離網(wǎng)型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)配電方案

張瑋，武耀勇

(華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市 100120)

離網(wǎng)型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)配電方案

張瑋，武耀勇

(華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市 100120)

為了搭建穩(wěn)定的、以風力發(fā)電作為獨立電源驅(qū)動海水淡化裝置的聯(lián)合系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，分別剖析了風電電源特性及海水淡化工藝裝置的負荷特性，提出了針對離網(wǎng)型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)的配電方案。搭建了包含離網(wǎng)型風力發(fā)電機組、儲能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內(nèi)的獨立小型微電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)成一套完整的聯(lián)合系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時作為保證該微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的邊界條件，引入了儲能系統(tǒng)，有效地解決了離網(wǎng)型風電電源和海水淡化負荷的匹配問題，為就地消納風力發(fā)電及孤島海水淡化工業(yè)用電開辟了新的解決模式和思路。

離網(wǎng)型風力發(fā)電；海水淡化；聯(lián)合技術(shù)；儲能裝置；配電方案

0 引 言

目前，世界各國相繼將發(fā)展清潔能源和可再生能源列為能源發(fā)展重點。由于風力發(fā)電受風資源的限制，其固有的波動性、間歇性和不穩(wěn)定性一直制約著其大規(guī)模發(fā)展[1-5]。海水作為豐富的非常規(guī)水資源，受到了越來越多的重視和利用，海水淡化就是其中重要的利用途徑之一。但沿海地區(qū)特別是偏遠海島，受電網(wǎng)條件的制約，無法為海水淡化工藝系統(tǒng)提供充足的電源保證，致使海水淡化工藝系統(tǒng)無法在海島中大規(guī)模推廣。近年來，越來越多的學者和研究機構(gòu)都對風能和海水淡化系統(tǒng)的耦合技術(shù)給予了更多的關(guān)注，文獻[6-12]都提到了風能和海水淡化的耦合，其中包括了風能轉(zhuǎn)化為機械能與海水淡化的耦合及將風能轉(zhuǎn)化為電能后與海水淡化的耦合。但大多只是定性闡述了這種技術(shù)的可行性及其成本分析,并未對其中的配電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)細節(jié)做出論述，更未對該系統(tǒng)在離網(wǎng)型風電系統(tǒng)中的穩(wěn)定運行進行研究。

本文以基于小型的離網(wǎng)型風力發(fā)電機組與海水淡化工藝相結(jié)合的微網(wǎng)系統(tǒng)供配電結(jié)構(gòu)為研究對象，分析最大限度減少工藝系統(tǒng)啟停頻率，及保證工藝系統(tǒng)安全停機時，離網(wǎng)型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所要解決的關(guān)鍵技術(shù)難點。利用小型離網(wǎng)型風力發(fā)電機組將風能轉(zhuǎn)化為電能后驅(qū)動海水淡化裝置，充分利用邊遠海島的風力資源，以期為解決風力發(fā)電就地消納問題及孤島海水淡化工業(yè)用電尋求一種新的解決模式和思路。

1 風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)

風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，由立軸式風力機直接驅(qū)動海水淡化高壓泵。2009年，風能海水淡化裝置投入試運行，該項目采用的是風能海水淡化裝置高效直接耦合技術(shù)。2011年，國電電力投資建設(shè)的東福山島“風光柴蓄”海水淡化綜合系統(tǒng)工程建成投產(chǎn)，該項目配置了7臺單機容量30 kW的風力發(fā)電機組、1套100 kW的光伏太陽能發(fā)電裝置、2組各1 000 A·h的儲能鉛酸蓄電池、1套300 kVA的雙向變流器、1臺200 kW的柴油發(fā)電機組及1套50 t/d的海水淡化系統(tǒng)，總裝機容量510 kW。該項目運用了“風”、“光”、“柴”等多種電源互補發(fā)電，但其運行模式以柴油發(fā)電機及儲能電池為主電源，風力發(fā)電的利用率較低。儲能方式是常規(guī)鉛酸蓄電池儲能，充、放電性能及控制策略較目前普遍采用的新型管式膠體鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池等存在一定的差距。

2 風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

邊遠海島地區(qū)海水資源豐富但電網(wǎng)條件薄弱，有些地區(qū)甚至完全沒有電網(wǎng)支撐。過去，此類地區(qū)的供電基本靠柴油發(fā)電機組解決。然而，柴油發(fā)電機組在運行期間不僅噪音大，排出的廢氣還存在一定的環(huán)境污染問題，且柴油發(fā)電機組運行油耗高，發(fā)電成本也相對較高。在這種情況下，尋求新能源以優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)已成當務(wù)之急。在目前眾多的可再生能源與新能源技術(shù)中，潛力最大、最具開發(fā)價值的是風能和太陽能。風光互補型的供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已有多個成功的運行案例。本文將針對50 m3/h以下產(chǎn)水量的海水淡化裝置，針對單一電源的離網(wǎng)型風力發(fā)電—海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)，提出合理的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以充分利用海島及沿海地區(qū)豐富的海洋資源和風力資源，解決淡水水源問題，增加新能源綜合利用的解決途徑。

2.1 海水淡化裝置工藝系統(tǒng)組成及負荷特性

2.1.1 海水淡化裝置工藝系統(tǒng)組成

海水淡化過程是一個多級過程，每級采用一種凈化分離技術(shù)單元，分離去除海水中一定的雜質(zhì)并為下一級凈化分離技術(shù)單元作準備。

根據(jù)單元工序及其設(shè)備作用的不同，可把海水淡化工藝分為取水、海水預處理、反滲透海水淡化、產(chǎn)水后處理等部分，流程如圖1所示。其中，反滲透海水淡化是核心工序，是確保系統(tǒng)產(chǎn)水品質(zhì)符合標準要求的關(guān)鍵所在。海水預處理的目的在于提高產(chǎn)水水質(zhì)，保證反滲透淡化裝置安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟地運行。

圖1 海水淡化工藝流程

2.1.2 海水淡化裝置的負荷特性

為了適應(yīng)風電的波動特性，海水淡化裝置采用模塊化設(shè)計和變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)給水壓力和進水流量。模塊化設(shè)計將膜殼分為3組，按風電輸出功率選擇開啟合適數(shù)量的高壓泵及匹配膜堆。變頻技術(shù)即通過調(diào)整高壓泵配套電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)高壓泵的功率，以此來適應(yīng)風電波動和流量的變化(如圖1所示)。根據(jù)目前變頻器設(shè)備的技術(shù)發(fā)展水平來看，其對網(wǎng)側(cè)輸入電壓的波動適應(yīng)范圍最大可以達到額定輸入電壓的-15%～10%。此外，針對離網(wǎng)型風電海水淡化聯(lián)合裝置，結(jié)合現(xiàn)有風電機組設(shè)備容量，每套裝置的分組容量宜控制在50 m3/h以下，通常可分為1，2，5，10，20，50 m3/h等幾個有代表性的級別。

表1，2為制水規(guī)模分別為5，50 m3/h的典型反滲透海水淡化裝置電負荷。根據(jù)負荷性質(zhì)，各泵組之間啟停間隔時間不長，且大多為連續(xù)工作負荷，因此，正常工作時，各系統(tǒng)負荷功率變化相對穩(wěn)定。根據(jù)不同的反滲透膜的性能，一般裝置啟動0.5～1 h后，才能進入反滲透膜的正常工作狀態(tài)，達到穩(wěn)定產(chǎn)水階段。因此，減少系統(tǒng)頻繁起停是風電—海水淡化聯(lián)合裝置配電系統(tǒng)所要解決的重要因素之一。此外，為保證膜的正常使用壽命，每天需對模組進行一定時間的沖洗，沖洗時僅需開啟增壓泵和沖洗泵，用電需求較小。

表1 制水規(guī)模5 m3/h反滲透海水淡化裝置電負荷

表2制水規(guī)模50m3/h反滲透海水淡化裝置電負荷

Tab.2Electricalloadofthereverseosmosisdesalinationdevicewith50m3/hamountwater

2.2 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 主要配電系統(tǒng)方案

常規(guī)的大型海水淡化裝置的配電系統(tǒng)通常采用6(10) kV和0.4 kV這2級電壓，6(10) kV配電系統(tǒng)采用單母線接線，供給200 kW以上的電動機及低壓變壓器電源。雖然海水淡化裝置規(guī)模不大，不存在高壓電機，但距離電源點較遠，超過了0.4 kV電壓的輸電距離要求，只能通過高壓電源引接至就地后降壓使用。通常多套海水淡化裝置設(shè)置1臺低壓工作變壓器和1段0.4 kV低壓動力中心，每套海水淡化裝置設(shè)置1段電動機控制中心，200 kW以下電動機、照明和檢修等低壓負荷由0.4 kV供電，其中海水淡化系統(tǒng)75 kW及以上電動機和150 MVA及以上的靜態(tài)負荷直接由動力中心供電，75 kW以下的電動機和其他用電設(shè)備由電動機控制中心供電。

對于離網(wǎng)型風電海水淡化聯(lián)合裝置，結(jié)合現(xiàn)有風電機組設(shè)備容量，在不超過50 m3/h的制水規(guī)模下，由于負荷容量不大，沒有高壓電機，且最大功率電機僅為37 kW左右，故配電系統(tǒng)可采用0.4 kV電壓，單母線接線形式，不再分級設(shè)置動力中心和電動機控制中心。低壓供電系統(tǒng)采用中性點直接接地方式。

此外，在風電電源為獨立電源、反滲透海水淡化系統(tǒng)為主要負荷的聯(lián)合系統(tǒng)中，需要接入適當?shù)妮o助電源，組成微網(wǎng)系統(tǒng)，以保證整個系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定運行。在已建成的孤島海水淡化項目中，輔助電源一般為柴油發(fā)電機組，但柴油發(fā)電機組只能發(fā)電，不能儲存多余電量，故在離網(wǎng)型風電海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)中，儲能裝置作為輔助電源更為合適。儲能裝置的選擇需充分考慮微網(wǎng)系統(tǒng)對其充、放電性能的需求，能夠追蹤風力發(fā)電電源的變化情況實時調(diào)節(jié)，其容量應(yīng)能夠保證微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定及設(shè)備安全即可，不能成為海水淡化生產(chǎn)的主用電源。結(jié)合海水淡化工藝要求及小型離網(wǎng)風機出力特性，儲能方式推薦采用磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池等較為成熟的新型化學儲能電池。

故完整的離網(wǎng)型風電—海水淡化聯(lián)合裝置供配電系統(tǒng)應(yīng)為包含風力發(fā)電機組、儲能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內(nèi)的獨立小型微電網(wǎng)系統(tǒng)。典型配置如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)示意圖

2.2.2 風電機組及儲能裝置容量的選擇

在離網(wǎng)型供電系統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)電源和負荷容量的匹配關(guān)系及其優(yōu)化配置是一個重要步驟。特別是對于風電獨立電源的離網(wǎng)型系統(tǒng)，較之風光互補型電站具有更強的波動性和間歇性。風電、海水淡化負荷、儲能裝置之間有復雜的匹配關(guān)系。

(1)風電機組的配置原則。風力發(fā)電機組出力，除了與自身的電能轉(zhuǎn)化特性有關(guān)外，還與風力發(fā)電機組所處地區(qū)的風資源狀況有密切聯(lián)系。一般,根據(jù)風機與風速相關(guān)的功率曲線，利用測風塔與風機輪轂同高度的實測每10 min平均風速查出對應(yīng)該風速的風機功率，進而得出1年中每10 min的風機出力，然后在每個月中以天為單位，選取這個月中風機出力數(shù)據(jù)中標準差最大的那天的10 min出力過程作為這個月的代表出力過程，從而得到每月典型日風機的輸出功率。將各月典型日數(shù)據(jù)對比分析，選取合適的典型日數(shù)據(jù)作為代表月發(fā)電量，結(jié)合海水淡化裝置的最大耗電量進行風機容量的選擇。一般，為了保證海水淡化裝置的一定產(chǎn)量，風機的代表月發(fā)電量應(yīng)不小于海水淡化裝置的最大耗電量為宜。

離網(wǎng)型風電多采用中小型風電機組，根據(jù)文獻[13-14]及其他網(wǎng)絡(luò)媒體統(tǒng)計報道，早在20世紀70年代，小型風電技術(shù)在我國風能資源豐富的內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)就得到了發(fā)展，最初被廣泛應(yīng)用在邊遠地區(qū)的農(nóng)牧民家用供電，單機容量一般在0.1～10 kW。隨著小型風電技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，小型風電機組的單機容量也不斷放大，目前主流機型的單機容量多為5，10，15，20，25，30，50，100 kW。

對應(yīng)于不同容量的小型海水淡化裝置，風力發(fā)電機可以選擇單臺大功率或多臺小功率等多種組合型式。假定項目所在地代表月的風機輸出功率可在風機額定功率的70%左右，以前文所列制水規(guī)模5 m3/h的海水淡化裝置為例，正常工作時最大耗電量約為26.244 kW，則可以選擇2臺單機容量20 kW或者1臺30 kW和1臺10 kW的風力發(fā)電機組；而對應(yīng)的制水規(guī)模50 m3/h的海水淡化裝置，正常工作時最大耗電量約為141.5 kW，可以采用6臺30 kW和1臺20 kW、4臺50 kW或者2臺100 kW等組合型式的風機。當然，在工程實施中，還需考慮取水裝置及工藝建筑照明等輔助用電設(shè)備容量。

(2)儲能裝置的配置原則。文獻[14-20]對大型風電場中風電裝機容量及儲能裝置容量的優(yōu)化配置進行了詳細的仿真分析，并得出儲能裝置風電機組的功率比例為1∶4比較合適，其結(jié)論可供聯(lián)合系統(tǒng)參考。但離網(wǎng)型風電電源的波動性更大，對儲能裝置的要求與并網(wǎng)型系統(tǒng)也不盡相同。

對于離網(wǎng)型風電電源和海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)，儲能裝置的目的是平滑風電電源輸出功率的波動，使得風電輸出功率的波動盡量平穩(wěn)、波動性小，以避免海水淡化設(shè)備頻繁啟閉，延長海水淡化工藝系統(tǒng)有效制水時間，保證工藝系統(tǒng)工作期間電源的平穩(wěn)、可靠，同時最大限度地利用風力資源。

當風力發(fā)電機的出力變化引起的負荷側(cè)母線電壓波動范圍為-15%～10%時，由于工藝系統(tǒng)泵組采用了變頻控制，可以由變頻器調(diào)節(jié)泵組出力，以適應(yīng)風電電源的變化，此時儲能裝置的容量僅需滿足能維持系統(tǒng)停機時反沖洗水泵工作電量即可，按海水淡化正常關(guān)機流程啟動關(guān)機程序；當風力發(fā)電機的出力變化引起的負荷側(cè)母線電壓波動范圍不能夠滿足變頻裝置的輸入電壓波動范圍要求時，需投入儲能裝置，平滑電源波動，維持微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、頻率的穩(wěn)定性，此時儲能裝置的容量與風電電源的波動需匹配，其最經(jīng)濟合理的配置容量需根據(jù)具體項目所在地的風力資源及負荷特性等綜合因素確定。

3 結(jié) 論

(1)離網(wǎng)型風力發(fā)電及海水淡化聯(lián)合裝置適合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱或周邊沒有電網(wǎng)支撐但卻有著豐富的海水資源和風能資源的孤島地區(qū)。

(2)完整的離網(wǎng)型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)的配電方案中，應(yīng)包含多臺或單臺離網(wǎng)型風力發(fā)電機組、具有一定調(diào)節(jié)手段并在一定范圍內(nèi)能夠適應(yīng)電源波動的完整的海水淡化工藝控制系統(tǒng)及泵組、為保證整個微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的輔助電源系統(tǒng)以及其他變配電裝置。

(3)對應(yīng)不超過制水規(guī)模50 m3/h的海水淡化裝置，其配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可按0.4 kV一級電壓供電，將風電機組、儲能裝置及海水淡化裝置負荷全部連接于此。

(4)風電機組及儲能裝置的設(shè)備選型及其容量配置需結(jié)合具體工程地點的風資源特性、設(shè)備成本，根據(jù)電源出力特性及負荷特性等綜合因素確定。

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(編輯：蔣毅恒)

DistributionSchemeforOff-GridWindPowerandSeawaterDesalinationUnitedTechnologies

ZHANG Wei, WU Yaoyong

(North China Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China)

In order to establish stable power distribution network structure for combined system with seawater desalination device driven by wind power as an independent power supply, combined with the research and application status of wind power and seawater desalination united technologies, this paper analyzed the wind power characteristics and the load characteristic of seawater desalination process units, and proposed distribution scheme for the united technologies with off-grid wind power and seawater desalination. Then, the independent small micro-grid system was built including off-grid wind power generators, energy storage device and seawater desalination process system, which constituted a complete set of power distribution network structure for combined system. Meanwhile, as the boundary condition that ensured the stable operation of micro-grid system, the energy storage system was introduced to effectively solve the matching problem between off-grid wind power and seawater desalination load, which could open up new solutions and ideas for the local consumption of wind power and the industrial electricity of seawater desalination on isolated island.

off-grid wind power; seawater desalination; united technologies; energy storage device; distribution scheme

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項目(NY20110207-1)。

TM 64

： A

： 1000-7229(2014)05-0079-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.013

2013- 11- 22

：2013- 12- 30

張瑋(1979)，女，本科，工程師，主要從事風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電電氣設(shè)計工作，E-mail：zhwei@ncpe.com.cn；

武耀勇(1966)，男，本科，高級工程師，主要從事風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電電氣設(shè)計工作。