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风光互补发电系统

概述

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年

里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类

社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系

统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源

利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经

恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内

容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一

种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

风光互补发电系统的发展过程及现状

最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为

缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的

提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软

件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。其中

coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory合作

开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光

互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以

及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是

hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格

昂贵，需要的专业性较强。

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是

功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和

大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐

射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电

量，主要用于系统功率设计。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内

蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面

进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研

究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用

风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而

合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。

据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村

风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离

转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

风光互补发电系统的结构

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电

池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、

太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生

能源发电系统。

风光互补发电系统结构图

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能

转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电

池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，

保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发

电系统的供电质量；

(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状

态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面

把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池

的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大

作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以

备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运

行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机

组和光伏发电系统联合向负载供电