1．开发背景
牧区户用微电站系统是一套离网发电应用系统，该系统是利用太阳电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。
牧区户用发电站是由风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电，夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。
系统主要由风力发电机、太阳电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成的一个发电系统，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。
由于太阳能与风能的互补性强，牧区户用发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以牧区户用发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
2．技术构成
图1是一种牧区户用微电网系统的原理框图，一套独立运行的牧区户用微电网系统由风力发电机、太阳电池阵列、逆变控制一体机、蓄电池和负载等组成。基于这种系统框架进行，从能量角度看，整个牧区户用微电网系统由能量产生、存储、消耗环节三部分组成。风力发电和太阳能发电部分属于能量产生环节，分别将具有不确定性的风能、太阳能转化为稳定的能源；为了最大可能的消除由于天气等因素引起的能量供应与需求之间的不平衡，引入蓄电池来调节和平衡能量匹配，系统中的蓄电池来承担能量的储存。
风力发电机AC/DC逆变控制一体机交流负载太阳电池 电子卸荷太阳电池图1牧区户用微电网系统的原理框图
风力发电机输出交流电，经整流后变成直流电，它与太阳电池方阵输出的直流电经逆变控制一体机的控制，对蓄电池进行充电。逆变控制一体机除了控制风力发电机和太阳电池方阵对蓄电池的充电外，还包括实现对蓄电池向负载放电的管理，与系统运行时的参数的采集与通信功能。具体如下：
发电部分：每户由1台1.5KW的风力发电机和1.5KW的太阳电池方阵组成，完成风、光能对电能的转换，并且通过逆变控制一体机与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。
逆变控制一体机及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。
供电部分：由逆变控制一体机组成，可把来自发电部分和蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。
3．方案特点
●完全利用风能和太阳能来互补发电，无需外界供电； ●免除建变电站、架设高低压线路和高低压配电系统等工程； ●具有昼夜互补、季节性互补特点，系统稳定可靠、性价比高； ●电力设施维护工作量及相应的费用开销大幅度下降； ●独立供电，在遇到自然灾害时不会影响到全部用户的用电； ●低压供电，运行安全、维护简单。
4. 1.5KW垂直轴风力发电机
4.1风机结构及其功率特点
4.1.1 风机结构
如图2，根据空气动力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线3-5个叶片组成，由
4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。
图2
垂直轴风力发电机
4.1.2功率特点
根据H型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。
4.1.3机组特点：
●360度捕风能力，1米/秒微风启动 ●运用钕铁硼永磁材料，超载能力强。 ●封闭式输电滑环，电缆不缠绕。 ●具有防腐、防酸雨、防盐碱的特性。 ●微型风机，2.5级风发电储能。 ●使用寿命长达15年。
●具风向调节，超强风控制功能。 ●过充过放保护，直流恒压充电。 ●运行简单，无人工值守与特殊维护。
●可安装在公共设施、公司、住宅等屋顶的空间内供电 ●耐强风结构，无噪音、振动、不妨害信号的传播
●低风领域到高风领域电力输出稳定，安装地域广泛,实际占地面积少，对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形恶劣的条件下均可运用。
●可多台连接使用，和太阳电池板组合互补发电
4.1.4 垂直轴风力发电机优势
●旋转缓和，无噪音，低振动 ●360度受风，效率高 ●风机启动风速只需1m/s ●可设置于地面，维修方便
4.1.5 具体详细参数
风力发电机详细参数如表1所示：
表1 1.5KW垂直轴风力发电机详细参数 启动风速m/s 切入风速m/s 额定风速m/s 额定转速rpm 额定功率w 风轮直径m 风叶数量pcs 叶片长度m 最大风速m/s 叶片宽度m 重量kg 2.0 3.0 12.0 100 10000 4.5 3.0 7.5 60 0.7 742.6 4.2 电池选型
蓄电池它的主要作用就是消除由于天气等原因引起能量供给和需求的不平衡，在整个系统中起到电能调节和平衡负载的作用。当发电量大于负载消耗量时，系统给蓄电池充电，当发电量小于负载消耗量时，蓄电池给负载供电，仍未达到过速保护的状态时，系统仍需要给负载或蓄电池供电。
蓄电池选择GFM型阀控密封铅酸（胶体）电池，是采用当代先进技术研制开发的新型
高能蓄电池，各项性能指标符合YD/T799-2002及IEC标准。该产品具有密封安全可靠，比能量高，内阻小，自放电率低，充电接受能力强，循环寿命长，密封反应效率高等诸多优点。在正常使用时无游离电解液，无酸雾溢出，维护使用方便，可广泛用于牧区户用系统等领域。其特点有：
●高强度ABS塑料电池槽、盖，结构紧凑，具有耐冲击，抗震动性能好的特点； ●特种铅基多元合金板栅，内阻小，耐腐蚀性好，充电接受能力强； ●新型极板制造工艺，活性物质利用率高； ●优质超细玻璃纤维隔板，大电流放电性能好； ●高纯度电解液和特殊添加剂，自放电小；
●多层密封技术和特殊的密封胶，确保电池无泄漏，无酸雾逸出，安全可靠。
4.3风力发电机电子卸荷
由风力发电机的电动原理可知，当负载为轻载时，风力发电机的机械功率大于其输出电功率时，风力发电机端部电压升高，其转速将要增加；反之，当负载为重载时，则风力发电机的转速将要下降，电压降低。因此，可以通过电子卸荷控制风力发电机的输出功率、旋转速度，完成对风力发电机的转速和电压的调节。
其原理图如图：
图3 风力发电机电子卸荷控制简图
如图3，由L9、D20、C2、R2、Q4构建成开关型电子负载模型,通过调节图中U2控制电路驱动信号的占空比控制Q4的脉宽变化就可以实现等效负载的变化，因为，Q4的开断可以实现对电容器C2的放电控制，并随Q4开通的占空比呈线性变化，从而达到控制风力发电机转速和电压的目的。因此，调节控制电路驱动信号的占空比就可以有效控制风力发电机的输出功率，进而使得风力发电机实现变速运行，实现功率跟踪。
5．1.5KW太阳电池方阵
5.1主要特点
图4 太阳电池方阵
如图4所示，为太阳电池方阵，其特点如下：
太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击；可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；运行成本很低；没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用；也不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源；
5.2 1.5KW太阳电池方阵构成
260W多晶硅光伏组件，6块，2串3并，组成1.5KW的太阳电池方阵，单个组件由60片单体太阳电池串联构成，开路电压37.5V，工作电压30V。尺寸1650*990*45光电转换效率约为16%，在测试标准（环境）: 辐照度 1000 W/m2, 环境温度25 °C, AM=1.5; 功率公差范围: ± 3%条件下，具体参数如表2。
表2 260W多晶硅光伏组件
峰值功率 (Pmax) 峰值电压 (Vmp) 开路电压 (Voc) 峰值电流 (Imp) 短路电流 (Isc) 电池片转换效率 太阳能电池板工作环境 最大系统电压 二极管 正负公差 290 W 36.25 V 43.5 V 8.0A 8.8A 16.6% -40 °C ～ +85 °C 1000 V DC (IEC) / 600 V DC (UL) 3 by pass / 6 by pass ±3% 5.3方阵支架
方阵支架选择C型槽钢，表面热镀锌处理，固定倾角方式，抗风特性好，最大可承受 60m/s风力载荷，最大可承受 1.4KN/㎡的雪荷载，根据内蒙安装地区的气象资料，经计算，选择倾角37度，保障全年平均发电量最大。光伏支架系统仅由少数配件组成，无需现场钻孔或者焊接能在工地快速组装，有效提高安装效率，节约工期。可调节，安装正确的角度提高发电效率。
6.逆变控制一体机
控制逆变一体机是集风力发电控制、太阳能控制和逆变于一体，设备内部主要由DC/DC变换器、逆变器和控制器组成，目的是为了将输入的48V直流电逆变成额定电压输出的正
弦波交流电，供用户负载使用。
风力发电机和太阳电池发出的不稳定能源通过控制器后，可以变为可供控制管理的能源形式。
6.1 主要特点
●逆变控制一体机的存在，使用户接线更为方便；
●纯正弦波输出：相对于方波或修正正弦波（阶梯波）具有更强的带负载效果和带负载能力。设备可带感性负载和其它任何类型的通用交流负载，带冰箱、电视机和收音机等设备无干扰和噪音，且不会影响负载设备的性能和寿命。
●稳定性高：由于本系统具有过压、欠压、过载、过热、短路、反接、防雷、蓄电池开路保护、PWM卸载等完善的保护功能，从而确保了系统的稳定性。
●控制逆变一体：结构简单，维护方便。
●高效率变压器隔离：整机逆变效率高，空载损耗低。
●数字化智能控制： 核心器件采用功能强大的单片机进行控制，使得外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，从而确保了优异的性能和稳定性。其具体参数如下表所示：
表3 逆变控制一体机详细参数
逆变一体机参数规格 功率规格 直流输入规格 额定电压规格 工作电压范围 低压警告 3KW DC48V DC48V-AC220V 40V-64V 42Vdc ± 0.3Vdc 低压断电 低压恢复 高压警告及断电 高压恢复 逆变效率 额定电压规格 低压关断点 低压恢复点 高压关断点 高压恢复点 充电规则 40.0Vdc ± 0.3Vdc 48.0Vdc ± 0.3Vdc 64Vdc ± 0.3Vdc 62Vdc ± 0.3Vdc ≥90% 220VAC系统 180Vac±4% 195Vac ±4% 260Vac±4% 255Vac±4% 三个阶段: 110VAC系统 85Vac±4% 90Vac ±4% 135Vac±4% 130Vac±4% 恒流充电(恒流阶段)→恒压充电(恒压阶段)→浮充(恒压阶段) 供电时效率 交流输出规格 输出电压 (V) ≥98% 220VAC 输出电压范围 ±10% rms 额定输出频率(Hz) 功率因数 输出波形 波形失真率 ( THD ) 动态响应 ( 0～100% ) 峰值系数( CF ) 过载保护 (SMPS load) 压 50Hz ± 0.3Hz 1.0 纯正弦波 ≤3%( 线性负载 ) 5% 3:1 (110%<负载量<125%) ±10% ：15分钟后断开输出电(125%<负载量<150%) ±10% ：1分钟后断开输出电压 负载量>150% ±10% ：20秒钟后断开输出电压 其他说明 连续运行时间 正常开机空耗 节能模式空耗 安全认证 通讯接口 可以连续运行 ≤额定功率×2% ≤6W CE(EN62040-1) EMC ：EN62040-2, C2 RS485 / 可定制 冷却 噪音( dB、1米 ) 使用环境温度( ℃ ) 温控变速风扇散热 ＜60dB -10～+40 存储环境温度( ℃ ) -20～+55 使用环境湿度 使用海拔( m ) 显示方式 告警方式 保护功能 0-95%相对湿度（不结露） ≤5000( 超过1000米，降额使用 ) LED指示类+LCD液晶显示 蜂鸣器声音告警\\LCD显示告警 低压保护，高压保护，高温保护，短路保护，漏电保护，过流保护，过载保护，低压恢复，高压恢复，智能温控，故障告警 防护等级 IP20 / 可定制 6.2 逆变控制一体机原理图
风力发电机AD/DC逆变控制一体机电子卸荷太阳电池方阵DC48V控制器AC220V 50HZ交流负载DC/DC变换器逆变器电池 图5 逆变控制一体机原理图
如图5所示，电能产生环节可以分为风力发电和光伏发电两个部分，风力发电机配备了电子卸荷系统，风力发电经过不可控三相整流桥后，与光伏发电的电能直接送入DC/DC变换器，从而实现无差别对待。
电能变换环节即逆变控制一体机主要由DC/DC变换器、逆变器和控制器组成。风力发电机组产生的三相交流电通过不可控制三相整流桥，经过电容稳波后送入 DC/DC 变换器，得到蓄电池充电所需的直流电，同时也可以送入逆变器中。
逆变器接收到DC/DC变换器送来的直流电，通过SPWM调制变换成标准的220V、50HZ的正弦交流电能，供给各种用电器。
6.2.1 DC/DC变换器
图6 DC/DC变换器电气简图
如图6所示，为逆变控制一体机中的DC/DC变换器电气简图，INPUT端口接收到来自电能产生环节的DC48V直流电后，工作灯泡点上电，经过C1稳波后，驱动4个IGBT管Q1-Q4进行变频，之后将高频低压交流通过高频隔离变压器后，输出2路10KHZ的方波信号，其中一路为AC 400V，一路经过整流桥为DC400V，经过高频变压后的电源效率高，一般可以达到90%，并且输出稳定。
6.2.2 逆变控制器
图7 逆变器电气简图
如图7所示，为逆变控制一体机中的逆变器电气简图，ACIN端口接收到来自DC/DC出口的AC 400V 信号后，工作指示灯上电，在启动驱动板进行电能逆变之前，接触器MCIA 断开，电能通过启动电阻R2经过整流桥BD1对4个电容E1-E4进行充电，之后MCIA闭合，通过4个IGBT,Q1-Q4进行SPWM调制，变换成标准的220V、50HZ的正弦交流电能，供给各种用电器。
6.2.3 控制器
图8 控制器电气简图
如图8所示，为逆变控制一体机中的控制器电气简图，图中左下端风机部分，为风力发电机备用卸荷方案。光伏方阵和风力发电机产生的电能通过2路通道进入DC/DC模块。风力发电机通过三相整流桥后，可以接到从1通道，光伏方阵的电能直接通过主通道，汇入DC/DC接口，此时DC通道控制Q5可以控制直流电对蓄电池的充电。电路中存在多路电流采样，将采样的信号送入系统中控电路中进行相应处理，使其对驱动板进行控制，同时存在显示及操作界面，方便用户查看逆变控制一体机的情况，从而进行相应的操作。
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