利用风能、太阳能解决边远地区独立供电的研究和实践
马胜红 刘杰 郭小坚 刘金启 李安昌
（机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所，呼和浩特010010）
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：
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。
风力机系统专门设计有驱动潜水泵工作的模式，以满足泵水的需求。每台风力机可以带动专用的功率为4.6KW的潜水泵工作，具有相当高的提水能力。表４是单台风力机分别带动两种扬程的潜水泵的年提水量。
表４ INVENTUS 6/19 风力发电机带水泵年出水量
表5 各种形式供电系统的比较
注:在计算kWh电成本时，各种供电系统的供电基本条件必须一致，即按无电地区距最近常规电网为30km；供电系统容量为日供电量60kWh；计算用电地区年平均风速6m/s；相同的供电时间（即同为24h连续供电）；负载消耗相同的电能（目前边远乡所在地的日耗电总量为10～40kWh，这里按56kWh计算）；用电地点距最近电网距离30km；系统按20年折旧计算；计算中假设投资的60% 由国家拨款，20%由当地政府解决，其余20%由银行贷款解决。
表５给出了与其它形式供电系统的比较情况。 由机械工业部呼和浩特畜牧机械研究所（内蒙古华德新技术公司）与德国WENUS等公司合作，共同开发了适用于我国边远无常规电网地区生活和部分生产用电的风力／蓄能／柴油系统，从1994年到1996年已在内蒙古自治区解决了7个乡政府所在地的用电问题。目前正在进一步扩大该供电系统使用范围，将在更多省、市、自治区边远村落推广使用。 从安装投入运行以来，系统工作安全可靠、无故障运行，保证了当地的用电要求。以内蒙古四子王旗白音敖包苏木2×5kW风力／蓄能／柴油供电系统为例，其使用情况如下： 表６ 白音敖包苏木2×5kW风力／蓄能／柴油供电系统运行收支表 系统至1994年11月投入运行以来，运行一直正常。根据实际记录的截止到1996年8月底的数据，其电费收支情况见表６。2.1.2 乡(苏木)用光电/柴油/蓄能系统
内蒙古华德新技术公司从1994以来，先后在伊盟嘎鲁图苏木呼和淖尔嘎查和阿拉善盟阿左旗罕乌拉苏木设计安装了2000W和8000W。太阳能发电系统，系统运行良好，保证了苏木所在地不间断供电，效益十分显著。罕乌拉苏木系统的配置情况见图７。
系统采用多晶硅太阳能电池板，其特点为无机械运动、无噪声、寿命长、效率高，与国产57600Wh固定式干荷蓄电池以及12～15kW柴油发电机配合，组成光电／蓄电池／柴油机备用发电系统，所选用的逆变器具有噪声低、效率高、自我保护性能好等特点。为了有效地保护蓄电池，系统采用了全自动充放电控制器，具有过压调节、欠压保护等功能，以防止电瓶过充和过放电，从而延长其寿命。除上述特点之外，光电／蓄电池／柴油机发电系统不受无风的影响，适用于日照强、平均风速低的边远农村、牧区。
该系统技术示范在内蒙古西部地区取得非常好的结果，深受当地政府和牧民欢迎。按照内蒙古自治区的安排，1997年阿拉善盟将有13个苏木安装这种系统。
图７ 罕乌拉光电／蓄能／备用柴油发电系统配置图
(1) 160×50WP 光电池；(2) 5×1.60KW组合接线盒；(3) 2×4.00KW充电控制器；(4) 24×2.40KWH蓄电池 ；
(5) 2×3.50KW逆变器,1×1.50KW逆变器；(6) 12.00KW开关柜；(7) 1×12.00KW柴油发电机组
2.2分散农牧户用系统
一般人口不超过10人,主要用电需求为照明、电视及其它家用电器，表７是用电估算结果，图８是全天用电分布情况。
表７ 分散农牧户用电估算
图８ 牧户用电功率分布
我国内蒙古、甘肃、青海、新疆、西藏、四川等省区的辽阔草原上，散居着几百万户各族牧民。实践证明，采用风／光互补系统或光电系统是解决散居牧户生活用电的好办法。典型的风／光互补系统由一台300W风力充电机、150WP光电板、6KWH蓄电池和一台600W逆变器组成，系统价格15000元左右，可以根据当地风能资源条件和负载情况相应地调整光电容量。其配置见图9。
从1994年以来，华德新技术公司研制开发出了该系统的关键设备，包括充电控制器、逆变器系列产品，这些产品的设计分考虑了用户技术水平低、维修困难的实际情况，具有全自动保护、高效率、高可靠性。1995年以来，华德新技术公司在内蒙古的锡林郭勒盟、乌兰察布盟、巴彦淖尔盟等地先后安装了10套这种系统，让这些祖祖辈辈点羊油灯的牧民用上了电冰箱、洗衣机、电风扇、小水泵，看上了彩电，享受到现代文明。一年多的运行表明，该系统设计合理、技术先进、使用可靠，日均发电量2～3KWH，满足了牧户的生活需求，深受牧民欢迎。目前正在解决贷款渠道，不久就会大规模推广应用。
图９ 分散农牧户用风／光互补系统配置
在风况不好的地区，户用光伏系统就成为优选的系统。光伏系统突出的优点是整机使用寿命长、少维护、可靠性高、无噪音、无环境污染、对蓄电池的保护较好，但一次性投资较大。
一般地说，这种系统有交流和直流两种供电方式。50W以下的系统采用直流供电,50W以上的则采用交流供电。系统组成有太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器。图10是100W的这种系统。
图10 光电系统构成框图
1996年测试了内蒙古赛汉塔拉的一套100W系统，该系统每天发电0.52kWh。
针对不同家庭的用电需求，华德公司从1992年起陆续开发了200W、150W、100W、50W、20W、10W等不同级别的户用光伏系统，应用在内蒙古的锡盟、乌盟、巴盟、伊盟和阿盟以及西藏、宁夏、青海等地，总容量超过10kW，运行良好，用户给予很高的评价。预计今后两年华德公司将推广300套户用系统，总容量不低于30kW。下面以100W系统为例计算电成本。
整个系统价格7000元，包括下面几个部分：太阳能电池，5000元；控制逆变器，1000元；蓄电池，400元，电缆、支架、安装，600元。
系统使用寿命20年。假定20年内更换三次蓄电池，更换一次控制逆变器，更换电缆、小部件等费用300元，则整个系统运行20年后共花费9500元（静态价格）。该系统可日供电0.5kWh（内蒙古本部的年平均值），20年内可供电3650kWh，故每kWh电成本为2.6元。
对于边远无电地区的农、牧民来说，使用柴油发电的kWh成本为3～4元（包括维护费用），所以光伏系统的成本低于柴油发电，经济效益是显著的。
2.3 沿海岛屿及有较大生产负荷的边远村镇供电系统
沿海岛屿因冷藏、渔业加工的需要以及人口相对较多，所以用电负荷较大，对供电的品质要求较高，中西部内陆一些有较大生产负荷的边远村镇也有类似的要求。智能化风力／柴油／蓄能独立供电系统是适合于这类应用要求的最佳选择，其供电质量（电压和频率稳定性）优于中小型柴油发电站；在风况好的地区，风力发电量可达40～70%，柴油机运行时间可减少40%以上，电成本仅为单纯柴油发电成本的1/2～1/3。
这种系统主要由以下设备构成：
柴油－蓄能运行：无风时，柴油发电机组运行供电，蓄电池组放电，平衡短时峰值负载或充电，吸收多余能量。
1996年1月，内蒙古华德新技术公司怀德国SMA公司合作在浙江省北麂岛安装了这种智能化风力/柴油/蓄能系统，并投入运行。该岛面积2.9km2，居民4000多人，生活用电峰值负载120kW，一家制冰厂加一家鱼粉厂的生产性负载约140kW。该系统配置如下（图11）：
图11 北麂岛智能化风力/柴油/蓄能独立供电系统配置图
4台33KW风力发电机组 机组及其自动运行监控器和并网同步化器;
1台75KW和1台200KW风力发电 132KWH蓄电池组和最大工作电流为800A的有源双向变流器（装有快速直流保护开关）；
1台150kVA同步调相机;
8级12.5kVAr 静态补偿装置和60kW快速控制耗能负载;
计算机监控系统
从智能化风力／柴油／蓄能独立供电系统使用以来，保证了24h不间断供电，改变了过去只在夜间供电的情况，同时提供了充足的生产用电，充分利用了当地资源，发展了生产，改善了经济，提高了生活水平，受到当地群众欢迎。
1996年11月，内蒙古化德新技术公司与德国ＳＭＡ公司再次合作，又在山东省鸡鸣岛安装了一套智能化风力／柴油／蓄能独立供电系统，并投入运行。随着该技术的示范和传播，将有更多的海岛安装这种独立供电系统。
该系统从1996年1月18日投入运行，到1996年底共发电28万kWh，其中风力发电12万kWh，占总发电量的43%。与1995年原有的柴油发电站对比，结果见表8，可见经济效益十分显著。
３ 结论
华德新技术公司多年来不懈努力，通过中德合作项目，消化吸收德国先进技术，研究开发出适合我国国情的用于边远地区的风力／蓄能／柴油、光伏／蓄能／柴油、风／光互补、智能化风力／柴油／蓄能系统。几年的实际运行充分证明这些系统技术先进、使用可靠、经济效益显著；经过培训，当地用户完全可以掌握操作、维护技能。
RESEARCH AND PRACTICE OF WIND AND PHOTOVOLTAIC STAND-ALONE POWER SYSTEMS FOR REMOTE AREA ELECTRIFICATION
Ma Shenghong Liu Jie Guo Xiaojian Liu Jinqi Li Anchang
(Huhhot Livestock Machinery Research Institute of the Ministry of Machinery Industry, Huhhot 010010)
Abstract
Various stand-alone renewable energy systems(wind/battery/diesel system.PV/battery/diesel system, wind/PV hybrid system, intelligent wind/diesel/battery system,etc.)which have developed by Huhhot Livestock Machinery Research Institute of the Ministry of Machinery Industry(HLMRI)are described.More than three years demonstration has shown that these systems are advanced,reliable and economical.
Key words:Wind/battery/diesel system; PV/bettery/diesel system; Wind/PV hybrid system; Intelligent wind/diesel/battery system; Stand-alone system; Remote area electrification