光伏发电系统常用类型分析

太阳能光伏发电系统根据负载性质、应用领域以及是否与电力系统并网等可以有多种多样的形式。根据负载性质的不同，太阳能光伏发电系统可分为直流光伏系统和交流光伏系统。根据应用领域的不同，太阳能光伏发电系统可分为住宅用、公共设施用以及产业设施用太阳能光伏系统等。住宅用太阳能光伏系统可以用于一家一户，也可以用于居民小区等；公共设施用太阳能光伏系统主要用于学校、机关办公楼、道路、机场设施以及其他公用设施等；产业设施用太阳能光伏系统主要用于工厂、营业场所、宾馆以及加油站等设施。根据是否与电力系统并网，太阳能光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。此外，太阳能光伏发电系统还有互补型光伏发电系统（混合系统以及小规模新能源系统等）。本章将着重介绍独立光伏发电系统、并网光伏发电系统以及互补型光伏发电系统的构成、特点及其应用。

（一）独立光伏发电系统

独立光伏发电系统（Stand-alone photovoltaic power generation system）不与电网相连，直接向负载供电，其主要应用在以下几个方面：一是通信工程和工业应用，包括微波中继站、卫星通信和卫星电视接收系统、铁路公路信号系统、气象台站、地震台站等；二是农村和边远地区应用，包括太阳能户用系统、太阳能路灯、水泵等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。鉴于我国边远山区多、海岛多的特点，独立运行的光伏发电系统有着广阔的市场。

独立光伏发电系统根据负载的种类，即是直流负载还是交流负载，是否使用蓄电池以及是否使用逆变器，可分为以下几种：直流负载直结型，直流负载蓄电池使用型，交流负载蓄电池使用型，直、交流负载蓄电池使用型等系统。

（1）直流负载直结型系统

在直流负载直结型系统中，太阳能电池与负载（如换气扇、抽水机）直接连接。该系统是一种不带蓄电池的独立系统，它只能在日照不足或太阳能光伏系统不工作等无关紧要的情况下使用。例如灌溉系统、水泵系统等。

（2）直流负载蓄电池使用型系统

直流负载蓄电池使用型系统，由太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器以及直流负载等构成。蓄电池组用来存储电能以供直流负载使用。白天阳光充足时，太阳能光伏发电系统把其所产生的电能，一部分供直流负载使用，另一部分（剩余电能）则存入蓄电池组；夜间、阴雨天时，蓄电池组向负载供电。这种系统一般用在夜间照明（如庭园照明等）、交通指示用电源、边远地区设置的微波中转站等通信设备备用电源、远离电网的农村用电源等场合。目前这种系统比较常用。

（3）交流负载蓄电池使用型系统

如图3-4所示，交流负载蓄电池使用型系统由太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器、逆变器以及交流负载等构成。该系统主要用于家用电器设备，如电视机、电冰箱和洗衣机等。由于这些设备为交流设备，而太阳能电池输出的为直流电，因此必须使用逆变器将太阳能电池输出的直流电转换成交流电。当然，根据不同系统的实际需要，也可不使用蓄电池组，而只在白天为交流负载提供电能。

图3-4　交流负载蓄电池使用型系统

（4）直、交流负载蓄电池使用型系统

如图3-5所示，直、交流负载蓄电池使用型系统由太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、直流负载以及交流负载等构成。该系统可同时为直流设备以及交流电气设备提供电能。由于该系统为直流、交流负载混合系统，除了要供电给直流设备，还要为交流设备供电。因此，同样要使用逆变器将直流电转换成交流电。

图3-5　直、交流负载蓄电池使用型系统

住宅用太阳能光伏发电系统大多采用直、交流负载蓄电池使用型系统，主要为无电、缺电的家庭和小单位以及野外流动工作的场所提供所需的电能，行业内经常称之为家用太阳能光伏发电系统或用户太阳能光伏发电系统等。其工作过程是：光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能，一部分经充放电控制器直接供给直流负载，另一部分经过逆变器将其直流电转换为交流电供给交流负载使用，与此同时还将多余的电能经充放电控制器以化学能的形式存储于蓄电池组中。在日照不足或夜间时，储存在蓄电池组中的能量经过逆变器后变成方波或SPWM波，然后再经滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50Hz的正弦电源供给交流负载使用。此时逆变器工作于无源逆变状态，为电压控制性电压源逆变器，相当于一个受控电压源。

住宅用光伏发电系统的容量一般在几百瓦到几十千瓦之间，主要用于照明和对常用家用电器（电视机、电冰箱、洗衣机甚至空调等）负荷供电。图3-6所示为住宅用光伏发电系统的应用场景。

图3-6　住宅用太阳能光伏发电系统应用场景

（二）并网光伏发电系统

并网光伏发电系统（grid-connected PV system）是指将太阳能光伏发电系统与电力系统并网的系统，它可分为无逆流并网系统、有逆流并网系统、切换式并网系统、自立运行切换型系统、地域并网型太阳能光伏系统、直流并网光伏发电系统、交流并网光伏发电系统以及小规模电源系统等。

（1）无逆流并网系统

在正常情况下，相关负载由太阳能电池提供电能；而当太阳能电池所提供的电能不能满足负载需要时，负载从电力系统得到电能；如果太阳能电池所提供的电能除满足负载要求外，还有剩余电能，但系统并不把剩余电能流向电网。人们将此类光伏系统称之为无逆流并网系统，如图3-7所示。

图3-7　无逆流并网系统

由上述分析可知，在无逆流并网系统中，当太阳能电池的发电量超过用电负载量时，只有通过某种手段让太阳能光伏系统少发一部分电，从而避免白白损失一部分太阳能。为了克服上述缺点，有逆流并网系统应运而生。

（2）有逆流并网系统

在正常情况下，相关负载由太阳能电池提供电能；而当太阳能电池所提供的电能不能满足负载需要时，则负载从电力系统得到电能；如果太阳能电池所提供的电能除满足负载要求外，还有剩余电能且能让剩余电能流向电网，人们就将此类光伏系统称之为有逆流并网系统（图3-8）。对于有逆流并网系统来说，由于太阳能电池产生的剩余电能可以供给其他负载使用，因此可以充分发挥太阳能电池的发电能力，使电能得到最大化利用。

图3-8　有逆流并网系统

有逆流并网系统的最大优点是可省去蓄电池。这不仅可节省投资，使太阳能光伏系统的成本大大降低，有利于太阳能光伏系统的普及，而且可省去蓄电池的维护、检修等费用，所以该系统是一种十分经济的系统。目前，不带蓄电池、有逆流的并网式屋顶太阳能光伏系统正得到越来越广泛的应用。

（3）切换式并网系统

切换式并网系统如图3-9所示，该系统主要由太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、自动转换开关电器（ATSE，Automatic Transfer Switching Equipment，由一个或几个转换开关电器和其他必需的电器组成，主要用于监测电源电路过压、欠压、断相、频率偏差等，并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器，如市电与发电的转换、两路市电的转换，主要适用于低压供电系统，即额定电压交流不超过1000V或直流不超过1200V，在转换电源期间中断向负载供电）以及负载等构成。正常情况下，太阳能光伏系统与电网分离，直接向负载供电。而当日照不足或连续雨天，太阳能光伏系统出力不足时，自动转换开关电器自动切向电网一边，由电网向负载供电。

图3-9　切换式并网系统

不难看出，切换式并网系统是在独立发电系统的基础上，在用电负载侧增加一路交流市电供电，与太阳能光伏发电经逆变的交流供电回路组成ATSE双电源自动切换，供电给交流用电负载。对于直流用电负荷，把交流市电整流同样可组成ATSE双电源自动切换直流供电系统。这种并联光伏发电系统的供配电方式，显然比独立发电系统优越得多。它除了具有独立光伏发电系统的灵活、简单，适用于分散供电场所和应用普遍的特点外，其最大的优点是一旦太阳能光伏系统供电不足或中断，可借助ATSE自动切换，由市电供电，满足用电需要，从而提高了供电的可靠性，同时也可使系统减少配置蓄电池组的容量，节约一定的投资。

但是，ATSE自动切换装置的切换时间是毫秒到秒量级，在切换期间负载供电是要中断的，这可能导致许多用电设备不能正常工作，甚至可能造成相关设备数据丢失或设备损坏，所以必须要注意，切换式并网系统并不是一种不间断供电系统。

（4）自立运行切换型系统

自立运行切换型系统（图3-10）一般用于救灾等特殊情况。通常，该系统通过系统并网保护装置与电力系统连接，太阳能光伏系统所产生的电能供给负荷。当灾害发生时，系统并网保护装置使太阳能光伏系统与电力系统分离。带有蓄电池的自立运行切换型系统可作为紧急通信电源、避难所、医疗设备、加油站、道路指示、避难场所指示以及照明等的电源，当灾害发生时向灾区紧急负荷供电。

图3-10　自立运行切换型系统

（5）地域并网型太阳能光伏系统

传统的太阳能光伏并网系统结构如图3-11所示，主要由太阳能电池、逆变器、控制器、自动保护系统以及负荷等构成。其特点是太阳能光伏系统分别与电力系统的配电线相连。各太阳能光伏系统的剩余电能直接送往电力系统（称为卖电）。当各负荷所需电能不足时，直接从电力系统得到电能（称为买电）。

传统的太阳能光伏系统存在如下的问题：

1）成本问题

目前，太阳能光伏系统的发电成本较高是制约太阳能光伏发电普及的重要因素，如何降低成本是人们最为关注的问题。

图3-11　传统的太阳能光伏并网系统结构

（I：民用负荷，L：公用负荷，PV：太阳能电池）

2）逆充电问题

所谓逆充电问题，是指当电力系统的某处出现事故时，尽管将此处与电力系统的其他线路断开，但此处如果接有太阳能光伏系统的话，太阳能光伏系统的电能会流向该处，有可能导致事故处理人员触电，严重的会造成人员伤亡。

3）电压上升问题

由于大量的太阳能光伏系统与电力系统并网，晴天时太阳能光伏系统的剩余电能会同时送往电力系统，使电力系统的电压上升，导致供电质量下降。

4）负荷均衡问题

为了满足最大负荷的需要，必须相应地增加发电设备的容量，但这样就会使设备投资额增加，不经济。

如图3-12所示，地域并网型太阳能光伏系统在一定程度上解决了上述问题。图中的虚线部分为地域并网型太阳能光伏系统的核心部分。各负荷、太阳能光伏电站以及电能储存系统与地域配电线相连，然后与电力系统的高压配电线相连。

图3-12　地域并网型太阳能光伏系统

太阳能光伏电站可以设在某地域的建筑物的壁面，学校、住宅等的屋顶、空地等处，太阳能光伏电站、电能存储系统以及地域配电线等相关设备可由独立于电力系统的第三者（公司）建造并经营。

地域并网型太阳能光伏系统的特点如下：

①太阳能光伏电站（系统）发出的电能首先向地域内的负荷供电，有剩余电能时，电能存储系统先将其储存起来，若仍有剩余电能则卖给电力系统；当太阳能光伏电站的出力不能满足负荷需要时，先由电能储存系统供电，仍不足时则从电力系统买电。这种并网系统与传统的并网系统相比，可以减少买、卖电量。太阳能光伏电站发出的电能可以在地域内得到有效利用，可提高电能的利用率，降低成本，有利于光伏发电的应用与普及。

②地域并网型太阳能光伏系统通过系统的并网装置（内设有开关）与电力系统相连。当电力系统的某处出现故障时，系统并网装置检测出故障，并自动断开开关，使太阳能光伏系统与电力系统脱离，防止太阳能光伏系统的电能流向电力系统，有利于系统检修与维护。因此，这种并网系统可以很好地解决逆充电问题。

③地域并网型太阳能光伏系统通过系统并网装置与电力系统相连，所以只需在并网处安装电压调整装置或使用其他方法，就可解决由于太阳能光伏系统同时向电力系统送电时所造成的系统电压上升问题。

④负荷均衡问题。电能储存装置可以将太阳能光伏发电的剩余电能储存起来，可在最大负荷时（用电高峰期）向负载提供电能，因此可以起到均衡负荷的作用，从而大大减少调峰设备，节约投资。

（6）直流并网光伏发电系统

太阳能光伏发电系统要与城市电力系统并网运行，由于前者是直流电，而后者通常是交流电，因此只有两种方法：一是把太阳能光伏发电系统的直流电逆变成交流电，再与交流电并网运行；二是把城市电力系统的交流电整流成直流电，再与太阳能光伏发电系统的直流电并网运行。从实际运用看，并网系统也可以分为直流并网系统和交流并网系统。

直流并网光伏发电系统接线原理图如图3-13所示。对于中小型光伏发电系统，采用交流变直流再并网的运行方式有许多可取之处，主要表现在以下几方面。

1）并网简单易行

图3-13　直流并网光伏发电系统接线原理图

众所周知，交流并网需要两交流系统的电压、频率、相位相同或相近，然后采用准同期或自同期进行并网。而直流并网只需两系统的正负极性相同、电压相等就可以并网运行。图3-13中的太阳能光伏发电系统输出直流电压、光伏电池板、蓄电池组按一定电压值配置，经充放电控制器控制，数值基本上是稳定的。交流系统经晶闸管整流直流调压，其技术成熟稳定，可达到无级直流调压。因此，直流并网系统相对交流并网系统简单易行。

2）投入主要设备简单经济，技术成熟可靠

直流并网投入的主要设备是大功率晶闸管整流设备，交流并网投入的主要设备是大功率晶闸管变压、变频逆变器。前者仅整流和调压，一般只需要采用三相桥式半控（或可控）整流，仅控制晶闸管触发回路脉冲信号的控制角，从而改变晶闸管导通角大小，达到整流和无级调压，输出一定值的直流电源电压。

后者是从直流变交流，为了断开晶闸管，一般采用与负载并联或串联的电容器，所需晶闸管数量是半控整流电路的2倍。晶闸管触发回路不仅要像整流一样控制晶闸管导通角的大小，达到一定的交流电压值，还需要控制其触发频率，控制三相交流输出按50Hz正弦函数规律周期性地改变输出电压值的大小和正负，控制三相电压相位互差120°等，最后达到输出50Hz、平衡对称、有一定大小电压值、按正弦函数变化的交流电源电压。不难看出，前者过程相对简单，设备经济，技术相对容易、成熟、可靠。

3）电源功率输出的调节、控制方便

从图3-13看出，直流母线经2V二极管分成Ⅰ、Ⅱ两段，Ⅰ段是市电直流电源段，Ⅱ段是共用的直流负载输出段。中小型太阳能光伏发电系统发电能力不大，为达到一定程度的稳定和连续性发、供电，宜根据发电容量的大小，适配一定容量的蓄电池，作为积累光伏发电的功率能量，但它不同于作为存储、备用的蓄电池配置。

该并网发电系统正常运行方式应当是让太阳能光伏发电系统发出的全部功率，经Ⅱ段母线配电输出给负载供电。只有当光伏发电功率不足或中断时，才由市电通过2V二极管向Ⅱ段用电负荷供电，补充或全部供给负载用电需要，达到最经济的运行方式。但是，要达到这种最经济的运行方式，只有合理控制Ⅰ、Ⅱ段的母线电压正负差值大小方可实现。

当Ⅱ段电压高于Ⅰ段，电压差值为正，光伏发电系统输出功率，反之，市电输出部分或全部用电功率。由于太阳能光伏发电系统最终是靠蓄电池组的充放电来实现发供电的，每种蓄电池都有最佳的充电电压和允许的放电终止电压值，由充放电控制器控制，因此只要设定当Ⅱ段电压低于蓄电池组允许的放电终止电压值时，就意味着太阳能光伏发电系统输出功率满足不了负载需要。这时，调节市电系统整流器的输出电压值以及2V二极管的节数，使Ⅰ段电压克服2V压降后，恰好大于Ⅱ段的电压值，达到Ⅰ段向Ⅱ段补充供电，满足负载用电的需要，又维持Ⅱ段电压在蓄电池允许的放电终止电压值。当太阳能光伏发电系统输出功率增加时，蓄电池放电电压克服1V二极管压降后又大于这时Ⅱ段的电压，太阳能光伏发电系统加大供电，直到Ⅱ段电压高于Ⅰ段，市电又停止供电。以上控制过程，最终只需要控制和维持Ⅰ、Ⅱ段的电压值和电压差，就能达到调节和控制功率输出的目的，其过程比较简单和方便，而且可完全实现自动化控制。

4）能有效防止逆功率反送

防止逆功率反送包括两个方面：一方面要防止光伏系统向市电系统反送功率，另一方面也要防止后者向前者反送功率。装2V多节二极管一是为了调节、控制Ⅰ、Ⅱ段母线的电压差值，二是为了防止太阳能光伏发电系统向市电系统反送电。此外，在隔离变压器T1的市电侧，装设带有逆变功率保护的空气断路器QF，以便更加可靠地保证光伏系统不会向市电系统逆功率反送。同理，装设1V二极管，是为了防止市电系统向光伏系统倒送电。

5）用电负载形式多样化

由于太阳能光伏发电系统是直流供电系统，因此可直接向直流负载供电，如直流电动机、LED灯、直流电源等，工业上还有直流电镀、电解等，可以直接向变频调速的交流电机负载供电，减少交流供电变频调速过程的交—直—交中的交—直环节，可以借助逆变器向交流负载供电。由于该系统是单独的用电负载，逆变器功率小，不会像大功率电源逆变器影响面大。直流供电没有无功的传递，损耗小，单相输送，选用的电缆根数少。

6）采用防止谐波对市电系统影响的措施

在市电供电系统中，配置1∶1电压变比的变压器T1，并按照Dd12的方式接线，就是为了有效地防止直流系统产生的多次谐波，主要是三次谐波窜入市电系统，影响市电供电电能的质量。

直流并网光伏发电系统具体的供配电方式，应根据用电负荷的重要性、容量大小、分布情况、负荷特性等具体情况，灵活合理地选用。

（7）交流并网光伏发电系统

交流并网光伏发电系统主要由太阳能电池方阵和并网逆变器等组成，其原理如图3-14所示。白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经并网逆变器直接转换为交流负载供电。

图3-14　交流并网光伏发电系统原理图

图3-15所示为某10kW交流并网光伏系统图，主要由光伏阵列、并网逆变器以及直流、交流配电柜等构成。系统采用13串3并阵列组合，以最终构成3个独立单相并网逆变系统连入三相四线电网，每块电池板的功率为85Wp（Wp即太阳能电池峰值功率）。这种设计的优点在于系统运行可靠性高、容易维护，而且即使某相发生故障，其他两相仍可继续发电。

图3-15　某10kW交流并网光伏系统

从图3-15可以看出，该交流并网光伏系统的并网逆变器与直流、交流配电柜分开配置。其中，直流、交流配电柜内主要包括交、直流保护开关，防雷组件，直流电压表，直流电流表，交流电压表以及三相电度表等。在光伏阵列输出端以及三相四线制市电输入端均加装防雷器，以确保系统安全可靠运行。图3-16所示为深圳国际园林花卉博览园1MW BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一体化）并网光伏系统实景图。

图3-16　深圳国际园林花卉博览园1MW BIPV并网光伏系统实景图

（三）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：太阳能电池的出力不稳定，需使用其他的能源作为补充时和太阳能电池的热能做综合能源加以利用时。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得最广泛。

1.互补型光伏发电系统的类型

（1）风光和风—光—柴互补型发电系统

风光互补发电系统（图3-17）主要由风力发电机、太阳能电池阵列、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，风—光—柴互补发电系统（图3-18）比风光互补发电系统多了一个柴油发电机和一个调节控制器，图3-19所示为风光互补路灯实景图。风光和风—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。

图3-17　风光互补发电系统结构框图

图3-18　风—光—柴互补发电系统结构框图(www.xing528.com)

图3-19　风光互补路灯实景图

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“光生伏特效应”。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使用的电能。

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。作为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，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。

图3-20为风力发电机输出功率曲线，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。

图3-20　风力发电机输出功率曲线

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。因此，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、逆变器、蓄电池组和控制器等组成。

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，因此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，启动柴油发电机组可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）太阳能光、热互补型发电系统

图3-21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能电池阵列组合的功能，它具有如下特点。

图3-21　太阳能光、热互补型发电系统

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。

（3）太阳能光伏—燃料电池互补型发电系统

图3-22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。

图3-22　太阳能光伏—燃料电池互补型发电系统

（4）小规模新能源电力系统

图3-23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，该系统通过燃料电池发电为负载供电。

图3-23　小规模新能源电力系统

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，尽可能使其独立。

我国经济快速发展，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共存的时代必将到来。

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。

（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3-24、图3-25所示，下面着重讲述各电路基本工作原理。

图3-24　2kW风光互补型光伏发电系统控制器主电路及驱动电路原理图

图3-25　2kW风光互补型光伏发电系统控制器整流电路原理图

（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，因此本电路采用两组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，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。

④PWM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。

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的意义。

（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是太阳能和风能以互补的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的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。这种情况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、春季或出现连续天气不良的状况，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）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、山区没有电网覆盖，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。