风光互补发电系统性能实验研究

THERMAL POWER GENERATION Vol.47 No.2 Feb. 2018 风光互补发电系统性能实验研究

华君叶1，廖以燕1，李 贵2，吴 薇1，邵英澍1

（1.南京师范大学能源与机械工程学院，江苏 南京 210042； 2.江苏省地矿地热能有限公司，江苏 南京 211100）

［摘 要］发挥太阳能、风能发电系统的互补优势，稳定高效地输出电能是解决现有能源紧缺、经济

环保的重要举措。针对风光互补发电系统中的风能、太阳能发电特性，通过实验对影响风能、太阳能系统达到最优功率工作点的基本参数风速、风轮半径、负载、温度、光照强度等进行了研究；同时基于最大功率策略，针对某家庭用电需求进行优化设计，并探讨了风能、太阳能及蓄电池输出电能的特点。研究发现：风光互补发电系统发电输出基本稳定；在1天中的24 h内，中午时间段光照及风量充足，不需要蓄电池供电且电量有盈余，而其他时间段，除了晚间20:00—24:00以外，基本都需要蓄电池供电。

［关 键 词］风力发电机；太阳能光伏电池；最大功率追踪控制策略；风光互补；蓄电池 ［中图分类号］TK51 ［文献标识码］A ［DOI编号］10.19666/j.rlfd.201705041

［引用本文格式］华君叶, 廖以燕, 李贵, 等. 风光互补发电系统性能实验研究[J]. 热力发电, 2018, 47(2): 25-30. HUA Junye, LIAO Yiyan, LI Gui, et al. Experimental study and optimal design on operational performance of solar wind complementary system[J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(2): 25-30.

Experimental study and optimal design on operational performance of solar

wind complementary system

HUA Junye1, LIAO Yiyan1, LI Gui2, WU Wei1, SHAO Yingshu1

(1. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China;

2. Jiangsu Geology Geothermal Energy Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

Abstract: The solar-wind complementary system, combining advantages of wind and solar energy, plays an important role in solving the current energy shortage and economic environmental protection issues. In order to find out how to maintain the optimal power of solar-wind complementary system, the influence of such parameters as wind speed, wind wheel radius, load, temperature and illumination intensity on the power of wind and solar energy were studied. In addition, based on the maximum power point tracking theory, the power demand of a household was optimized, and the characteristics of wind, solar and battery output power were discussed. The results show that, the generation output of the solar-wind complementary system is stable. At noon time in a day, the power output is abundant and don’t require battery, implying the light and wind is enough during this time. However, in other time except 20:00~24:00 at night, the electricity basically needs to be supplied by the battery.

Key words:windmill generator, solar photo-voltaic cell, MPPT theory, wind and solar energy mutual-complementing, storage battery

随着经济发展与能源匮乏的不平衡，针对各类新型可再生能源的研究已经得到各相关领域学者的重视。风能、太阳能作为清洁能源，具有天然的互补优势。白天太阳光照强，夜间风多；夏天日照好，风弱；冬春季节风速大，日照弱[1-3]。利用这一互补特点，可以消除或减少单独发电时输出电能的波动性与不稳定性。近年来，国内外学者围绕风光

互补发电技术及其优化做了大量的研究与探讨[4-8]。廖毅[9]提出一种集中配置储能的风光互补发电系统方案，设计了间歇式电源出力波动的平滑控制策略，满足平滑出力需要的储能系统容量和功率的算法。Liu等人[10]采用无量纲和统计数据的方法，联合一个地区的大部分风能发电站和太阳能发电站，分别运行500 h和1 800 h，发现风力发电站和太阳

收稿日期：2017-05-15

基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目(16KJB47008)；江苏省自然科学基金面上研究项目(BK20151549)

Supported by：Nature Science Foundation General Programs of Jiangsu Province Colleges and Universities (16KJB470008); Nature Science Foundation

General Programs of Jiangsu Province of China (BK20151549)

第一作者简介：华君叶(1987—)，女，博士，实验师，主要研究方向为新能源利用与热力系统优化，huajunye@ njnu.edu.cn。

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热 力 发 电 2018年

能发电站的总功率往往是白天高晚上低，在87.2%的测试时间内，每天功率的峰值在下午1:00~2:00。Kempton[11]、Murata等人[12]分别对美国东海岸的11个风力发电站以及太阳能发电站进行研究，发现系统功率变化波动较少，且分散的光伏网站还改善了输出功率的稳定性。

由于太阳能、风能等能源受不同地区的气候、地理环境影响较大。本文通过实验手段分别对风光互补发电技术中风机与光伏电池板的运行性能及其影响参数进行了相关的实验与分析；通过实验与数据分析研究在何种工况下，系统能够达到最大功率；同时根据实验结果验证采用风光互补发电系统

保证系统稳定是否可以克服太阳能/风能的波动性，

运行。

1 实验系统与工作原理

所谓风光互补发电系统，就是利用风能与光能互补的发电特性共同或间断地使用两种发电系统，以期提高发电效率。通常在阴雨或者夜晚光照极少的天气里，光伏发电输出几乎为零，而风速反而较高，从而风力发电输出较高。而在天气晴朗时，光伏发电则可以较好地发挥作用。风光互补发电系统基本原理如图1所示。实验系统由风力发电、光伏发电、风光互补控制器与储能系统组成。

图1 风光互补发电系统基本原理

Fig.1 Schematic diagram of the PV-wind system

风力发电 风力发电主要包括风轮、异步交1）

流发电机、尾舵和支架等，实验系统如图2所示。风力发电装置主要在风轮转动过程，将空气流动的动能转化为风轮旋转的机械能，进而带动发电机转动产生电能。

能电池、自动追光系统等，实验系统如图3所示。太阳能光伏电池利用光伏效应原理将光能直接转换为电能，而自动追光系统保证电池板随着光照角度而转动，以期达到任何时刻功率最优。

图2风力发电装置实验系统

Fig.2 The wind power generator apparatus

图3太阳能光伏电池实验系统 Fig.3 The solar photovoltaic cell

2）光伏发电 光伏发电主要包括多晶硅太阳

3）风光互补控制器与储能系统 风光互补发电系统实验控制台如图4所示。风光互补控制器的作用在于控制整个系统的工作状态，同时能够高效

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华君叶 等 风光互补发电系统性能实验研究 27

地转化风力发电机和太阳能光伏电池所产生的电能。储能系统是风光互补发电系统中必不可少的环节，通过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，用于日落或阴天时能够持续提供电能，并将多余电能储存起来。

达到最优；实验系统中，当叶尖速比达到24左右，风机输出功率达到最佳约93.04 W，功率系数达最大值约14 131。

图4 风光互补发电系统实验控制台 Fig.4 The console of PV-wind system

2 实验数据处理

实验系统数据处理计算公式： 叶尖速比

2πRn/60v (1)

功率系数

Cp2P/swv3 (2)

最大功率

Pm=VmIm (3)

式中：R为风轮半径；n为风机转速；v为风速；P

为空气密度；sw为风为风力发电机总的输出功率；

轮扫掠面积，m2；Pm、Vm、Im分别为峰值功率、电压、电流。

3 实验结果与分析

3.1 风力发电输出特性

风力发电特性曲线如图5所示。风力发电输出功率主要与风速、叶轮直径等有关。由于同一风机叶片长度是固定的，根据式(1)，采用叶尖速比来表征风速和叶轮直径之间的关系更能反映其对风力机输出功率的影响。由图5a)可知：风力发电机的输出功率随着风速的增加而增加，存在最佳风速比，使得输出功率达到最优；本实验系统中，当风速达到4.5 m/s时，风机输出功率达到最大值。除了输出功率，功率系数更能反映风能的利用情况。由图5c)可知：存在最佳叶尖速比，使得系统功率系数

图5 风机发电特性曲线

Fig.5 The wind power characteristic curves

综上所述，风速、叶尖速比等是影响风机运行能效的主要因素，存在最佳风速与最佳叶尖速比，使得风机系统达到最优状态。由于实验系统中叶片长度是固定的，因此调节风速即可实现风力发电系

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热 力 发 电 2018年

统发电输出达到最优。 3.2 太阳能光伏发电特性

3.2.1 太阳能光伏电池基本特性参数

在一定光照和温度条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，所得光伏电池组件伏安特性曲线如图6所示。

表2 光照强度对光伏电池特性影响实验结果 Table 2 The test records of the effect of illumination intensity on the characteristics of photovoltaic cells

遮挡 位置 无遮挡 1/4 1/2 3/4 全遮挡

光照 强度/ LUX 8 520 6 390 4 260 2 130 0

开路 电压 U0c/V 19.10 18.42 17.56 16.76 14.48

短路电流 Isc/A 0.086 0.018 0.013 0.010 0

峰值电流 Im/A 0.061 0.018 0.013 0.010 0

峰值 电压 Um/V 0.061 6.43 4.66 3.93 1.11

峰值 功率 Pm/W 1.04 0.11 0.06 0.04 0

由表2可知，太阳能电池的峰值功率随光照强度减小而减小，因此光照强度对太阳能光伏发电峰值功率的输出影响较大。事实上，太阳光照强度与环境温度变化均存在波动，要维持太阳能光伏发电系统输出功率最大，必须根据实时工况变化寻找最佳匹配负载，从而得到最大输出功率。 3.3 太阳能风光互补发电系统

图6 光伏电池组件伏安特性曲线

Fig.6 The volt-ampere characteristic curve of the

photovoltaic cell module

风光互补发电系统从启动时刻一直到运行30 min后，每隔10 min记录1次运行数据，具体数据见表3。由表3可见，由于风光互补发电系统中配备蓄电池，直流负载和交流负载的电压、电流均在稳定值附近波动，系统输出的电压与电流均较稳定。

表3 风光互补发电系统运行数据

Table 3 Operation data of the wind solar hybrid power

generation system

项目 时间间隔/min 光伏充电电流/A 光伏充电电压/V 光伏充电功率/W 风机充电电流/A 风机充电电压/V 风机充电功率/W 直流负载电流/A 蓄电池电压/V 直流负载功率/W 交流负载电流/A 交流负载电压/V 交流负载功率/W

0 0.262 24.470 6.411 1.182 19.400 22.930 0.161 23.730 3.817 0.500 228.10 114.00

10 0.266 25.020 6.655 1.087 19.890 21.530 0.161 24.240 3.902 0.519 228.60 118.60

数值

20 0.265 24.780 6.567 1.065 19.600 20.870 0.160 24.070 3.851 0.507 228.20 115.69

30 0.266 24.760 6.586 1.033 19.600 20.250 0.159 24.020 3.819 0.512 228.40 116.94

由图6可知：增加负载电阻，电流会随着电压的增大而减小。太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积，存在一个负载阻值，使得光伏发电系统存在最大输出功率。实验系统获得最大功率的电阻值为211.14 Ω。

3.2.2 外界环境对太阳能光伏电池特性影响 外界环境主要包括温度和光照强度，其对太阳能光伏电池的特性，特别是最大功率的输出有较大影响。环境对太阳能光伏电池特性影响的实验结果见表1、表2。由表1可见：随着光伏电池温度的升高，开路电压减小，在20~35 ℃范围，短路电流随温度的升高略有上升；而峰值功率随着环境温度的升高略有降低。

表1 温度对光伏电池特性影响实验结果

Table 1 The test records of temperature effect on

photovoltaic cell

环境温度/℃

23.4 25.4 27.4 29.4 31.4 33.4

峰值电流Im/A 0.063 0.063 0.062 0.062 0.061 0.060

峰值电压 Um/V 18.45 18.31 18.16 18.00 17.77 17.70

峰值功率 Pm/W 1.11 1.11 1.08 1.07 1.04 1.02

4 风光互补发电系统应用

无论是对光伏发电系统还是风力发电系统，常用的控制策略均为最大功率跟踪策略。对于光伏发电系统，控制策略的目标是不论处于何种环境状态，使其发电功率达到最大值。基本原理为在最大功率点时光伏电池的输出功率对电压的微分为0，

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即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏电池工作在最大功率点上[13-14]。

风力发电机组要通过控制风速来实现输出功率最大。由于风力机转速与最佳叶尖速比之间存在一定的比例关系，因此可以根据转速推测出叶尖速比，然后根据最大输出功率与叶尖速比的对应关系得到一个数值，将该数值作为给定功率，并与风力发电机输出的实际功率进行比较，通过PID控制器控制其偏差，调节相关信号从而实现最大功率控制。

以文献[15]中某地区某户家庭24 h内典型用电量为依据（图7），选取冬季天气较为恶劣的工况，根据最大功率跟踪控制策略，对其供电进行风光互补发电系统模拟与优化设计。

由表4可见，风光互补发电系统相较于光伏发电系统发电成本更低，有效缓解了太阳能发电输出不稳定等缺陷。

图8为风光互补发电系统采用Visual Basic软件根据最大功率追踪策略仿真结果。图中发电余量曲线大于0时，代表风光互补发电总量充足，此时不需要蓄电池，反之则代表需要蓄电池补充电量。

图7 某户家庭冬季24 h用电需求

Fig.7 The 24-hour load profile of a household in winter

由图7可见，该户家庭在早上7:00—9:00，傍晚16:00—19:00为用电高峰，其中用电负荷最大值为13 848 W。根据图7数据，计算相同发电量下光伏发电系统和风光互补发电系统所需电池数量及经济成本，结果见表4。

表4 2种发电系统所需电池数量及经济成本 Table 4 Battery and economic costs of two power

generation systems

系统名称

光伏 电池板 蓄电池 光伏 电池板 风机 蓄电池

规格 单晶硅 200AH 容量 单晶硅 WT600 200AH 容量

最大 功率/W 185

数量 82 10

单价/ 元 1 295

118 190

1 200

总价/ 元

光伏 发电 系统

图8 最大功率追踪策略模拟结果

Fig.8 The simulation results based on the MPPT theory

185 6 000

16 2 8

1 295 20 000 1 200

70 320

风光 互补 系统

由图8可以发现：中午时间段内光伏发电量较高，而此时对应的风力发电量则相对较低；当夜晚光照几乎没有，光伏发电量几乎为0，风力发电量仍较高；在一天24 h内，中午时间段不需要蓄电池

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供电且电量有盈余，说明此时光照以及风量充足，除了晚间20:00—24:00以外的其他时段，基本都需要蓄电池供电，这也与用户用电量有关。

5 结 论

1）风光互补发电系统中的风力发电系统，存在最佳风速与叶尖速比，使得风力发电系统输出功率达到最优。本实验系统中，最佳风速为4.5 m/s，最佳叶尖速比约为24。

2）风光互补发电系统中的光伏发电系统输出功率主要与负载阻值有关，在不同温度、光照条件下，存在不同的匹配负载阻值，使得光伏发电系统达到最佳功率。

3）风光互补发电系统利用了风能、太阳能互补的优势，实现了经济、高效运行，同时蓄电池还可保证其输出电量稳定。

［参 考 文 献］

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（责任编辑 杨嘉蕾）

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