張瑋，武耀勇

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市 100120)

離網(wǎng)型風(fēng)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(jì)院工程有限公司，北京市 100120)

為了搭建穩(wěn)定的、以風(fēng)力發(fā)電作為獨(dú)立電源驅(qū)動(dòng)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(fēng)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(fēng)電電源特性及海水淡化工藝裝置的負(fù)荷特性，提出了針對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內(nèi)的獨(dú)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(shí)作為保證該微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件，引入了儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效地解決了離網(wǎng)型風(fēng)電電源和海水淡化負(fù)荷的匹配問題，為就地消納風(fēng)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(fēng)力發(fā)電；海水淡化；聯(lián)合技術(shù)；儲(chǔ)能裝置；配電方案

0 引 言

目前，世界各國(guó)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(diǎn)。由于風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)資源的限制，其固有的波動(dòng)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(yuǎn)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(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)風(fēng)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(xiàn)[6-12]都提到了風(fēng)能和海水淡化的耦合，其中包括了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能與海水淡化的耦合及將風(fēng)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(duì)其中的配電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)細(xì)節(jié)做出論述，更未對(duì)該系統(tǒng)在離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)中的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行研究。

本文以基于小型的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)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(jī)時(shí)，離網(wǎng)型風(fēng)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(diǎn)。利用小型離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能后驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置，充分利用邊遠(yuǎn)海島的風(fēng)力資源，以期為解決風(fēng)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(fēng)力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術(shù)

風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化裝置，由立軸式風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)海水淡化高壓泵。2009年，風(fēng)能海水淡化裝置投入試運(yùn)行，該項(xiàng)目采用的是風(fēng)能海水淡化裝置高效直接耦合技術(shù)。2011年，國(guó)電電力投資建設(shè)的東福山島“風(fēng)光柴蓄”海水淡化綜合系統(tǒng)工程建成投產(chǎn)，該項(xiàng)目配置了7臺(tái)單機(jī)容量30 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(chǔ)能鉛酸蓄電池、1套300 kVA的雙向變流器、1臺(tái)200 kW的柴油發(fā)電機(jī)組及1套50 t/d的海水淡化系統(tǒng)，總裝機(jī)容量510 kW。該項(xiàng)目運(yùn)用了“風(fēng)”、“光”、“柴”等多種電源互補(bǔ)發(fā)電，但其運(yùn)行模式以柴油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能電池為主電源，風(fēng)力發(fā)電的利用率較低。儲(chǔ)能方式是常規(guī)鉛酸蓄電池儲(chǔ)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(fēng)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(yuǎn)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(jī)組解決。然而，柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)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(jī)組運(yùn)行油耗高，發(fā)電成本也相對(duì)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(dāng)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(jià)值的是風(fēng)能和太陽能。風(fēng)光互補(bǔ)型的供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已有多個(gè)成功的運(yùn)行案例。本文將針對(duì)50 m3/h以下產(chǎn)水量的海水淡化裝置，針對(duì)單一電源的離網(wǎng)型風(fēng)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(fēng)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(fù)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(gè)多級(jí)過程，每級(jí)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(jí)凈化分離技術(shù)單元作準(zhǔn)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵所在。海水預(yù)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(jì)地運(yùn)行。

圖1 海水淡化工藝流程

2.1.2 海水淡化裝置的負(fù)荷特性

為了適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)特性，海水淡化裝置采用模塊化設(shè)計(jì)和變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)給水壓力和進(jìn)水流量。模塊化設(shè)計(jì)將膜殼分為3組，按風(fēng)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(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)高壓泵的功率，以此來適應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)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(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電壓的波動(dòng)適應(yīng)范圍最大可以達(dá)到額定輸入電壓的-15%～10%。此外，針對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)電海水淡化聯(lián)合裝置，結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)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?？煞譃?，2，5，10，20，50 m3/h等幾個(gè)有代表性的級(jí)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(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)，各泵組之間啟停間隔時(shí)間不長(zhǎng)，且大多為連續(xù)工作負(fù)荷，因此，正常工作時(shí)，各系統(tǒng)負(fù)荷功率變化相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)不同的反滲透膜的性能，一般裝置啟動(dòng)0.5～1 h后，才能進(jìn)入反滲透膜的正常工作狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)水階段。因此，減少系統(tǒng)頻繁起停是風(fēng)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(duì)模組進(jìn)行一定時(shí)間的沖洗，沖洗時(shí)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(fù)荷

表2制水規(guī)模50m3/h反滲透海水淡化裝置電負(fù)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(jí)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(dòng)機(jī)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(jī)，但距離電源點(diǎn)較遠(yuǎn)，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(tái)低壓工作變壓器和1段0.4 kV低壓動(dòng)力中心，每套海水淡化裝置設(shè)置1段電動(dòng)機(jī)控制中心，200 kW以下電動(dòng)機(jī)、照明和檢修等低壓負(fù)荷由0.4 kV供電，其中海水淡化系統(tǒng)75 kW及以上電動(dòng)機(jī)和150 MVA及以上的靜態(tài)負(fù)荷直接由動(dòng)力中心供電，75 kW以下的電動(dòng)機(jī)和其他用電設(shè)備由電動(dòng)機(jī)控制中心供電。

對(duì)于離網(wǎng)型風(fēng)電海水淡化聯(lián)合裝置，結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組設(shè)備容量，在不超過50 m3/h的制水規(guī)模下，由于負(fù)荷容量不大，沒有高壓電機(jī)，且最大功率電機(jī)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(jí)設(shè)置動(dòng)力中心和電動(dòng)機(jī)控制中心。低壓供電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地方式。

此外，在風(fēng)電電源為獨(dú)立電源、反滲透海水淡化系統(tǒng)為主要負(fù)荷的聯(lián)合系統(tǒng)中，需要接入適當(dāng)?shù)妮o助電源，組成微網(wǎng)系統(tǒng)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定運(yùn)行。在已建成的孤島海水淡化項(xiàng)目中，輔助電源一般為柴油發(fā)電機(jī)組，但柴油發(fā)電機(jī)組只能發(fā)電，不能儲(chǔ)存多余電量，故在離網(wǎng)型風(fēng)電海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置作為輔助電源更為合適。儲(chǔ)能裝置的選擇需充分考慮微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)其充、放電性能的需求，能夠追蹤風(fēng)力發(fā)電電源的變化情況實(shí)時(shí)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(fēng)機(jī)出力特性，儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能電池。

故完整的離網(wǎng)型風(fēng)電—海水淡化聯(lián)合裝置供配電系統(tǒng)應(yīng)為包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內(nèi)的獨(dú)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(fēng)電機(jī)組及儲(chǔ)能裝置容量的選擇

在離網(wǎng)型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)電源和負(fù)荷容量的匹配關(guān)系及其優(yōu)化配置是一個(gè)重要步驟。特別是對(duì)于風(fēng)電獨(dú)立電源的離網(wǎng)型系統(tǒng)，較之風(fēng)光互補(bǔ)型電站具有更強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性。風(fēng)電、海水淡化負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置之間有復(fù)雜的匹配關(guān)系。

(1)風(fēng)電機(jī)組的配置原則。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力，除了與自身的電能轉(zhuǎn)化特性有關(guān)外，還與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處地區(qū)的風(fēng)資源狀況有密切聯(lián)系。一般,根據(jù)風(fēng)機(jī)與風(fēng)速相關(guān)的功率曲線，利用測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)輪轂同高度的實(shí)測(cè)每10 min平均風(fēng)速查出對(duì)應(yīng)該風(fēng)速的風(fēng)機(jī)功率，進(jìn)而得出1年中每10 min的風(fēng)機(jī)出力，然后在每個(gè)月中以天為單位，選取這個(gè)月中風(fēng)機(jī)出力數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)差最大的那天的10 min出力過程作為這個(gè)月的代表出力過程，從而得到每月典型日風(fēng)機(jī)的輸出功率。將各月典型日數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行風(fēng)機(jī)容量的選擇。一般，為了保證海水淡化裝置的一定產(chǎn)量，風(fēng)機(jī)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(fēng)電多采用中小型風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]及其他網(wǎng)絡(luò)媒體統(tǒng)計(jì)報(bào)道，早在20世紀(jì)70年代，小型風(fēng)電技術(shù)在我國(guó)風(fēng)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(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民家用供電，單機(jī)容量一般在0.1～10 kW。隨著小型風(fēng)電技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，小型風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量也不斷放大，目前主流機(jī)型的單機(jī)容量多為5，10，15，20，25，30，50，100 kW。

對(duì)應(yīng)于不同容量的小型海水淡化裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以選擇單臺(tái)大功率或多臺(tái)小功率等多種組合型式。假定項(xiàng)目所在地代表月的風(fēng)機(jī)輸出功率可在風(fēng)機(jī)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(shí)最大耗電量約為26.244 kW，則可以選擇2臺(tái)單機(jī)容量20 kW或者1臺(tái)30 kW和1臺(tái)10 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；而對(duì)應(yīng)的制水規(guī)模50 m3/h的海水淡化裝置，正常工作時(shí)最大耗電量約為141.5 kW，可以采用6臺(tái)30 kW和1臺(tái)20 kW、4臺(tái)50 kW或者2臺(tái)100 kW等組合型式的風(fēng)機(jī)。當(dāng)然，在工程實(shí)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(chǔ)能裝置的配置原則。文獻(xiàn)[14-20]對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電裝機(jī)容量及儲(chǔ)能裝置容量的優(yōu)化配置進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，并得出儲(chǔ)能裝置風(fēng)電機(jī)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(fēng)電電源的波動(dòng)性更大，對(duì)儲(chǔ)能裝置的要求與并網(wǎng)型系統(tǒng)也不盡相同。

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

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力變化引起的負(fù)荷側(cè)母線電壓波動(dòng)范圍為-15%～10%時(shí)，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(fēng)電電源的變化，此時(shí)儲(chǔ)能裝置的容量?jī)H需滿足能維持系統(tǒng)停機(jī)時(shí)反沖洗水泵工作電量即可，按海水淡化正常關(guān)機(jī)流程啟動(dòng)關(guān)機(jī)程序；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力變化引起的負(fù)荷側(cè)母線電壓波動(dòng)范圍不能夠滿足變頻裝置的輸入電壓波動(dòng)范圍要求時(shí)，需投入儲(chǔ)能裝置，平滑電源波動(dòng)，維持微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、頻率的穩(wěn)定性，此時(shí)儲(chǔ)能裝置的容量與風(fēng)電電源的波動(dòng)需匹配，其最經(jīng)濟(jì)合理的配置容量需根據(jù)具體項(xiàng)目所在地的風(fēng)力資源及負(fù)荷特性等綜合因素確定。

3 結(jié) 論

(1)離網(wǎng)型風(fēng)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(fēng)能資源的孤島地區(qū)。

(2)完整的離網(wǎng)型風(fēng)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(tái)或單臺(tái)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)的完整的海水淡化工藝控制系統(tǒng)及泵組、為保證整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的輔助電源系統(tǒng)以及其他變配電裝置。

(3)對(duì)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(jí)電壓供電，將風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能裝置及海水淡化裝置負(fù)荷全部連接于此。

(4)風(fēng)電機(jī)組及儲(chǔ)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(diǎn)的風(fēng)資源特性、設(shè)備成本，根據(jù)電源出力特性及負(fù)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(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)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(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電電氣設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhwei@ncpe.com.cn；

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