风光互补发电系统---最合理的独立电源系统

在当今世界，电已成为人们生活中最常用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步，人们对电的依赖越来越强。在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源。部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统。哪种独立电源最合理，这是人们一直在研究和探讨的问题，本文将从几个方面，针对这个问题提出看法：

一、资源的评价
偏远地区一般用电负荷都不大，所以用电网送电就不合理，而只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区成本太高，而且难以保障。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。
太阳能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。
因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。

二、技术评价
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。
另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。
几十年来，小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定的成就，但从根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。长期以来，出于成本上的考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是根据空气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护。机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞试验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。
目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。

三、小型风力发电机全新的控制理念
设置大风限速保护的目的是在于当风力机在某一风速下，风力机输入的能量大于系统当时所能消耗的能量以及系统所能储存的能量总和的时候，（我们姑且称之为风力机处于过功率状态）能有效地减小风力机吸收风能，使风力机不致超速运行。
目前，全球各型风力机的限速保护方案大致可以归为两类：
1、以某种机构使风轮偏离风向，减小风轮迎风面积，从而减小风能的吸收。
2、以某种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距，降低风轮的风能利用率，从而达到减小风能吸收的效果。
这些机械限速保护装置之所以可靠性不良，除了设计不当的人为因素以外，实际上是有其固有弊端存在的。自然界的风况是十分复杂的，紊流是主状态，同时，风速风向的变化频繁而又迅捷，任何机械装置都不可能瞬时响应实际风况的变化，加上长期运行导致的机械磨损会使装置的配合间隙增大。所有这些均会导致保护滞后、失效以及剧烈的震动，引发风力机飞车、过载和剧烈震动等破坏性结果。
本司研究开发的限速保护理念是一种全新的磁电限速保护，其技术要点在于当风力机处于"过功率"状态时给发电机一个反向磁阻力距，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮输出的功率，从而使风轮转速下降，风轮转速的下降，使风轮的叶尖速比减小，从而降低定桨距风轮的风能利用率，减小风轮吸收的风能，从而进一步减低风轮转速……为此连锁作用所产生的实际效果是减速而不是限速，而磁电响应的过程，使保护动作十分安全可靠。
这一全新限速保护理念的优点在于舍弃了机械限速结构，仅保留了风力机两个必须的运动部件，排除了限速机构的机械故障隐患，从根本上解决了小型风力机长期安全可靠运行问题。这就是全新的限速控制理念的基础，这种方式至少有以下几方面的好处：
1、 由于放弃了机械限速结构，使小型风力发电机仅保留了二个必须的运行部件，机组的结构稳定性和可靠性大大提高。
2、 由于不受机械限速结构的限制，机组的造型可以做得更美观，更多样化。
3、 电控限速可采用的手段多，可靠性高，而且可以实现多级控制，也可根据不同的风资源情况设定不同的有效工作风速范围，提高了供电系统的可靠性。
我司根据全新的控制理念研制出系列小型风力发电系统经过在沿海地区的运行考核，验证了控制系统的可靠性。

四、风光互补发电系统的合理配置
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。一般来说，系统配置应考虑以下几方面因素：
1、 用电负荷的特征
发电系统是为满足用户的用电要求而设计的，要为用户提供可靠的电力，就必须认真分析用户的用电负荷特征。主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用电量。
最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。
2．太阳能和风能的资源状况
项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据，一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后光电板和风机的容量.
在最近审定的国标《离网型户用风光互补发电系统技术条件》中对系统容量的选择确定了原则。我司正在根据发电系统实际应用的经验总结编制系统容量选择的量化指标，完成后将在我司的网页上公布，仅供参考。
总之，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统，这种合理性表现在资源配置最合理,技术方案最合理,性能价格最合理。正是这种合理性保证了风光互补发电系统的高可靠性。

　　风光互补发电系统作为最合理的独立电源系统，有着广泛的应用领域.