摘要：內蒙古地區太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。文章介紹了在微處理器的控制下,用一種新的方法實現風能、太陽能發電系統中的匹配問題 使得風能發電、太陽能發電與逆變系統的結合，從而實現了系統的優化控制。

　　關鍵詞：風能,光能,互補系統發電,優化控制

　　引 言

　　近年來, 隨著全球經濟的發展和科學技術的進步, 在環境污染日益嚴重, 不可再生能源正被耗盡, “油荒”、“電荒”、“水荒”相繼告急的情勢下，資源缺乏的壓力不斷增加。[2]為了滿足人類生存的需求，保持社會經濟的可持續發展， 改善人類賴以生存的環境, 解決人們日益增長需求與資源不斷減少之間的矛盾，節約能源和清潔、綠色可再生能源的開發和利用成為當今國內外學者開始研究與探討的重大問題。風能、太陽能就是取之不盡的天然綠色可再生資源。“十二五”期間，內蒙古將依托資源優勢，積極培育戰略性新興產業，以風、光、生物質發電和煤的潔凈利用為重點，打造綠色能源基地。然而現階段我國大型風動系統的發電成本高、上網電力質量差，安全穩定性不好、長期運行壽命也值得懷疑。太陽能發電目前的問題還不僅是成本問題，尤其制造太陽能電池板的高污染和高能耗，系統的安全穩定性和長期可靠性有待于進一步提高。而在內蒙古地區風能與太陽能在時間和地域上有著很強的互補性,風-光能互補發電系統是一種將太陽能和風能轉化為電能，風-光能互補發電系統與內蒙古地區資源上具有最佳的匹配性, 可以彌補單一能源發電造成的不平衡的缺陷，減小對電網沖擊。同時風-光互補發電系統的關鍵設備----逆變器, 它的性能的好壞直接關系到所發出來電的質量,提高整個發電系統和電網系統運行的安全穩定性和長期可靠性。

　　一 系統結構和主要功能整套發電裝置的系統框系統框架

　　此裝置包括風能發電系統、光伏發電系統、逆變器控制系統等部分。

　　1.1 風能發電系統

　　風能發電系統是將風能轉化為電能的裝置。首先利用風力發電機組, 將風能轉換成三相交流電, 然后經過整流器整流成為直流電, 對逆變系統直流端充電。風機采用專門調葉面風力發電機, 可在一級風時達到穩定輸出, 對風速不穩定產生的尖峰電壓電流可通過卸載電阻釋放。

　　1.1.1風力發電機工作原理

　　風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，經過增速機將旋轉的速度提升到異步發電機的轉速后，再通過勵磁變流器勵磁而將發電機的定子電能并入電網。如果超過發電機同步轉速，轉子也處于發電狀態，通過變流器向電網饋電。風力發電系統是由風力發電機、充電器/、逆變器、齒輪箱、偏航系統、電變距系統、剎車系統和控制系統組成。風力發電機因風量不穩定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經充電器整流，再對蓄電器充電，用于保護電路的逆變電源，再由蓄電器轉變成交流電，才能保證穩定使用。增速箱以傳動比為28~125比例將低速的風輪轉速變為高速的發電機轉速。同時得到穩定的頻率和電壓輸出。偏航系統就是要使得風輪的掃掠正面總是和主風向處于垂直。

　　現在利用電變距系統來調節葉片槳矩，對于1500千瓦風機而言，一般在3級風速自動啟動，在6級風額定功率。之后，隨著風速的增加，一直控制在額定功率附近發電，現代風機的設計極限風速為60-70米/秒，也就是說在即使是在12級颶風風速下風機也不會立即破壞。(12級，其風速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。)

　　控制系統是依據風速、風向對系統加以控制，在穩定的電流頻率和電壓輸出下運行，自動地調節偏航系統，對風機的并網和脫網自動操作;同時監視發電機的運行溫度、齒輪箱、電變距系統，對風機設備出現的異常進行自動報警，必要時做出自動停機操作，可做到無入看守的發電控制單元。

　　1.2 太陽能光伏系統

　　光伏系統是利用太陽電池組件和其他輔助設備將太陽能轉換成電能的系統。一般分為獨立系統、并網混合系統。

　　隨著太陽能光電子產業的發展，出現了可以綜合利用太陽能光伏組件陣列，本系統采用AES的SMD逆變器并網混合供電系統將控制器和逆變器集成一體化，使用電腦芯片全面控制整個系統的運行，綜合利用各種能源達到最佳的工作狀態，并還可以使用蓄電池進一步提高系統的負載供電保障率，該系統可以作為一個在線的不間斷電源工作。還可以向電網供電或者從電網獲得電力。系統的工作方式通常的是將市電和太陽能電源并行工作，對于本地負載而言，如果光伏組件產生的電能足夠負載使用，它將直接使用光伏組件產生的電能供給負載的需求。如果光伏組件產生的電能超過即時負載的需求還能將多余的電能返回到電網;如果光伏組件產生的電能不夠用，則將自動啟用市電，使用市電供給本地負載的需求，而且，當本地負載的功率消耗小于SMD逆變器的額定市電容量的60%時，市電就會自動給蓄電池充電，保證蓄電池長期處于浮充狀態;如果市電產生故障，即市電停電或者是市電的品質不合格，系統就會自動的甩開市電，轉成獨立工作模式，由蓄電池和逆變器提供負載所需的交流電能。一旦市電恢復正常，即電壓和頻率都恢復到上述的正常狀態以內，系統就會斷開蓄電池，改為并網模式工作，給市電供電。并網混合供電系統中還可以將系統監控、控制和數據采集功能集成在控制芯片中。

　　1.3.2 逆變系統控制

　　本套發電系統采用AES的SMD逆變器系統，它在整個系統中將逆變系統直流端電壓波動控制在一個相對小范圍內, 以提高系統供電質量 。風電系統中利用一個加入式的昭功率跟蹤器和卸載電阻將工作電壓穩定在一個可控的范圍，當風電電壓超出設定范圍時， 系統會自動啟動太陽能光伏系統;當風電系統電壓回到設定范圍時，系統會自動切換回風電系統

　　光伏系統控制的是太陽能光伏電池充電系統, 光伏電池的輸出特性與日照及電池板溫度有關, 而在本系統中加入一個太陽能電池峰值功率跟蹤器,設置蓄電池電壓時范圍要大一些，保證逆變系統直流端電壓的大小，減少開關次數。逆變系統控制是發電的核心裝置, 直接決定發電質量, 也是最容易損壞和出現故障的部分, 所以采用AES的SMD逆變器系統來時刻檢測逆變系統直流母線端電壓的大小, 決定是風能充電還是光能充電。

　　1.3.3逆變環節

　　逆變環節的主要任務就是將電路輸出的直流電壓通過逆變控制器PLC將濾波輸出穩定的220V/50Hz的正弦波。

　　本系統利用PIC系列速度快, 可提高輸出波形質量，設計了單極性調制方式的專用AES的SMD控制器以PIC為中心, 通過單片機內部程序的設計, 以滿足系統的要求, 防止輸出電流過高而損害電源, 同時設計了過流保護電路，防止高頻信號的干擾, 為了保證系統關斷, 設計了反向負偏置電路。以達到保護系統的目的。

　　1.4 控制器

　　控制器的主要功能是控制蓄電池組的充放電,并進行有關參數的檢測﹑處理以及混合電站運行的控制. 主要保護風、光系統和充電的電流、電壓檢測控制;過放報警、保護控制//過流及短路保護控制、檢測和處理的數據包括充電總電流、蓄電池端電壓、放電電流、環境溫度、蓄電池組輸出電量等。控制器用無觸點固態繼電器及多級增量控制法控制。當蓄電池接近充滿時，依次關斷部分子陣列，保證蓄電池端電壓不超過最高設定，同時進行蓄電池的浮充，保證蓄電池的良好充電性能。[4]

　　二 結語

　　在內蒙古中西部地區太陽能與風能在時間上和地城上都有很強的互補性。白天太陽光最強時, 風很小, 晚上太陽落山后, 光照很弱, 但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季太陽光強度大而風小冬季, 太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性, 風光互補發電系統是一個最好的獨立電源系統。[8]整套發電系統運用計算機控制技術, 把風電系統、光電系統、和逆變器有機地結合在了一起, 實現了以風能發電為主, 光能發電為輔, 能向電網提供穩定不間斷電壓, 解決單一發電系統的不穩定性對電網的沖擊。風-光發電項目的成功將帶來以下社會效益：一、電場雄偉的發電機群將成為一道亮麗的風景線，可以吸引大量的旅游客入，為發展開辟一塊新的天地。二、這樣大的項目需要大量的生產、安裝、調試、維護、管理入員，可安排就業入員。

　　參考文獻：

　　[1] 劉暢 ,張慶范.風-光-柴油機互補發電逆變系統的研究與設計.可再升能源，濟南：山東大學控制科學與工程學院.2008.

　　[2] 任東明.我國可再生能源產業的發展現狀與前景.國家發改委能源研究所中國科技投資專家論壇.2008-04-5,第3期.

　　[3] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術.北京：機械工業出版社.2002.

　　[4] 張熙霖， 武鑫，吳志民，許洪華.風力、光伏、波浪能混合發電系統的應用研究.實用技術，北京：中國科學院電工研究所.2004.04.

　　[5] 倪受元，許洪華，孫曉.30 千瓦風/ 光互補聯合發電系統[J]新能源,1996,18(12):1-10.

　　[6] 趙玉文,崔容強.我國太陽能光伏產業現狀與發展[A].21 世紀太陽能技術-2003 年中國太陽能學會學術年會論文集[c]上海:上海交通大學出版社,2003.

　　[7] 汪海寧.光伏并網功率調節系統的研究.中國電機工程學報.2006.

　　[8]周曉受.風光互補發電系統.新能源， 北京：華北電力大學.2008年第1期.