介绍了风能、太阳能互补特性，详细分析了风光互补发电的系统结构，给出了各部分工作原理，并结合传统的港口供电照明系统方案进行了优化，提出新的方案。
关键词：风光互补发电系统；节能环保；供电照明方案
引言
随着不可再生资源的日渐减少及紧张形势，可再生资源领域的深入研究、发展和应用已经成为了当前科技发展的必然趋势。当前，中国的能源情况并不乐观，因此我们对新能源的深入研究及应用发展显得刻不容缓。太阳能、风能发电系统日渐可靠化、独立化、成熟化，作为本领域内风生水起的两大新生力量，已经被广泛地应用到全球的很多行业，例如家用型风力发电系统、家用型太阳能发电系统等，它们有着绿色环保、能源丰富、节能减排、经济适用等特点，但受其能源密度低、稳定性差、不连续性等因素，往往被认为效率低。中国处于北半球的季风气候区域，春季秋季两个时节的风能源与太阳辐射适中，夏季时节的风能源小太陽辐射大，冬季时节的风能源大太阳辐射小，结合此情况，正好可利用风能与太阳能时间、空间的互补来实现稳定的能源输出，由此风光互补发电系统顺势而生。
传统的港口供电照明系统主要由场区高杆灯照明、栈桥及转运站照明系统构成，它们的电源一般直接取自于变电所或相应的馈线回路，大部分变电所均采用双母线分段运行三合二形式，可以保证供电的持续性，但长期运行从节能减排、经济适用方面考虑并不划算，况且如果变电站主站出现问题或者外部供电线路出现问题，将无法保证场区所必须的供电照明等。引入风电互补系统能够有效地解决此类问题，能充分利用海边的自然能源进而得以实现节能减排、绿色环保、经济适用的目的。本文通过对风光互补发电系统的深入研究，从而实现将它融入到港口照明供电系统的方案中，并且证明本方案的可行性。
1风光互补发电系统
1.1 风光互补发电系统的构成及工作原理
常见的风光互补发电系统由六大部分组成：
1）风力发电部分：通过风力机装置将外界的风能转换为自身的机械能，再通过内置发电机将机械能合理地转换为质量较高的交流电，通过电力电子整流器转化为直流电，再通过控制器的控制策略做出选择，直接给直流负载供电，对蓄电池进行充电，通过电力电子逆变器输出交流电对负载供电；
2）光伏发电部分：通过太阳能电池板光伏阵列的光生伏打效应将光能合理地转换为质量较高的直流电，然后通过电力电子DC/DC变换器后输出，再通过再通过控制器的控制策略做出选择，直接给直流负载供电，对蓄电池进行充电，通过电力电子逆变器输出交流电对负载供电；
3）逆变系统：由电力电子逆变器组成，可将输入的直流电转变为满足要求的交流电，从而输出给交流电负载设备正常使用，该系统同时具有稳压功能，大大的改善了输出电能的供电质量；
4）控制器部分：该部分为整个系统的大脑中枢，投运哪套发电系统由它决定，输出决策也由它决定，同时它还负责各部分的功率跟踪、蓄电池的充放电控制、保护显示等。它可以根据环境的阳光辐射强度、风能源的大小及负载的需求变化，通过内部的控制策略，不断调整蓄电池组的工作状态，在对直流或交流负载供电的同时，把多余的电能输入到蓄电池组以便存储。当周围环境不佳的情况下，发电量不能满足用电负载的需求，此时控制器会通过控制策略判断，从而调整蓄电池的状态，将储存的电能送往负载，从而保证了整个系统工作的可靠性、稳定性、连续性和安全性；
5）蓄电池组部分：作为该系统的备用电源仓库，由多块蓄电池串联组成，在本发电系统中起到能量储存、能量调节、能量供给、平衡负载等作用。
6）负载：作为用电的终端，包括直流负载、交流负载、泄荷负载等。
风光互补发电系统的构成和工作原理如图1所示。
1.2 风力发电部分
风能的特点主要有能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等[1]。
小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等[2]。
（1）风轮
小型风电机组的风轮一般由2到3片叶片构成，它是将外界的风能转化为机械能的关键部件，材质主要由复合材料构成。
（2）发电机
发电机通常采用永磁式交流发电机，此部位是将机械能转化为电能的重要部件。
（3）调向机构
为了更好的获得风能，风机需要及时根据风况调整迎风方向，小型风电机组一般采用尾翼结构来调整方向。
（4）调速机构
风轮转动并非越快越好，转动过快会造成飞车现象从而损坏各个部件，合理的调整转速才能使系统稳定而合理地输出机械能，小型风电机组一般采用侧偏式风轮调整；
（5）停车机构
风速较大时，小型风电机组需停机，目前常采用侧偏停机机构停机，一般在尾翼机构固定一根软绳。
1.3 光伏发电部分
光伏阵列能够有效地、稳定地将太阳能转换为电能，一般由多个太阳能电池经过串联并联组合构成。太阳能电池是光伏发电的最基本单元，种类有三种：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池[3]。单晶硅太阳电池转换率最高，但成本也最高；相比较，多晶硅太阳电池转换率较高，价格便宜，是现在最常见的材料；而非晶硅太阳电池的转换效率最低，生产工艺较为简单。目前，以晶硅材料为基础的高效电池和薄膜电池是基础研究工作的热点课题[2]。原理是电池板利用光伏效应（光生伏打效应）将太阳能高效地、稳定地转换成电能。光生伏打效应是半导体在吸收光能后， P-N结上会产生相应电动势的现象。
1.4 逆变系统
逆变系统是将直流电转化为交流电的系统，它的转换效率直接体现了负载的使用效率，从而在可行性、稳定性、安全性、經济性影响了整个系统。逆变系统通常由数台逆变器构成，将直流电转变为符合要求的交流电，为负载设备提供正常的电能，同时还具备自动稳压等保护功能，由此可大大改善该系统的效率。
1.5 控制器部分
控制器部分主要由主电路板、控制电路板、外围电路构成，是整个系统的中心部位。
主电路板通常由整流器、变换器、防反充二极管等构成。控制电路板作为整个系统的大脑中枢，多为单片机。外围电路通常由驱动电路、通讯电路、保护电路、电流采样电路、电压采样电路、辅助电源电路等构成。
发电系统输出的电能经过整流器整流和稳压电容、控制系统处理后给蓄电池充电。风速过高时，输出电压往往大于蓄电池电压，控制系统一般会通过输出脉冲（PWM）来控制电路通断，从而使多余的能量转移到卸荷电阻，从而实现对蓄电池的保护。为确保太阳能电池板的单向导电性，防止发电系统输出的整流电压和蓄电池电压对光伏阵列反向灌充，控制系统一般装设防反充二极管。控制系统中的二极管、保险丝构成了短路回路，蓄电池接反时，会烧毁保险丝，从而切断电路以实现保护系统的作用。为抑制mosfet管因过压、过流产生的开关损耗，控制系统主电路通常由两个具有缓冲电路的输出并联的变换器。主电路是由光伏发电系统主电路和风力发电系统主电路两个互相独立输出端并联的buck电路组成。电路中通常会存在分布电感、感性负载等，当mosfet管关断时，将会产生较大的浪涌电压，因此采用缓冲电路来预防浪涌电压。
1.6 蓄电池部分
蓄电池是整个系统的能量仓库，是系统正常工作的能源基地。风能、光能充沛情况下，可以储存多余的电能，在欠缺的情况下，可以为负载提供充足的电能，同时作为两大发电系统的“中枢”可以合理地调配以实现互补作用。蓄电池的滤波作用能构使系统输出的电能更加平稳。目前市面上本系统采用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池和碱性镍蓄电池。随着科学技术的不断创新和发展，储能方式多元化，超导储能、超级电容储能、燃料电池等新技术已经日渐成熟。综合经济型、便捷性、维护性、稳定性等条件，目前本系统采用铅酸蓄电池比较常见。
1.7 风光互补发电系统的特点
风光互补发电系统能够很好地克服风能、太阳能的随机性和间歇性的缺点，实现不间断发电供电，与单独的风电系统、光电系统相比有明显的优势[4]。系统的主要特点如下：
1.两种能源较为丰富，良好的互补性能够输出稳定的、可靠的、合格的电能供负载使用。
2.通过两大系统互补，可以减少原有单个系统的配置容量，从而大大缩减了投入成本。
3.合理利用可再生资源可以减少火电、核电供给的电量，在环保节能方面做出重大贡献。
4.可以合理地规避由于市电故障导致的供电问题。
1.8 结合港口供电照明系统的分析
现港口供电照明系统中能够引入风光互补发电系统的主要为小负荷回路，具体体现在普通照明、应急照明、维修电源等，我们可以根据现有的港口进行如下分析：
1、成本分析
现某港口配备500盏400w高压钠灯，500盏250w高压钠灯，现将400w、250w高压钠灯分别替换为150w、100w LED灯具，并引入风光互补发电系统，每年大概可以节省350万度电，虽然在前期引入此套设备增加了投入成本，但随着此类产品的成熟化、稳定性，几年内就可通过节省市电的使用来实现更大的经济效益。
2、方案难点分析
由于港口领域还未引入过风光互补发电系统，所以从初期设计阶段就要结合以下方面进行详细的计算和选型：
1）蓄电池容量的计算
2）不同高度和不同地点的风速仪选型
3）风力发电量
4）光伏发电量
5）控制策略的搭建
2结论
通过前面的阐述和分析，可以看出风光互补发电系统技术已经日渐成熟，它在港口工业领域的引入可以减少不可再生资源的消耗，同时提高可再生资源的利用率，减少对环境的污染，大大保证了港口供电照明的持续照明问题，提高了运营的经济型、安全性、稳定性。总之，随着工业发展的需求、时代脚步的前进、国家新能源政策的号召，风光互补发电系统必将引入到港口工业领域的供电照明系统内，并且成为一道靓丽的风景。
参考文献：
[1]黄素逸.能源与节能技术，北京：北京中国电力出版社，2004.4
[2]李俊峰.风力12在中国，北京：北京化学工业出版社，2005.5
[3]李学金.太阳电池及其电源系统设计，北京：节能，1999. 29-31
[4]李爽.风/光互补混合发电系统优化设计，中国科学院电工研究所硕士学位论文，2001.42-43