新能源不間斷供電系統的優化設計與應用研究

陳 豐

（上海法諾格綠色能源系統有限公司，上海201319）

1 風光油互補系統概述

近年來，隨著新能源產業的不斷成熟，設備成本的不斷下降，再加上國家大力推動節能減排政策，風力發電和太陽能發電技術在很多領域都得到了廣泛的應用。

在高壓拉電距離超過3 k m、拉電成本高于25萬元時，使用“風光互補”綜合節能發電系統有很高的成本優勢。目前風光互補千瓦級離網微型電站規模化應用的行業有：移動通信基站、海洋氣象監測站、邊防哨所、邊遠地區無電戶供電、道路風光互補路燈等。

根據用電設備的使用要求不同，對電源供電的經濟性、安全性、穩定性和可靠性指標都有所不同。在移動通信基站和海洋氣象監測站等領域，其設備都需要全天候24小時不間斷工作，這樣就給電源提出了很高的要求。在冬季或雨雪陰霾天，風光互補系統不能可靠地滿足用電設備供電，為此必須提高供電系統發電量。常規途徑是對風力發電機組、太陽能組件、蓄電池進行擴容，但這一方案成本太高。如果把后備時間提高到7天，建設成本要提高一倍，違背經濟性的初衷。另外如碰到超過7天的連續無風陰雨天，供電仍會中斷［1］。

通過經濟分析計算，在風光互補系統的基礎上，可增加一個小型汽油發電機，即組成“風光油互補系統”。軍用高效配置的風光油互補系統實驗樣機安裝于北京郊區（如圖1），已穩定可靠運行5個月，以下舉例的數據源于該試點項目。

圖1 軍用高效配置的風光油互補系統實驗樣機

2 設計思路

考慮到系統要適應各種地理及氣候條件，包括－40℃高嚴寒氣候，因此油機選用汽油發電機。油機作為備用電源，平常不工作，風光互補供電優先，如圖2。

圖2 風光油互補系統原理圖

風光油互補系統的技術原理：利用風能和太陽能分別通過風力發電機和光伏組件轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，再通過逆變器將直流電逆變為220 V交流電供負載使用。當蓄電池容量低于20%時，控制器控制汽油發電機啟動，汽油機輸出220 V交流電通過充電機給蓄電池充電。當充電量達到蓄電池容量的80%時，控制器控制汽油發電機停機。

3 系統配置計算方法

（1）配置風光油互補供電系統前，需知道用電設備的具體特性、功率數據和日用電時間，計算出負載最大日用電量。

如試點項目用電負載為視頻監控系統和通信系統，最大功率為300 W，工作功率為200 W，全天候24 h不間斷工作，日用電量為Q負載＝300 W×24 h＝7 200 Wh。

（2）獲取當地年平均風速值、日均日照時數和溫度等詳細氣象數據。

如試點項目安裝點的年平均風速為4 m／s，日均日照時數為3.6 h，溫度為－25℃～40℃。

（3）根據當地氣象數據，選擇風力發電機和太陽能組件的功率。

如試點項目風力和日照條件都較好，選擇1 k W風力發電機和1 k W太陽能組件。

（4）按照以下計算過程進行配置計算，得出配置所需蓄電池容量、風力發電機的發電量和光伏組件的發電量。

①通過蓄電池需自主供電的最長時間計算蓄電池的容量，其中自主天數是指在無風陰霾天蓄電池自主供電的天數，風光互補系統經驗值為3天，風光油互補系統取值為1～2天。

根據實際配置經驗，蓄電池放電深度取值為50%，系統效率取值為80%。

如試點項目蓄電池容量C＝（7 200 Wh÷0.8）×1÷（0.5×48 V）＝375 Ah，故選擇規格為12 V200 Ah的蓄電池8節，4節串聯2組并聯。

②風力發電機組發電量的計算方法有以下兩種：

方法一：用日平均風速值時的發電機輸出功率值乘以小時值24 h，即

式中，Q風為日發電量k Wh；Pv為日平均風速值時發電機組輸出功率k W；K 為修正系數，取1.2～1.5［2］。

方法二：用年平均風速值和威布爾分布的年風頻曲線來計算，即根據風力發電機的功率與風速曲線，計算出在年平均風速值下的風電年發電量，再按365天折合出日發電量。

如試點項目年平均風速為4 m／s，微風高效風力發電機額定功率為1 k W。按方法一計算，風力發電機日發電量Q風＝24 h×120 W÷1.2＝2 400 Wh（1 k W風力發電機在4 m／s風速下功率120 W）；按方法二計算，在年平均風速為4 m／s下，考慮了系統效率0.9的年發電量為1 323 k Wh，則風力發電機日發電量Q風＝1 323 k Wh×1 000÷365＝3 625 Wh。兩種方法計算值有較大差異，根據實際配置經驗，用方法二計算的發電量更接近實際。

③太陽能組件發電量的計算

式中，Q光為日平均發電量k Wh；Wp為太陽電池組件峰值功率k W；Tp為當地峰值日照時數h；η2為溫度損失因子，取0.95；η3為灰塵遮蔽損失，取0.93；η4為充放電損失，取0.9～0.97；η5為輸配電損失，取0.98。

如試點項目Q光≈0.8×1 000×3.6＝2 880 Wh，如采用帶雙軸自動跟蹤的太陽能組件，發電效率增加25%以上，故Q光≈3 600 Wh。

④以上系統配置計算檢驗：

（a）日平均發電量Q系統大于或等于負載最大日用電量Q負載；

如試點項目Q系統＝Q風＋Q光＝3 625 Wh＋3 600 Wh＝7 225 Wh，Q負載＝7 200 Wh，Q系統＞Q負載，滿足系統設計要求。

（b）風電和光電最大電流I風＋光小于或等于蓄電池最大充電電流I蓄電池max＝0.25 C10；

如試點項目I風光＝I風＋I光＝（1 000 W＋1 020 W）÷48 V＝41.7 A，0.25 C10＝0.25×400＝100 A。

I風＋光＜I蓄電池max，滿足系統設計要求。

（5）計算需配置充電機的功率、油機的功率和油箱的容量。

常規風光油互補系統配置中沒有充電機，在此考慮增加充電機是為了讓用電設備不間斷工作，因為切換油機有30 s至1 min的啟動時間。充電機的功率需根據蓄電池的容量來計算。以上計算出蓄電池為48 V400 Ah，充電機給蓄電池的充電電流需小于或等于蓄電池最大充電電流I蓄電池max＝0.25 C10。一般情況10小時率蓄電池的充電電流為0.1 C10，即充電機的充電電流為40 A。為經濟性考慮，降低油機的配置，選用電流為25 A、電壓為48 V的智能充電機。

充電機工作電源AC 220 V是由油機的交流輸出提供，因此充電機功率大小決定油機的功率，充電機在工作時最大功率為1.8 k W，因此油機需選擇2 k W，并帶有信號自啟動電路。

當蓄電池電壓上升至48 V時，停止油機供電，油機運行時間大約為4 h，產生電能8 k Wh，考慮效率0.8，實際產生電能6.4 k Wh。按照每公斤汽油可以產生的電能為4度（k Wh），需要1.6公斤（約2升）汽油（1升汽油約合0.8公斤）。按每月運行一次計算，30升油能維持15個月。

（6）控制器功率的計算。控制器的作用是將風能和太陽能整流后給蓄電池充電。計算其功率時，需考慮風力發電機和太陽能組件的功率。

如試點項目控制器風能通道為1 k W，光能通電為1 k W，并帶有油機啟動信號功能，卸荷箱外置。

（7）逆變器功率的計算。逆變器的作用是將蓄電池的直流電轉換為AC220 V／50 Hz的交流電。計算其功率時，需考慮用電負載的最大功率及負載特性。以上計算的用電負載最大功率為300 W，容性、感性和阻性的負載都有，因此逆變器需要增大容量，選擇直流輸入2 k VA／DC48 V，交流輸出為AC220 V／50 Hz。

4 設備選型

風光油互補供電系統中對主要部件設備需要優化，選擇發電性能強、安全系數高的設備。

4.1 風力發電機的選型

選用微風高效發電的風力發電機組，如圖3。

傳統三葉片風力發電機組，切入風速需要達到4 m／s以上，額定風速在11 m／s以上。超越離合雙葉輪微風高效發電的風力發電機在二級風速下能起動并高效發電，在15 m／s以上能將尾舵機械側偏，減小受風面積，保護發電機和系統。兩款發電機發電量對比，后者較前者增加了50%以上。

4.2 太陽能組件的選型

選用帶雙軸自動跟蹤系統的太陽能組件，如圖4。

圖3 微風高效發電的風力發電機組

圖4 帶雙軸自動跟蹤系統的太陽能組件

一年春夏秋冬四季、每天日升日落，陽光日照角度時刻都在變化，如果系統帆板能夠時刻正對太陽，效率才會達到最佳狀態。自動跟蹤系統是根據太陽每天不同的運行軌跡而高精度跟蹤太陽運行角度，使其跟蹤誤差可以不超過1°。配有自動跟蹤系統的光伏組件較傳統定角度固定式的光伏組件，發電量增加了25%～30%。

4.3 油機的選型

選用帶有信號自啟動電路的汽油發電機，如圖5。

在高海拔高嚴寒區域使用時，需加耐－45℃低溫的機油，在油門處增加瞬間加熱裝置，同時要選用特制的化油器。由于風光油互補系統電站是無人值守，因此選用油機時需要增加信號自啟動電路，就是蓄電池電壓低于某個設定值（經驗是蓄電池剩余20%容量）時，啟動油機發電，通過充電機給蓄電池充電。

圖5 帶有信號自啟動電路的汽油發電機

5 系統運行監測

通過GPRS數據傳輸，將現場運行的實時數據遠程傳送到監控室。表1是按照以上計算配置的軍用高效風光油互補不間斷供電系統的發電量統計。

表1 高效風光油互補系統實驗樣機運行數據報表

通過表1的數據統計，折合成日發電量約為7.16 k Wh，其中風力發電日平均發電量為3.5 k Wh（月平均風速3.7 m／s），太陽能日平均發電量為3.7 k Wh，符合系統配置時的計算。

6 結 論

國家一直大力扶持新能源建設，隨著人們生產生活日益進步，用電設備不間斷工作的需求也在增加，新能源（風光油互補）不間斷供電系統能滿足其需求。

合理精確地配置新能源供電系統，能夠降低建設成本，也能更好地為設備提供不間斷電源。通過優化設計的實際應用案例，證實這種新能源供電系統較傳統風光互補供電系統運行更加安全可靠，將來會更加廣泛地得到應用。

［1］ 班 衛.基站“風光油互補”綜合節能發電系統探索［Z］.中國聯通移動網絡有限公司海南分公司，2011.

［2］ 賴克中.風光互補移動通信電源的設計與應用［Z］.福建郵科通信技術有限公司，2010.

［3］ GBT 19115.1－2003離網型戶用風光互補發電系統 第1部分：技術條件［S］.2003.