2.3　互补型光伏发电系统

太阳能光伏系统与其他发电系统（如风力、柴油发电机组、集热器、燃料电池、生物质能等）组成多能源的发电系统，通常称之为互补型光伏发电系统或混合发电系统。互补型光伏发电系统主要适用于以下情况：即太阳能电池的出力不稳定，需使用其他的能源作为补充时；太阳能电池的热能作综合能源加以利用时的情况。互补型光伏发电系统一般可分成风光互补发电系统、风-光-柴互补发电系统、太阳光热互补发电系统、太阳能光伏-燃料电池互补发电系统以及小规模新能源电力系统等，其中风光互补发电系统应用最广泛。

2.3.1　互补型光伏发电系统的类型

2.3.1.1　风光（风-光-柴）互补型发电系统

风光（风-光-柴）互补发电系统主要由风力发电机组（柴油发电机组）、太阳能光伏电池阵列、电力转换装置（控制器、整流器、蓄电池、逆变器）以及交直流负载等组成，其系统结构分别如图2-16和图2-17所示，图2-18所示为风光互补路灯实景图。风光（风-光-柴）互补发电系统是集太阳能、风能、柴油发电机组发电等多能源发电技术及系统智能控制技术为一体的混合发电系统。

风光互补发电系统根据当地太阳辐射变化和风力情况，可以在以下四种模式下运行：太阳能光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组单独向负载供电；太阳能光伏发电系统和风力发电机组联合向负载供电以及蓄电池组向负载供电。

（1）太阳能电池阵列

太阳能电池阵列是将太阳能转化为电能的发电装置。当太阳照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳光能就直接变成了可付诸实用的电能。

太阳能电池方阵将太阳辐射能直接转化为电能，按要求它应有足够的输出功率和输出电压。单体太阳能电池是将太阳辐射能直接转换成电能的最小单元，一般不能单独作为电源使用。作电源用时应按用户使用要求和单体电池的电性能将几片或几十片单体电池串、并联连接，经封装，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即太阳能电池组件。太阳能电池方阵产生的电能一方面经控制器可直接向直流负载供电，另一方面经控制器向蓄电池组充电。从蓄电池组输出的直流电，一方面通过DC/DC变换供给直流负载，另一方面通过逆变器后变成了220V（380V）的交流电，供给交流负载。

太阳能电池方阵的功率，需根据使用现场的太阳总辐射量、太阳能电池组件的光电转换效率以及所使用电器装置的耗电情况来确定。

（2）风力发电机

风力发电机是将风能转化为电能的机械。从能量转换角度看，风力发电机由两大部分组成：一是风力机，它将风能转化为机械能；二是发电机，它将机械能转化为电能。小型风力发电机组一般由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。常规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁发电机加AC/DC变换器、蓄电池组、逆变器等组成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成机械能。风轮的转动带动了发电机轴的旋转，从而使永磁三相发电机发出三相交流电。风速不断变化,忽大忽小，导致发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器整流，由交流电变成具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，一方面通过DC/DC变换供给直流负载，另一方面通过逆变器后变成220V（380V）的交流电供给交流负载。

如图2-19所示为风力机输出功率曲线，其中vc为启动风速，vR为额定风速，此时风机输出额定功率，vp为截止风速。

当风速小于启动风速时，风机不能转动。当风速达到启动风速后，风机开始转动，带动发电机发电。发电机输出电能供给负载以及给蓄电池充电。当蓄电池组端电压达到设定的最高值时，由电压检测信号电压通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充。当风速超过截止风速vp时，风机通过机械限速机构使风力机在一定转速下限速运行或停止运行，以保证风力机不致损坏。

（3）电力转换装置

由于风能的不稳定性，风力发电机所发出电能的电压和频率是不断变化的；同时太阳能也是不稳定的，所发出的电压也随时变化，而且蓄电池只能存储直流电能，无法为交流负载直接供电。所以，为了给负载提供稳定、可靠的电能，需要在负载和发电机之间加入电力转换装置，这种电力转换装置主要由整流器、蓄电池组、逆变器和控制器等组成。

① 整流器　整流器的主要功能是对风力发电机组和柴油发电机组输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经控制器再对蓄电池组进行充电，整流器一般采用三相桥式整流电路。在风电支路中的整流器的另外一个重要作用是，在外界风速过小或者基本没风的情况下，风力发电机的输出功率较小，由于三相整流桥中电力二极管的导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池组端，所以可有效防止蓄电池对风力发电机的反向供电。

② 逆变器　逆变器是在电力变换过程中经常使用到的一种电力电子装置，其主要作用是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电。风光互补型发电系统中所使用的逆变器要求具有较高的效率，特别是轻载时的效率要高，这是因为这类系统经常工作在轻载状态。另外，由于输入的蓄电池电压随充、放电状态改变而变动较大，这就要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且能保证输出电压稳定。

③ 蓄电池组　小型风光互补型发电系统的储能装置大多使用阀控式铅酸蓄电池组，蓄电池通常在浮充状态下长期工作，其电能量比用电负载所需的电能量大得多，多数时间处于浅放电状态。蓄电池组的主要作用是能量调节和平衡负载：当太阳能充足、风力较强时，可以将一部分太阳能或风能储存于蓄电池中，此时蓄电池处于充电状态；当太阳能不足、风力较弱时，储存于蓄电池中的电能向负载供电，以弥补太阳能电池阵列、风力发电机组所发电能的不足，达到向负载持续稳定供电的目的。

④ 控制器　控制器根据日照强度、风力大小及负载变化情况，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。当太阳能和风力发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池组存储的电能送往负载，以保证整个系统工作的连续性和稳定性。

（4）备用柴油发电机组

当连续多天没有太阳、无风时，可启动柴油发电机组对负载供电并对蓄电池补充电，以防止蓄电池长时间处于缺电状态。一般柴油发电机组只提供保护性的充电电流，其直流充电电流值不宜过高。对于小型的风光互补发电系统，有时可不配置柴油发电机组。

风光互补发电系统比单独光伏发电或风力发电具有以下优点。

① 利用太阳能、风能的互补性，可以获得比较稳定的输出，发电系统具有更高的稳定性和可靠性。

② 在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

③ 通过合理的设计和匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

2.3.1.2　太阳能光、热互补型发电系统

如图2-20所示为太阳能光、热互补型发电系统的构成。在日常生活中所使用的电能与热能同时利用的太阳光-热混合集热器就是其中的一例。光、热互补型发电系统用于住宅负载时可以得到有效利用，即可以有效利用设置空间、减少使用的建材以及能量回收年数、降低设置成本以及能源成本等。太阳光-热混合集热器具有太阳能热水器与太阳电池阵列组合的功能，它具有如下特点。

① 太阳能电池的转换效率大约为10%，加上集热功能，太阳光-热混合集热器可使综合能量转换效率提高。

② 集热用媒质的循环运动可促进太阳能电池阵列的冷却效果，可抑制太阳能电池单元随温度上升而转换效率下降。

2.3.1.3　太阳能光伏、燃料电池互补型发电系统

如图2-21所示为太阳能光伏、燃料电池互补型发电系统的系统组成，燃料电池所用燃料为都市煤气。该系统可以综合利用能源，提高能源的综合利用率。将来可作为个人住宅电源使用。太阳能光伏、燃料电池系统由于使用了燃料电池发电，因此可以节约电费、明显降低二氧化碳的排放量、减少环境污染，环境友好。

2.3.1.4　小规模新能源电力系统

如图2-22所示为小规模新能源电力系统。该系统由发电系统、氢能制造系统、电能存储系统、负载经地域配电线相连构成（图中的虚线表示如果需要的话也可与电力系统并网）。发电系统包括太阳能光伏系统、风力发电、生物质能发电、燃料电池发电、小型水力发电（如果有水资源）等；负载包括医院、学校、公寓、写字楼等民用、公用负荷；氢能制造系统用来将地域内的剩余电能转换成氢能。当其他发电系统所产生的电能以及电能存储系统的电能不能满足负载的需要时，通过燃料电池发电为负载供电。

小规模新能源电力系统具有如下特点。

① 与传统的发电系统相比，小规模新能源电力系统由新能源、可再生能源构成。

② 由于使用新能源、可再生能源发电，因此不需要其他的发电用燃料。

③ 由于使用清洁能源发电，因此对环境没有污染，环境友好。

④ 氢能制造系统的使用，一方面可以使地域内的剩余电力得到有效利用，另一方面可以提高系统的可靠性、安全性。

一般来说，小规模新能源电力系统与电力系统相连可提高其供电的可靠性与安全性。但由于该系统有氢能制造系统和燃料电池以及电能存储系统，因此，需要对小规模新能源电力系统的各发电系统的容量进行优化设计，并对整个系统进行最优控制，以保证供电的可靠性与安全性，尽可能使其成为独立的小规模新能源电力系统。

随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越大。能源消耗的迅速增加与环境污染的矛盾日益突出，因此清洁、可再生能源的应用是必然趋势。可以预见，小规模新能源电力系统与大电力系统同时共存的时代必将到来。

2.3.2　风光互补型光伏发电系统的控制器

风光互补型光伏发电系统主要由太阳能光伏电池、风力发电机组、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等部分组成，其中控制器是整个系统的心脏，其性能的优劣直接决定整个系统的安全性与可靠性。所以，对于风光互补型光伏发电系统而言，控制器的精心设计显得至关重要。下面以某单位研制的2kW风光互补型光伏发电系统控制器为例，详细讲述其结构组成、各电路工作原理及主要性能指标等。

2.3.2.1　结构组成

独立运行的2kW风光互补型发电系统控制器主要由主电路、驱动电路、整流电路、控制电路、辅助电源电路和显示电路等组成。各部分电路原理图如图2-23～图2-29所示，下面着重讲述各电路基本工作原理。

2.3.2.2　工作原理

（1）主电路

其主电路为Buck型DC/DC功率变换电路。由MOSFET功率开关管VT7、VT8、VT12、VT13、VT19、VT20、VT23、VT24、VT26、VT27、VT31、VT32，电感L，电容C19、C23、C26、C28、C31，续流二极管VD8、VD12、VD14、VD15、VD16等组成。

由于MOS管最大占空比为0.5，不能满足电路设计要求。为此本电路采用两组MOS管并联的方式，VT8、VT13、VT20、VT24、VT27、VT32为一组，VT7、VT12、VT19、VT23、VT26、VT31为一组，使两组MOS管交替工作，满足电路设计对占空比的要求。

（2）驱动电路

PWM信号有两组，即PWM1和PWM2，其中一组为备用信号。

由于SG3525输出的高频PWM脉冲信号不能直接驱动MOS管，所以需要专门的驱动电路。MOS管的驱动电路需要具备实现控制电路与被驱动MOS管栅极之间的电气隔离以及提供合适的栅极驱动脉冲两个功能。

以PWM1脉冲信号为例，三极管VT11、VT14及二极管VD21、VD22共同组成推挽电路，其作用是放大脉冲信号；由脉冲变压器T2实现控制电路与功率电路隔离，同时产生四组相同的脉冲信号，每组信号经三组驱动电路提供给三只MOSFET功率开关管。

由于各个MOSFET功率开关管的驱动电路均相同，所以以MOSFET功率开关VT8驱动电路为例进行说明。驱动电路采用栅极直接驱动的方式，由R16、R17、R19、R24、VD17和VT5组成，电路中有一个射极跟随器，并且在VT5的发射结反并了一个二极管VD17，其目的是为输入电容放电提供通路，增强电路驱动能力。

（3）整流电路

整流电路由整流桥B1、B2、B3、B4，保险管FU1、FU2，电容C8、C9构成。

整流桥B1、B2、B3、B4的作用是将交流电全桥整流，变为脉动直流电。其中，B1为太阳能光伏发电单相输入整流；B2、B3、B4为风力发电三相输入整流。保险管FU1、FU2对电路进行限流保护，当电流大于40A时自动切断电路，对电路实施保护。电容C8、C9构成滤波电路，其作用是将整流后的脉动直流电变换为较平滑的直流电，供下一级变换。

（4）控制电路

控制电路由U2（PIC16F684）、U5（SG3525）及其外围电路的组成，U2负责输入过欠压的检测与保护，蓄电池过欠压的检测与保护、蓄电池充放电管理，输出电压、电流显示等工作；U5在U2的控制下产生PWM脉冲，完成对功率电路的控制。

① 交流输入过欠压检测与保护　交流输入过压保护值为124V±3V，过压保护恢复值为114V±3V；交流输入欠压保护值为38V±3V，欠压保护恢复值为42V±3V；交流输入电压信号经VR1及其外围电路取样后被送到U2的12脚，U2检测后根据采样电压的高低确定是否需要关闭U5。

② 蓄电池过欠压检测与保护　蓄电池过压保护值为57.5V±1V，过压保护恢复值为53.5V±1V；蓄电池的欠压保护值为41V±1V，欠压保护恢复值为47V±1V；蓄电池的电压信号经VR3及其外围电路取样后被送到U2的11脚，U2检测后根据采样电压的高低，结合交流输入信号确定是否需要关闭U5，吸合继电器REL1等。

③ 蓄电池充放电管理　蓄电池的充、放电管理是控制器的核心，蓄电池的充电电压、充电电流，均浮充转换由U2（PIC16F684）与U5（SG3525）共同完成。

④ PWM脉冲控制电路　U5在U2的控制下工作，输出电压给定信号由U2的5脚送出，经R137、C24滤波后送到U5的2脚，此电压信号决定输出电压的高低；输出电流的大小由U4（LM358）及其外围电路决定，调节VR4的阻值即可调节输出电流的大小。输出电压、电流信号被送到U5的1脚，与2脚的给定信号比较后决定输出PWM脉冲的占空比，完成对PWM脉冲的控制。

⑤ 告警电路　U2在完成对输入电压、蓄电池电压、输出电压、输出电流的检测后，一旦发现任一项指标超限，立即给出告警信号，确保控制器正常工作。

·蓄电池过欠压时红色故障灯亮，同时切断蓄电池输入回路，有交流输入时直流输出不受影响，无交流输入时无直流输出。

·交流输入过压时红色故障灯闪，同时关闭内部功率变换电路，有蓄电池输入时直流输出由蓄电池供电，无蓄电池输入时直流无输出。

· 交流输入欠压时红色故障灯闪，有蓄电池输入时内部功率变换电路不关闭，直流输出由蓄电池和变换器共同供电，无蓄电池输入时内部功率变换电路关闭，直流无输出。

·直流输出过流时红色故障灯亮，同时关闭内部功率变换电路，有蓄电池输入时直流输出由蓄电池供电，无蓄电池输入时直流无输出。

（5）辅助电源电路

辅助电源电路利用反激式变换器电路和电流控制芯片UC3845进行设计。由电流控制芯片UC3845、变压器T1、三端稳压器U3：LM7805等主要器件组成。

蓄电池为UC3845提供正常工作电压，UC3845为开关管VT1提供控制脉冲。当开关管VT1导通时为电能储存阶段，这时可以把变压器看成一个电感，原边绕组的电流Ip将会线性增加，磁芯内的磁感应强度将会增加到最大值。当开关管VT1关断时，初级电流必定要降到零，副边整流二极管VD6和VD7将导通，感生电流将出现在副边，按照功率恒定原则，副边绕组安匝值与原边绕组安匝值应相等，能量通过开关管VT1的连续导通与关断由T1原边传递到副边。二极管VD6和VD7构成单相全波整流电路，将T1次级输出的高频交流电整流为脉动直流电。电感L1，电容C13、C53、C54构成滤波电路，将VD6、VD7整流后的高频脉动直流电转换为稳定的12V直流电，加在三端稳压器U3的输入端，U3输出稳定的5V直流电。12V和5V直流电为整个控制器提供辅助电源。其中电阻R118、R119和C16组成RC吸收电路，对整流二极管VD6和VD7提供保护。

（6）显示电路

显示电路主要由两个三位LED数码管SM420563以及两个通用数码管驱动芯片74HC595组成。通用数码管驱动芯片74HC595为三位LED数码管SM420563提供驱动信号，其中一只数码管显示输出电压，另一只数码管显示输出电流。

2.3.2.3　产品外观

图2-30～图2-32所示分别为2kW风光互补型发电系统控制器的前面板、后面板和内部结构。

2.3.2.4　性能指标

（1）输入电压

三相线电压：AC45～120V，50Hz±5Hz

（2）输出电压

均充电压：55.5V±0.3V

浮充电压：53.5V±0.3V

（3）输出电流

最大输出电流：40A±2A

均浮充转换电流：5A±2A

浮均充转换电流：8A±2A

（4）保护

① 交流输出欠压保护

过压保护值：124V±3V

过压保护恢复值：114V±3V

② 交流输入欠压保护

欠压保护值：38V±3V

欠压保护恢复值：42V±3V

③ 蓄电池过压保护

过压保护值：57.5V±1V

过压保护恢复值：53.5V±1V

④ 蓄电池欠压保护

欠压保护值：41V±1V

欠压保护恢复值：47V±1V

⑤ 输出过压保护

过压保护值：57.5V±1V

⑥ 蓄电池反接保护

（5）工作条件

温度：0～45℃

相对湿度：小于80%

（6）储存条件

温度：-10～60℃

相对湿度：小于80%

2.3.3　风光互补型发电系统的应用

（1）无电农村的生活、生产用电

中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量较为丰富的地区，因此利用风光互补型发电系统解决用电问题的潜力很大。采用标准化的风光互补型发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使得系统的经济性较差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等。这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

（2）半导体室外照明

世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球能源日趋紧张和环保意识逐渐提高的背景下，半导体室外照明的节能工作日益引起全世界的关注。

半导体室外照明的基本工作原理：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类LED室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通信功能，可以与后台计算机实现三遥管理（遥测、遥信、遥控）。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机“三遥”管理，重点是照明灯具的运行状况巡检以及故障和防盗报警。

目前已被开发的风光互补室外照明工程有：风光互补LED智能化车行道路照明工程（快速道/主干道/次干道/支路）、风光互补LED小区照明工程（小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等）、风光互补LED景观照明工程、风光互补LED智能化隧道照明工程等。

（3）航标灯电源系统

我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放电，灯光熄灭，影响了电池的使用性能甚至导致其损坏。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。

在天气不良情况下往往伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，在这种情况下，可以采用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补型发电系统代替传统的太阳能光伏发电系统。风光互补型发电系统具有环保、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。在太阳能配置能满足能源供应的情况下（夏、秋季），不启动风光互补型发电系统；在冬、春季或连续天气不良状况，太阳能发电不能满足负荷的情况下，启动风光互补型发电系统。由此可见，风光互补型发电系统在航标上的应用具备季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行，效果明显。

（4）监控摄像机电源

目前，高速公路重要关口（收费处、隧道中、急拐弯处、长下坡路段等）、城市道路人行道（斑马线处）以及其他重要地点（政府机关、银行、飞机场、火车站等）等处均安装有摄像机，这些地点的摄像机均要求24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，不利于节能；另外，高速公路摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费大大增加，增加了高速公路运营成本。应用风光互补型发电系统为高速公路重要关口等处的监控摄像机提供电源，不仅节能，而且不需要铺设线缆，减少了被盗的可能。

（5）通信基站电源

目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若仅采用柴油发电机组供电，存在运营成本高、系统维护困难等问题。而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富。此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，风光互补型发电系统是可靠性较高、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。在具备相关条件（经济条件、技术人员配置）的情况下，系统可配置柴油发电机组，以备太阳能与风能发电不足时使用。这样可大大减少系统中太阳能电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。

（6）抽水蓄能电站电源

风光互补抽水蓄能电站是利用太阳能和风能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行不定时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电与供电。这种能源开发方式将水能、太阳能与风能开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异达到互补开发的目的，适用于电网难以覆盖的边远地区，并有利于能源开发中的生态环境保护。

风光互补抽水蓄能电站的开发至少要满足以下两个条件：

① 三种能源在能量转换过程中应基本保持能量守恒；

② 抽水系统所构成的自循环系统的水量基本保持平衡。

虽然抽水蓄能电站电源与水电站相比成本电价略高，但是可以解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。

风光互补型发电系统的应用向全社会生动展示了太阳能、风能新能源的应用价值，对推动我国建设资源节约型和环境友好型社会具有十分重要的意义。