摘要 描述了机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所研制的风力／蓄能／柴油系统、光伏／蓄能／柴油系统、风／光互补系统和智能化风力／柴油／蓄能系统。三年多的实际运行证明这些系统设计合理、性能先进、运行可靠、经济效益显著。
关键词 风力／蓄能／柴油系统 光伏／蓄能／柴油系统 风／光互补系统 智能化风力／柴油／蓄能系统 独立系统 边远地区电气化
0 前言
近年来，国家和地方加大了基本建设、电力扶贫等多种项目的投资力度，电网覆盖面有了大幅度增加，但迄今仍有相当数量的乡（镇）、村落、海岛、边防哨所、散居农牧民由于远离电网和居住分散，难以通过延伸电网供电。据粗略统计，我国仍有约一亿人口尚未解决可靠供电问题，主要分布在内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃等我国中西部老少边地区以及浙江、山东、福建、江苏、广东等省的沿海岛屿。
这些人群居住边远、分散，大多数是边疆少数民族。由于历史和地理的原因，这些边远地区经济、技术、文化落后，生活水平低下，无电是阻碍其社会发展的重要原因之一。改革开放推动我国经济高速发展，但也出现了边远地区与其它地区差距越来越大的问题，解决边远地区供电问题的呼声日益强烈。这一问题的解决，对于加强民族团结，改善当地人民生活水平，发展地方经济，稳定社会，巩固边海防有着十分重要的意义。
机械工业部呼和浩特畜物机械研究所（ 内蒙古华德新技术总公司）多年来一直致力于风能、太阳能开发利用的研究，在国家计委、外经部、机械部、内蒙古计委及有关方面的领导和支持下，从1990年开始实施由德国政府援助的中德合作“应用风能、太阳能项目”。经双方共同努力，取得了如下成果。
1990～1993年：选择20个典型地点进行了２年风能、太阳能资源的连续测量、记录和评估，同时对100个不同类型的典型用户进行了调查，获得了几百万个数据。经过研究分析，为独立供电系统的研制开发奠定了基础。
1993～1996年：依据资源特点及用能模式开发研制了适用的多种风力发电、阳光发电、互补系统，并进行了示范。３年来的运行，证明这些系统技术先进、工作可靠，与常规柴油发电相比，经济效益十分显著。示范情况见表１。
本文将介绍适合我国边远地区的几种风力发电、阳光发电离网供电系统。
１、 边远地区风、光资源的特点
位于我国中西部的内蒙古、甘肃、新疆、青海、西藏等省区，仍有上万个村落没有通电。由于分布非常分散，用电量十分有限，采用延伸电网的方案，耗资巨大，因此是不可行的。而这些地区蕴藏着十分丰富的风能、太阳能资源。图１是内陆高原地区的风速在一天中的典型变化规律，表２是典型风频分布情况。
上述省区是我国光照最好的地区，年总辐射量为5000～7000MJ/m2。
风能与太阳能主要分布在白天，11:00～14:00为最高值；春、冬、秋三季风力强劲，夏季光照最强。这些是内陆高原气候所决定的特点。因此，要保证供电的稳定性、可靠性，在系统设计中就必须充分考虑储能／逆变技术以及风－光资源的互补性。
我国东南沿海风能资源丰富，尤其是沿海的二千多个岛屿，年平均风速一般在7m/s以上。开发风力资源，解决海岛的供电问题是切实可行的，但在系统设计中必须充分考虑抗台风和防盐雾腐蚀的问题。
２、 几种适用的风、光供电系统
2.1村落供电系统
乡政府所在地（蒙语称苏木）在村落供电问题中必须给予特别注意，因为它是当地的政治、经济、文化中心，除居民外通常还有政府机关、寄宿学校、商店、邮电所、基层信用社、小修理作坊、卫生所、粮站等，对于供电品质和可靠性的要求比其它自然村高得多。根据调查，内蒙古的边远乡（苏木）情况如下：农牧户50～150户，人口200～1500，用电情况见表3和表2。
2.1.1 乡（苏木）用风力／蓄能／柴油系统
图３给出了这种供电系统的基本配置，其基本工作原理是利用风力机对蓄电池充电，由逆变器将蓄电池放出的直流电逆变为交流电输入电网。柴油发电机组作为备用电源在蓄电池组电压接近下限时启动（这种情况仅在无风、风力不足或负载用电量太大时才发生），可以直接向电网供电，也可以给蓄电池充电。系统可以保证24h 连续供电。
风力机是由德国WENUS公司与内蒙古华德新技术公司合作生产的，在设计上充分考虑了高效、可靠等因素，采用计算机控制技术进行风力机工作的最优化控制。系统装有完善的安全保护装置，具有超速、振动等保护措施，可保证非常高的运行可靠性。风力机经过德国劳埃德船级社（欧洲风力机指定检测机构）检验合格，风轮效率高、出力大，采用４叶片、上风式变桨矩风轮。风轮变桨矩装置设计独特，具有完美的速度及功率控制能力。
图４所示的风力发电机系统具有比较高的能量转换效率，在年平均风速为6m/s时每年可以发电16000kWh,即平均每天发电44Wh。
图４ INVENTUS 6/195KW风轮的功率输出曲线
图5所示的风力机比国内现有的风力发电机有更多功能，它不仅可以用于照明、收看电视的充电型系统，而且具有直接50Hz单／三相动力输出发电、、蓄电池充电逆变、泵水和房间供热等功能，特别适用于边远的农牧业地区的村落、单位和家庭供电。风力可以很方便地改变不同工作模式，以满足不同的需求。
图5 INVENTUS 6 的年能量输出曲线
由于这种供电系统整体及各部分的设计合理，系统具有独特优点，集中表现为：
操作简单方便。系统各部分设计为分全自动保护运行方式，不需要特别的操作。操作人员每天只需根据风况、电网用电情况进行“充电开关” 、“供电开关”的转换操作。
系统运行可靠。
系统设计有非常安全的运行保护机构，以保证风力机供电系统的正常运行。系统采用电气和机械两种保护方式对风力机进行以下保护：
风力机因非正常工作情况下的超速运行；
特大阵风造成的风力机振动；
台风造成风力机的破坏；
蓄电池过充电和过放电而造成的蓄电池损坏等。
用途广泛。
风力机系统设计为多用途方式，可以提供以下工作模式：
⑴ 蓄电池充电逆变供电（系统设置为最高优先极）；
⑵ 直接驱动三相交流水泵，提供高效泵水；
⑶ 风力机直接驱动三相或单相交流负载，也可提供比较稳定的单相交流电，驱动生产负载或生活负载；
⑷ 风力机高效供暖运行模式，采用风力机提供的能量对房间高效供热；
⑸ 可以驱动任何形式的额定功率在5KW以内的交流负载。
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