风光互补供电系统技术研究及应用

摘要：本项目通过风光互补离网型供电系统，以电磁限速保护为主，柔性风轮叶片变形限速为辅，为港航领域供电应用、海岛离网供电应用、交通系统道路照明等系统进行供电。该系统适用于大面积安装，用电及维护成本等相对较低，且使用时间越长越能体现出该系统的突出性及可靠性，节能减排效果显著。1.技术概况风光互补供电系统为风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。主要分为离网型和并网型两种形式。离网型是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。并网型主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。2.技术原理风光互补供电离网型供电系统技术的主要原理为：风力发电机通过风力带动三片扇叶与永磁发电机作用产生直流电流，通过电缆线进入蓄电池储存，使用时通过变频逆变器将蓄电池内的直流电转化为交流电输出用于办公、生活或照明用电。太阳能发电是将太阳能转化为电能储存入蓄电池，后蓄电池内直流电经逆变器转化为交流电供办公、生活或照明用电。风光互补并网型供电系统包括光伏系统、风电系统、风光互补并网控制逆变系统等几个主要部分。光伏系统主要包括：光伏阵列和DC/DC转换器，其中DC/DC转换器用于配光伏阵列和直流母线电压，以实现最大功率跟踪。风电系统主要包括：风力发电机和发电机AC/DC转换器，其中AC/DC转换器用于发电机发出的交流电转换成直流电并实现和直流母线之间的电压匹配，同时实现最大功率跟踪。风光互补并网控制逆变系统综合了风机及光伏的控制系统，通过DC/（AC）-DC-AC的电流转换功能最终实现并网发电。风光互补供电系统的技术核心是小型风力发电机，系统流程见图1。江苏江阴港港口集团股份有限公司已实施了62套HY-400等型号的风光互补离网型供电系统，主要分布在办公区域、港区道路、码头引桥、港区监控等区域内。风光互补并网型供电系统实施完成了89套，单套系统采用1.5kW风机+1kW光伏+2kW风光互补并网控制逆变器一体机，作为独立的分布式电源独立并网。图1

风光互补供电系统流程图3.技术创新点（1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用市电能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。（2）离网系统无供电电缆和光缆，使用无需耗电，施工维护方便，工程完工后还可迁移再利用。（3）并网系统所发电能馈入电网，以电网为储能装置。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电；负荷较小时，或用不完电力时，可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用范围和灵活性，提高了系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染，并降低了造价。（4）并网系统为分布式建设，就近就地分散供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。4.技术可靠性风光互补供电系统是以电磁限速保护为主，柔性风轮叶片变形限速为辅的风力供电机组。可实现2级风供电，并通过45m/s的风洞测试，在15级台风下无安全影响。其技术可靠性主要体现在以下三个方面。（1）资源的互补风光互补供电系统是靠风能和太阳能供电的，作为一种独立电源，对天气的依赖是供电系统的特点。每天的资源分布均匀，供电系统就可靠，单一的风力供电和单一的太阳能光伏供电都面临资源分布不均匀的问题。风能和太阳能在时间上和季节上都有很好的互补性，正是这种资源的互补，保证了风光互补供电系统的可靠性。（2）技术的互补风光互补供电系统以蓄电池作为储能部件，单一的太阳能光伏组件对蓄电池充电呈线性充电特性，长期的线性充电会导致蓄电池电离子的惰性化，蓄电池需要经常有大电流脉冲充电来激活电离子，但光伏组件很难形成大电流脉冲充电。另外，蓄电池的寿命是循环次数，单一的太阳能光伏组件供电系统是白天充电，晚上用电，几乎是一天一循环，风光互补供电系统由于风力供电机经常是晚上供电，直接给负载供电，蓄电池不参与循环，所以全年循环次数大大减少，提高了蓄电池的寿命。风机对太阳能光伏组件这种技术上的互补，使供电系统的可靠性大大提高，使系统储能蓄电池的寿命大大提高，这正是作为独立电源系统最重要的技术指标。（3）经济的互补系统广泛应用在风光互补路灯及景观照明供电、高速公路视频监控、野外独立通信基站供电、偏远地区居民供电、海岛供电等领域。通过实际项目的建设成本测算，风光互补供电系统建设成本低于传统电网供电建设成本，风光互补项目5年整体运营成本比市电供电成本低20%左右。在风光互补供电系统中，风力发电机的成本占系统总成本不足30%，但在系统运行的可靠性上却占据举足轻重的地位。对风光互补供电系统来说，风力发电机是系统的核心。5.技术应用情况5.1技术适用领域风光互补供电系统应用领域包括港航领域供电应用、交通系统道路照明（高速公路）及景观亮化供电应用、视频监控供电应用、海岛离网供电应用、无电区域供电、石油钻采平台供电、通信基站供电及国家大力推进的分布式太阳能供电等。5.2技术使用条件风光互补供电系统适用于年平均风速在4m/s，光照较为充足，太阳能年辐射总量大于4500MJ的地区。6.技术效益分析6.1节能低碳效益风光互补离网型供电系统：江苏江阴港港口集团股份有限公司共实施安装了62套系统，LED灯具功率为105W（常规灯具400W高压钠灯），日照明时间为12h，节能量为62×（400－105）×12×365/1000=80110.2kW·h，折合26.44tce/a。风光互补并网型供电系统：江苏江阴港港口集团股份有限公司共实施安装了89套系统，LED灯具功率为120W，单套系统采用1.5kW风机+1kW光伏。据统计，年并网节电量为358659kW·h，折合118.36tce/a。6.2经济效益风光互补离网型供电系统：常规供电路灯建设含变电站的建设，采购电缆并敷设及各种土建人工费用，而风光互补离网型供电系统则即装即亮无需复杂繁琐的电缆大面积铺设工程。造价成本基本持平，常规路灯年度维护费按工程造价的2%计算，风光互补离网型供电系统无需维护费。常规路灯与风光互补路灯建设及维护费用比较情况见表1。表1常规路灯与风光互补路灯费用比较（万元）风光互补并网型供电系统：参照江苏江阴港港口集团股份有限公司实施的89盏风光互补并网型供电系统计算，该项目总投入为270万元，年可并网电量为358659kW·h，20年可并网电量为717.32万kW·h，按照国家补贴准备0.42元/kW·h计算，每年可以补贴15万元，且上网电量基本为公司所用，按电费0.7元/kW·h计算，年