风光互补供电系统结构和原理、配置、安装方案

目前采用的太阳能供电无法满足输电线路视频监控全天候，以及在连续阴雨天持续稳定运行的要求，从而形成危险点现场监控盲点。

风光互补供电系统利用风能和太阳能资源的互补性实现全天候发电，有效地解决了该问题。作者介绍了风光互补供电系统结构和工作原理，通过分析输电线路全天候视频监控系统各设备的实际用电需求，设计了蓄电池、风力发电机、太阳能光伏电池阵列的配置方案和安装方案。

随着经济快速发展，交通、管道、工厂、住房等基础设施建设不断加快，吊机、高臂泵车等高大机械在输电线路保护区内违规施工经常发生，给输电线路的安全运行造成较大威胁，通过在危险点现场安装视频监控装置实现危险点现场动态情况的实时掌控，减轻巡视人员的现场监控工作量，有效地防止了线路外力破坏事故发生。

由于危险点现场的可变性、不可控性以及线路的重要性，并且避免产生夜间监控盲点，则要求全天候视频监控系统能24小时不间断的持续稳定运行，使后台监控中心全面掌握危险点动态情况。但根据多年的运行情况来看，电源供电不足一直是装置稳定运行的瓶颈。

目前输电线路视频监控装置通常采用的供电方式主要是太阳能供电，供电装置由太阳能板和蓄电池组成，具有安装便捷和投资少、环保等优点，但由于有些地区光照不足，单纯的太阳能供电无法保证视频装置24小时监控作业，并且连续的阴雨天气使供电中断影响设备正常作业。

220V低压线供电方式也有采用，通过在杆塔附近的配变支接一条220V低压线直接延伸至塔顶接入视频装置实现供电，供电稳定性满足设备持续稳定运行，但建设费用较大以及受雷雨天气影响而造成供电中断。

为解决上述问题，设计了风光互补供电系统作为输电线路全天候视频监控装置和通信装置的电源，充分利用太阳能与风能在时间上和地域上的互补性，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，保证视频监控系统的全天候以及在连续阴雨天持续运行。

风光互补供电系统结构及原理

风光互补供电系统是由风力发电机组和太阳电池组件共同构成的能够将风的动能和太阳的光能转换为电能的混合发电系统。风力发电机以自然风作为动力，风轮吸收风的能量，驱动风轮及风力发电机旋转，将风能转换为电能。

太阳能发电利用光生伏打效应原理制成，将太阳辐射能量直接转换成电能。风光互补发电系统由风力发电机、太阳电池组件、风光互补控制器、蓄电池组、逆变器等部件组成。

白天在太阳的照射下，光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电。而风力发电部分是利用风机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过风光互补控制器对蓄电池充电，当蓄电池处于充满。

蓄电池组是风光互补供电系统的储能元件，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。

风光互补控制器的功能是根据太阳光的强弱、风力的大小及负荷的变化情况，实时对蓄电池的工作状态进行控制和调节，保障系统在充电、放电及浮充电等的交替运行，确保发电系统工作的连续性、稳定性和可靠性。

逆变器把蓄电池中的直流电变成对应电压等级如24V交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补供电系统的设计

设计满足输电线路全天候视频监控系统24小时以及在连续阴雨天下持续稳定运行的风光互补供电系统，首先确定视频监控系统的各负载需求，从而计算蓄电池容量和系统发电功率，确定系统需要的蓄电池数量和组装方式；然后根据系统总发电功率来确定风力发电机和太阳能电池组的发电功率、型号，最后确定风光互补供电系统各组成部分在输电杆塔上的安装位置和组装方案。系统总体架构见图1。

1 确定负载需求

输电线路全天候视频监控系统由红外摄像机（日夜两用）和控制云台、通信装置、风光互补系统组成。红外夜视摄像头采用SONY SNC-CH140百万像素网络高清红外夜视摄像头，通过DVS云台（带雨刷）控制，通信方式采用无线MESH与OPGW开接结合传输；

通信装置为板式的无线MESH发送天线，通过网线与红外摄像头并排安装在塔顶，将视频数据无法发送至远处OPGW开接点的无线MESH接收装置，由OPGW光缆传输至输电线路监控中心展示；

风光互补供电系统的用电负载为红外摄像机和控制云台、无线MESH装置，其中红外摄像头的工作电压为AC 24V，工作功率为15W；控制云台DVS和无线MESH装置的工作电压DC 12V供电，工作功率分别为60W和5W。监控系统各设备负载要求在没有任何外来能源的情况下能够连续正常工作7天。负载供电需求见表1。

2 蓄电池组设计

蓄电池的配置与充电的控制是风光互补应用的关键。蓄电池的容量由蓄电池单独工作天数、每天放电量、蓄电池要有足够的容量和自身漏掉的电能等因素决定。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。

对于每天负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%，在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。

随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%～15%。系统配置蓄电池的容量需满足在无风、阴雨天情况下至少维持7天对设备供电，蓄电池按照24V设计，蓄电池放电容量70%，逆变器效率按90%考虑，根据监控系统各设备负载电力需求计算蓄电池所需容量：

红外摄像机：A=7d×360W·h/0.9/（24V*0.7）≈112A·h

摄像机云台：B=7d×240W·h/（12V*0.7）≈200A·h

无线MESH发送装置：C=7d×120W·h/（12V*0.7）≈100A·h

因此，蓄电池容量为A+B+C=412 A·h， 为满足系统要求，则用单节电压12V的蓄电池进行串联，每块电池容量为 225 A·h/12 V ，共配置4节225Ah/12V蓄电池，累计容量为450Ah/24V并用2组蓄电池并联以保证系统稳定安全。

3 发电功率计算

系统正常运行时，发电功率除要带额定负载外，还要完成对蓄电池的充电，风力发电、太阳能发电的发电功率需要满足额定负载容量。系统配置充电控制器按照24V设计，效率按90%考虑， 得出风光互补发电功率为236W。

4 风力发电组件

风力发电组件选用一体化垂直风轮发电单元，由立柱、风轮、发电机、轴承等组成。整套风力发电单元只有风轮一个活动部件，采用永磁无刷发电机组，包括感应绕组、发电感应磁极。没有转向、碳刷等易耗、易损部件，使用寿命显著延长。使用垂直式，在2m/s—60m/s风速都可安全使用。涡轮型风叶造型，能达到空间360度受风，在微风和台风天气下都可以正常发电。

系统需要236W发电功率。根据现场风力情况，通常情况下风力无法达到风机的额定运行风速，配置1台额定功率400W/24V的风力发电组件，以满足系统需要。

5 太阳能组件

太阳能光伏电池阵列的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳电池方阵的结构设计要保证组件与支架的连接牢固可靠，并能方便地更换太阳电池组件。组件应安装在可以调节倾角、有防腐蚀措施的支架上，确保安装牢固。支架应能够保证正确的方位和角度，以使其能够获得最大的发电量。

系统需要236W发电功率。为最大利用太阳照射时间内的发电，能以较短的时间给蓄电池组充电。配置4组额定功率100W/24V的太阳能发电组件，以满足系统需要。

6 风光智能控制器

控制器整机与风力、太阳能的发电充电电路需要符合相应的标准和要求。采用最大功率跟踪技术，最大限度地把风力、太阳能的发电转换为蓄电池充电电流。控制器具有风力发电充电输人端、光伏充电电路输人端、蓄电池接线端、逆变器接线端，具有过充、过放、过载、开路、短路、反接、防反放电、过热等一系列报警和保护功能。

系统设定25V为启动电压，当电压低于25V时，输出系统处于欠压状态，不向负载输送电能，避免蓄电池因过放电而损坏。当蓄电池充满饱和时，控制器将控制风机发电。

7 正弦波逆变器

正弦波逆变器用于将蓄电池直流电逆变转换成正弦波交流电输出，供应红外摄像机电源。逆变器具备欠压保护、过电流保护、短路保护、极性反接保护、雷电保护功能，自带显示单元，可显示逆变器输出电压、电流、功率，运行状态、异常报警等各项电气参数，通过无线MESH传输至OPGW开接点传输至线路监控中心，监控人员可实时远程监控。

8 系统防雷

为了保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行，要对这套系统采取防雷措施。主要有以下几个方面：

（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行设备安装固定时，需要采用专用接地线引出，并用降阻剂与接地点可靠连接，接地电阻应小于4欧姆。

（2）风力发电组件、太阳能组件的支架应保证良好的接地。接地螺栓应通过降阻剂与接地点可靠连接，接地电阻应小于4欧姆。

（3）直流输出端、正弦波逆变器交流输出端，应采用二级防雷保护。

9 系统安装设计

风光互补供电系统在杆塔上的安装要求为安装简单，便于维护，安装位置不影响输电线路日常的运行维护。系统由风力发电组件、太阳能发电组件，蓄电池和控制设备组成。

风机的安装位置要求满足风力发电的最小风速，满足叶片的转动和风机360度旋转，并且不影响线路检修工作，因此风机安装位置选定在在杆塔第一个横担（高度为24米）中间平台（两根塔材十字连接）上，具体见图2。

考虑风机高速转动时纵向和横向受力不影响设备运行时的牢固性，避免对塔材产生扭扭矩作用而影响杆塔的稳定性，将两块60×60的钢板用U型螺栓固定在平台塔材上，风机固定在钢板上，使风机平稳运作，对杆塔运行没有影响。

太阳能发电组件由安装支架和四块80×30的太阳能板组成，支架固定在朝南方向的杆塔主材上，太阳能板固定在支架上，两两串联后再并联至主控箱，最大限度利用太阳能发电。

四块蓄电池分两组分别叠加在两个镀锌的铁箱子内，蓄电池之间有钢板隔开，其中一个铁箱作为主机箱，即风光智能控制器和逆变器等设备放在机箱内，控制系统的输入输出和发电模式的切换。

由于太阳能板和支架尺寸以及蓄电池箱重量较大，两部分的安装位置在杆塔9米处的平台上。为避免线缆腐蚀以及受干扰，设备之间的连接线以及供设备的电缆穿过PVC管，固定在塔材上。

结束语

采用风光互补系统对输电线路危险点全天候视频监控系统供电，目前已成功应用在嘉兴地区王烟4458线32#塔处重大危险点（导线下嘉绍高速施工）监控中。

根据几个月的系统应用情况，风光互补供电方式满足视频监控系统24小时稳定运行，并且不受阴雨天气影响能连续运行，未出现供电中断现象，表明风能和太阳能具备良好的互补特性，相比单独风力发电或光伏发电可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量，以及可以更好保护电池，延长蓄电池寿命，减少后期维护工作量。