傅國(guó)明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江紹興312000）

多種能源混合發(fā)電在海洋島嶼的應(yīng)用

傅國(guó)明

（浙江紫金光伏科技有限公司，浙江紹興312000）

為了解決海洋小島嶼由于面積較小、電量需求較大，架線與變壓的成本高這一大難題，采用太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電多種能源混合發(fā)電的方式，不僅提高了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還充分發(fā)揮了各能源之間的互補(bǔ)作用，充分利用了太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源。

太陽(yáng)能光伏組件；風(fēng)力發(fā)電；柴油機(jī)發(fā)電；離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

目前，市場(chǎng)上的太陽(yáng)能光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)大體有2種：①由太陽(yáng)能光伏組件與蓄電池組成；②在太陽(yáng)能光伏組件與蓄電池的基礎(chǔ)上增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，組成了風(fēng)光互補(bǔ)的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。這2個(gè)系統(tǒng)中，由于蓄電池在放電過程中有能量損失，效率只占80%，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率下降，壽命一般為3～5年，獨(dú)立系統(tǒng)的成本增加。

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件發(fā)電依賴的是太陽(yáng)光的強(qiáng)度，風(fēng)力發(fā)電時(shí)受風(fēng)速的限制，這在不同程度上加大了儲(chǔ)存電能的蓄電池的容量。至今為止，任何一種電池，無(wú)論是鋰電池，還是鉛酸電池，都無(wú)法擺脫成本高這一問題。筆者的方案由此而生，即采用太陽(yáng)能光伏組件、風(fēng)力發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電多種能源混合發(fā)電，不僅能提高離網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，又能充分發(fā)揮各能源之間的互補(bǔ)作用，還避免了柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 市場(chǎng)調(diào)研

世界對(duì)能源的需求，尤其是電力在不斷增加，為了減少溫室氣體的排放，國(guó)際上達(dá)成了共識(shí)，利用ECA和其他在世界各地提供資金的國(guó)際金融機(jī)構(gòu)（IFI）的政策配合，降低國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)可再生能源的需求。風(fēng)能因其具有可再生、無(wú)污染、不影響生態(tài)環(huán)境、蘊(yùn)藏量大、裝機(jī)規(guī)模靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來(lái)替代能源中最有希望的類型之一。在陸地上，風(fēng)力發(fā)電因受陸地面積的限制而正走向海洋，成為今后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向之一；同樣，光伏太陽(yáng)能組件在陸地上發(fā)電時(shí)，更加受陸地面積的限制，無(wú)法拓寬市場(chǎng)。太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電系統(tǒng)也會(huì)走向海洋。為此，在能源利用方面，可因地制宜、就地取材，這樣降低了輸變線路建設(shè)的難度與成本，更有利于滿足海洋島嶼的用電需求。

目前，風(fēng)能功率密度只是由風(fēng)速?zèng)Q定，因此，只有在合理確定風(fēng)速的情形下，才能準(zhǔn)確地估算風(fēng)能功率的密度。風(fēng)能功率密度的大小與風(fēng)速的三次方成正比，因此，風(fēng)速對(duì)風(fēng)能潛力的估計(jì)起決定性作用。

實(shí)際上，風(fēng)速具有隨機(jī)性，每時(shí)每刻都在變化，不能用某個(gè)瞬間風(fēng)速來(lái)計(jì)算風(fēng)能功率密度。

海洋小島嶼由于面積較小，好多地方無(wú)法用電網(wǎng)的電，主要原因在于：架線與變壓的成本太高，海底電纜的架設(shè)也受路線長(zhǎng)短和島嶼面積大小等因素的影響，最關(guān)鍵的是用電量的大小。

目前，大都采用了柴油機(jī)發(fā)電，但是，單一柴油機(jī)的機(jī)組不可能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，由于用戶負(fù)載也不穩(wěn)定，導(dǎo)致柴油的浪費(fèi)。另外，盡管有些采用了光伏太陽(yáng)能離網(wǎng)發(fā)電，從能源上來(lái)說(shuō)，這種方式利用了太陽(yáng)能，但是，太陽(yáng)光只有白天才有，且受氣象條件的限制，每天可利用的時(shí)間僅僅幾個(gè)小時(shí)，只能增加離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的數(shù)量來(lái)保證用戶的電量。風(fēng)光互補(bǔ)這一方案比單純的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)要好得多，充分將風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用于光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，相對(duì)來(lái)說(shuō)減少了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的成本。同樣，風(fēng)能也受氣象條件的限制，考慮到晚上、連續(xù)陰雨天等因素，離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電對(duì)蓄電池容量的依賴性還是比較強(qiáng)的。

2 工作原理

光伏、風(fēng)力、柴油機(jī)三者發(fā)電，構(gòu)成一定的互補(bǔ)關(guān)系，形成風(fēng)機(jī)、光伏和柴油發(fā)電機(jī)一體化的混合供電系統(tǒng)，供電的可靠性和穩(wěn)定性將大大提高。當(dāng)風(fēng)光發(fā)電不足和蓄電池儲(chǔ)能不足時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)補(bǔ)充發(fā)電，彌補(bǔ)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的不足。自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組向負(fù)載供電，同時(shí)給蓄電池組充電，防止蓄電池組過放，并存儲(chǔ)電能。另外，在逆變器無(wú)法正常工作的情況下，柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源可以直接通過離網(wǎng)局域電網(wǎng)給負(fù)載供電。當(dāng)離網(wǎng)局域電網(wǎng)負(fù)載較輕和蓄電池處于充電飽和狀態(tài)時(shí)，柴油機(jī)發(fā)電自動(dòng)退出運(yùn)行。

3 控制方案

3.1 自動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)控制

當(dāng)10 min平均風(fēng)速超過自動(dòng)對(duì)風(fēng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)對(duì)風(fēng)，以便盡快跟蹤風(fēng)向的變化，進(jìn)入起風(fēng)狀態(tài)；當(dāng)10 min平均風(fēng)速繼續(xù)升高達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速后，進(jìn)入自動(dòng)起動(dòng)狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)總是根據(jù)風(fēng)向儀的信號(hào)選擇沿就近的方向?qū)︼L(fēng)，當(dāng)風(fēng)向儀檢測(cè)到主風(fēng)超過一定角度后，重新對(duì)風(fēng)，以保證風(fēng)葉最大限度地捕獲風(fēng)能功率調(diào)節(jié)。圖1所示為光伏風(fēng)力柴油混合發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 光伏風(fēng)力柴油混合發(fā)電系統(tǒng)

3.2 脈寬調(diào)制（PWM）控制器

光伏太陽(yáng)能組件輸出特性呈曲線變化，風(fēng)機(jī)的發(fā)電更為明顯。為解決這一問題，采用模擬量控制，該系統(tǒng)用模擬量控制系統(tǒng)單元機(jī)組，它包括協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和模擬量控制的子系統(tǒng)，用以滿足機(jī)組安全起停及定壓滑壓運(yùn)行的工況要求。經(jīng)過雙向逆變（柴油發(fā)電機(jī)組輸出端一部分轉(zhuǎn)換成脈沖直流電給蓄電池組充電，另一部分直接并入離網(wǎng)局域電網(wǎng)對(duì)負(fù)載供電），將蓄電池的直流電逆成正弦波交流電后饋送給離網(wǎng)局域電網(wǎng)給負(fù)載供電。

3.3 模塊化雙向逆變器

依據(jù)功率大小對(duì)逆變器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化處理。該逆變器有并網(wǎng)的功能，可以將大功率光伏電站分解為多組光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊，通過交流側(cè)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，從而形成適宜向分散負(fù)載供電的集群式光伏發(fā)電系統(tǒng)。模塊化逆變器使光伏系統(tǒng)擴(kuò)容變得極為方便。在光伏、風(fēng)力、柴油混合發(fā)電中，將3種不同電源的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，共同?duì)蓄電池充電；蓄電池的直流電逆變成工頻交流電，饋送給離網(wǎng)局域電網(wǎng)，提高了混合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

3.4 最大功率跟蹤

由于日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，太陽(yáng)能光伏組件的輸出特性發(fā)生變化，風(fēng)力發(fā)電的輸出特性更為明顯，加上離網(wǎng)局域電網(wǎng)用戶負(fù)載不穩(wěn)定，這樣就導(dǎo)致風(fēng)光輸出特性與負(fù)載阻抗不匹配，由此產(chǎn)生的直接后果是太陽(yáng)能組件不能穩(wěn)定地運(yùn)行于最大功率點(diǎn)上。最大功率跟蹤是利用直流變換原理，把系統(tǒng)的輸入直流電壓調(diào)整在最大功率點(diǎn)上，而系統(tǒng)輸出電壓將跟蹤輸入功率和負(fù)載阻抗的變化，具體如圖2所示。

圖2 最大功率跟蹤

4 結(jié)束語(yǔ)

采用太陽(yáng)能光伏組件、風(fēng)力發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電多種能源混合發(fā)電，不僅提高了離網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還充分發(fā)揮了各能源之間的互補(bǔ)作用；由原來(lái)以柴油機(jī)發(fā)電為主，轉(zhuǎn)為柴油機(jī)輔助發(fā)電的形式，節(jié)省了柴油費(fèi)用，縮短了柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，減少了柴油機(jī)發(fā)電機(jī)噪聲污染、尾氣污染，從而減少了溫室氣體的排放量；縮短了柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間，降低了柴油機(jī)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)；提升了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性與可靠性；解決了海洋小島嶼由于面積較小、用電需求較大，架線與變壓的成本較高一大難題，并且充分利用了太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源。

［1］歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)，國(guó)際綠色和平組織.風(fēng)力12：關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量12%的藍(lán)圖［M］.中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)可再生能源專業(yè)委員會(huì)，綠色和平中國(guó)，譯.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

［2］胡晨明，R.M懷特.SOLAR CELLS［M］.李采華，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2001.

〔編輯：劉曉芳〕

TK09；TM611.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.142

2095－6835（2017）18－0142－02