容量大小可直接用恒流放電過程電流與電池放電過程持續時間的容量乘積公式來精確表示。(2)放電深度(DOD)是一種用來計算和描述蓄電池從給定期限內釋放出來的電量占蓄電池總額定容量的百分比。其對于電池的使用壽命非常重要，通常放電的深度和電池壽命有正正相關比，當電池的放電深度減少到30%以下時，許用的充放電循環次數高達1200次左右，一般不應該采取深度放電或者淺化式放電。在風-風互補獨立供電系統中，常采用深循環電池，一般推薦30-50%放電深度[32]。(3)電池的荷電狀態(SOC)是電池最重要的特性參數。電池的充放電方式對于電池的維護和延長電池的使用壽命是非常重要的。在獨立式風-風互補發電系統中，當其風速相對持續高且日照充分時，電池的電壓很有可能會大大超過其額定電壓的1.25倍，如果天氣狀況不理想，電池的額定電壓可能會小于其額定電壓的0.8