施建中

(江蘇省宏觀經濟研究院，南京210013)

非并網風電單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)研究

施建中

(江蘇省宏觀經濟研究院，南京210013)

為了緩解我國淡水缺乏的現(xiàn)狀，將海水進行淡化成了一個主要的研究方向。針對傳統(tǒng)海水淡化方法屬高耗能產業(yè)，并且使用常規(guī)能源，對環(huán)境易造成二次污染的缺陷，介紹了一種基于非并網多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于非并網風電原理，利用風、光、潮汐等綠色能源對海水淡化系統(tǒng)供電，提高了能源的利用效率，實現(xiàn)二氧化碳的零排放，具有很好的社會經濟效益。本文設計并研發(fā)了一套單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用1臺2.5 MW風機對海水淡化系統(tǒng)供電，基于非并網風電理論，做到了風電高效、低成本、全部利用。

非并網；風網互補；多能源協(xié)同；海水淡化；變頻

1 前言

我國的淡水資源總量為2.8×1012m3，占全球水資源的6%。但是人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4，美國的1/5，在世界上排第121位。我國年均缺水4×1010m3，在全國600多座建制的城市中，2/3的城市缺水，400余座城市供水不足，110余座城市嚴重缺水[1]。而且水污染問題日趨嚴重，3億多農民引用水不合格。我國也被聯(lián)合國列入全球13個“水資源緊缺國家”。有些地區(qū)由于缺水過度開采地下水，導致建筑物損壞，道路、橋梁、地下管道開裂，鐵路扭曲變形，防洪堤壩維護費用增加，沿海土地受海水入侵、鹽漬化嚴重等一系列嚴重后果。缺水問題已經成為中國經濟增長與發(fā)展的控制因素，對個別城市甚至是持續(xù)生存的關鍵。

除中國以外，世界上越來越多的國家即將面臨或正在面臨著水資源短缺，他們正在積極地探索海水淡化與利用工藝。海水淡化又稱“海水脫鹽”，是通過物理、化學或物理化學方法從海水中獲取淡水的技術和過程[2]，它是解決水資源短缺的重要途徑。已有130多個國家應用海水淡化技術。比較典型的有阿聯(lián)酋、意大利、以色列、新加坡、西班牙等國家。

我國《海水利用專項規(guī)劃》指出，到2020年，我國海水淡化能力將達到2.5×106～3×106m3/d，大幅度擴大和提高海水化學資源的綜合利用規(guī)模和水平，對解決沿海地區(qū)缺水問題的貢獻率將達到26%～37%。

目前風力發(fā)電技術已日趨成熟，但由于其不穩(wěn)定性，給電網造成較大沖擊，大規(guī)模并網難以實現(xiàn)，其經濟效益在一定程度上也受到了限制。目前，各國都沒有通過風能直接進行海水淡化的先例。本文首先介紹非并網風電理論在海水淡化系統(tǒng)中的應用研究以及基于非并網多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)，在此基礎上研發(fā)了非并網風電日產萬噸海水淡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以利用風電獨立供電，也可進行風電與網電、太陽能等其他可再生能源協(xié)同供電，本文主要討論風電獨立供電海水淡化系統(tǒng)。

2 非并網風電理論

風電并網是世界上大規(guī)模風電場的唯一應用方式。風的高度不穩(wěn)定性，導致風電大幅度波動。在沒有水電或燃氣發(fā)電調峰的情況下，風電對電網貢獻率難以超過10%。2011年風電限電棄風問題突出，全國約有100億度風電電量由于被限發(fā)而損失，2012年上半年已超過2011年全年棄風量。

非并網風電是指大規(guī)模風電直接應用于一系列通過技術創(chuàng)新、能較好應用風電特性的產業(yè)[3]。大規(guī)模風電的終端負荷不再是電網，其與蓄電池配套的小型獨立運行供電系統(tǒng)也不同，而是將風電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，以期解決無法上網的風電的利用問題。

離網型風電模式風電經蓄電后為負載供電，利用效率降低30%左右，投資卻增加約一倍。并網型風電模式風機結構復雜，風電對電網污染嚴重。在沒有燃氣發(fā)電、水電等調峰時，風電在電網中貢獻率一般難以超過10%。而非并網型風電模式利用風/網協(xié)同供電，風電、網電相互獨立、互不干擾，協(xié)同為負載供電。風機結構優(yōu)化，成本降低，實現(xiàn)風電高效、低成本全部利用。

風電的這種非并網模式，將發(fā)電與負載直接耦合為一個“新系統(tǒng)”，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。

1)采用直流電，回避風電上網電壓差、相位差、頻率差等難以控制的問題，繞開電網這一限制風電大規(guī)模應用的瓶頸，也避免了風電并網對電網系統(tǒng)的影響。

2)突破終端負荷使用風電的局限，使大規(guī)模風電在非并網風電系統(tǒng)中100%利用。

3)由于沒有了上網條件的束縛，風力機可以采用一些低成本、高效能的設備，也可以簡化甚至省去成本高、結構復雜的設備。

非并網風/網協(xié)同供電的特性關系如式(1)和式(2)所示。

式（1）、式（2）中，I為供電總電流；I1為風電電流；I2為網電電流；U1為風電電壓；U2為網電電壓。I0，A，t，α等參數(shù)隨網電電壓的變化而調整。

目前，非并網風電可以直接應用的高耗能領域主要有：以電解鋁為重點的有色冶金工業(yè)，鹽化工氯堿產業(yè)，大規(guī)模海水淡化，規(guī)模化制氫和以非金屬為原料的精深加工產業(yè)鏈等[4，5]。本文的側重點在非并網風電在海水淡化系統(tǒng)中的研究與應用。

3 非并網風電在海水淡化系統(tǒng)中的研究

海水淡化技術的研究起源于20世紀50年代中期，到現(xiàn)在，已發(fā)展為一種可靠的工業(yè)技術。按分離過程分類，海水淡化方法主要有蒸餾法、膜分離法、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。蒸餾法又分多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)、壓汽蒸餾(VC)和太陽能蒸餾等；膜分離法分反滲透法(RO)和電滲析法(ED)。其中最適用于大型的海水淡化的方法只有MSF、MED、VC、RO等?，F(xiàn)階段海水淡化技術的發(fā)展已進入了一個節(jié)能、環(huán)保、防垢、高效的階段，為了更好地實現(xiàn)綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略，必須運用多種手段對海水淡化技術作進一步的改進和提高。

海水淡化的成本在很大程度上取決于消耗電力和蒸氣的成本，國內外大部分海水淡化廠都是和發(fā)電廠建在一起，采取海水淡化工程和電力聯(lián)產聯(lián)供的建設模式以求降低成本[6]。而新建火電廠或利用網電，不但會消耗大量的一次能源，造成環(huán)境污染[7]，也不利于降低海水淡化的成本，并使市電電網背上沉重的負擔。為了降低成本，風能、太陽能等可再生能源和海水淡化技術的結合在近些年逐漸成了主要的研究方向[8]。

非并網風電海水淡化系統(tǒng)將風電與新型海水淡化直接耦合。文獻[9]提出了一種基于風/網協(xié)同供電的非并網風電海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由非并網風機、控制系統(tǒng)、電力變換器以及海水淡化系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 非并網風電海水淡化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Non-grid-connected wind power seawater desalination system

由于沒有并網的限制，“非并網風電”將引發(fā)風電機組的極大簡化，主要表現(xiàn)在變流器的并網系統(tǒng)和功率系統(tǒng)的簡化、輸變電線路上各變電站的簡化以及風力機設計的簡化等。非并網風機最終實現(xiàn)風能利用率的提高和系統(tǒng)成本的降低。

電力變換系統(tǒng)是實現(xiàn)風電海水淡化耦合的關鍵技術之一，既要實現(xiàn)風能的最大捕捉，還應與網電進行協(xié)同供電，來適應風電的波動性和間歇性，避免頻繁啟停對海水淡化系統(tǒng)造成不利影響。

其采用非并網風/網互補協(xié)同供電模式，可實現(xiàn)風電的高效利用和生產的最低成本，如圖2所示。

圖2 非并網風/網協(xié)同供電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Non-grid-connected wind/grid collaborative power supply system

風電和網電經整流后進入到風/網協(xié)同智能控制系統(tǒng)，共同給負載供電。當風力發(fā)電機輸出功率大于負載工作功率時，完全由風電供電，多余部分由風電功率平衡模塊消納；當風力發(fā)電機輸出功率小于負載工作功率時，不管風力發(fā)電機輸出功率多少（只要有電），都以風電發(fā)電量為基數(shù)，與網電同步給負載供電，保證風電100%使用。

其具備以下特點。

1)非并網供電模式，風電不需要并網，也不使用蓄能裝置（如鉛酸蓄電池、液流電池、抽水蓄能電站等），與網電同步給負載供電，柔性對接，對電網的影響在其正常波動范圍內。

2)風電智能變換跟蹤技術，不管風力發(fā)電機輸出功率大?。ㄖ灰须姡?，都能以風電發(fā)電量的多少為基數(shù)，與網電同步給負載供電，保證風電100%使用。

3)風電高效智能緩存技術，對于功率周期性波動的負載，可以大幅度提高風電利用效率，減小負載對電網的沖擊。

4)風力機具有自動變槳限速或偏航限速、自動卸荷、自動停機與開機功能，使系統(tǒng)運行更可靠、穩(wěn)定、安全和方便。

如果將風電擴展到太陽能、生物質發(fā)電等其他可再生能源，則構成了多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)示意圖Fig.3 Non-grid-connected multi-energy collaborative power supply system

由圖3可以看出，非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)是將風電、網電、光伏發(fā)電、水電、柴電、余熱發(fā)電及生物質發(fā)電等多種能源產生的電能，通過智能控制系統(tǒng)按一定順序使用，給海水淡化系統(tǒng)協(xié)同供電。根據有無網電，此系統(tǒng)有兩種能源供給模式，當有網電時，多能源協(xié)同供電模式可以優(yōu)先使用風電、光伏發(fā)電、水電、余熱發(fā)電及沼氣發(fā)電等綠色電力，不足部分由網電補充；當無網電時，可以利用上述多種電力進行多能源脫網獨立供電。

非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)的核心內涵是把區(qū)域優(yōu)勢化的能源放在合適的地域發(fā)電，在特定的供電系統(tǒng)中各能源有適當?shù)碾娏┙o比例，協(xié)同發(fā)揮最優(yōu)化作用。該系統(tǒng)有許多集中供電系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點。

1)能量利用效率高。

2)就地生產，就地利用，能量輸配的損失小。

3)各種形式的電力協(xié)同配合，按一定優(yōu)先級為負載供電，使各類能源均發(fā)揮最優(yōu)利用狀態(tài)。

4)能源系統(tǒng)的安全性高。

非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)采用分布式布局，與集中供電的電網體系形成多層次、多梯度的協(xié)同供電網絡，不僅提高了國家電網安全運行能力，而且提高了區(qū)域特征明顯的綠色能源利用效率，解決了電網薄弱地區(qū)波動性風電的消納，增強了電網應對用電負荷波動的能力，還可以解決電網難以延伸的邊遠地區(qū)供電問題。

非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)可以根據地區(qū)產業(yè)特點，進行整體規(guī)劃和配置，將電能輸出與其他形式能源輸出相結合，形成冷、熱、電、氣、水等綜合供給保障體系，為某一區(qū)域進行能源綜合聯(lián)供，最優(yōu)化配置使用能源。

4 單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)

在日產100 t海水淡化系統(tǒng)的基礎上，本文設計了一套非并網風電日產萬噸海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1臺2.5 MW風機為海水淡化系統(tǒng)設備供電，其配電網的結構如圖4所示。

圖4 單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)配電圖Fig.4 Single fan daily million tons seawater desalination system distribution map

蓄電裝置的作用就是在風能出現(xiàn)波動或是中斷的情況時，及時為海水淡化系統(tǒng)的全部負載或是部分負載以及海水淡化系統(tǒng)的保安電源負荷（沖洗泵、提升泵、增壓泵等）提供可靠的電能，保證海水淡化系統(tǒng)正常運行。另外，在風能相對比較充足的時間里，啟動蓄電裝置將富裕的電能轉化成化學能儲存起來，待到海水淡化系統(tǒng)需要時再將化學能轉換成電能使海水淡化系統(tǒng)能夠正常工作。因為蓄電裝置的存在，提高了風能利用率，減少了風能的浪費；提升了海水淡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相應提升了海水淡化系統(tǒng)的效率。

在日產100 t淡水的情況下，可采用變頻控制來適應風電的波動，而當海水淡化系統(tǒng)擴大到1×104t的時候，單單采用變頻控制已不能滿足系統(tǒng)的工作需要。

本文設計的萬噸級海水淡化電氣控制集成系統(tǒng)中的電氣部分方案設計主要涵蓋了風力發(fā)電機組、電力系統(tǒng)接線方式、電力傳輸方式、海水淡化廠用電母線連接方式、保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行采取的措施和控制原則。為適應非并網風電的特性，保證海水淡化裝置運行調整的靈活性，兆瓦級非并網風電淡化海水方案設計了5套，且部分電動機負載加裝了變頻裝置，每套海水淡化裝置可以分別獨立運行。每套裝置在一定的范圍內可以連續(xù)調整，從而改變出水量，但不會改變電流效率和淡化水的質量。

該套萬噸級海水淡化系統(tǒng)如何適應風電波動，本文設計基于兆瓦級風機，其電控系統(tǒng)設計考慮的內容也更為全面。根據海水淡化生產過程特點，對兆瓦級風機運用海水淡化系統(tǒng)的非并網風電電控系統(tǒng)方案進行了研發(fā)與設計?；谠撾娏ψ儞Q控制系統(tǒng)，風電既可以獨立，也可以與蓄電池、柴油機、網電、太陽能發(fā)電等協(xié)同為海水淡化裝置供電。本方案全部采用風電進行供電，同時通過分組運行和蓄電池的協(xié)調供電使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了所有生產動力全部由風電提供。其控制策略如下。

1)當P風＞P淡化時，P風為風力發(fā)電機組的實時輸出功率，P淡化為海水淡化系統(tǒng)的額定功率，此時風力發(fā)電機組向海水淡化系統(tǒng)5組RO膜滲透產水機組供電和為蓄電裝置充電直到充滿為止，蓄電裝置不放電，5組RO膜滲透機組全部運行。

2)當P風=P淡化時，風力發(fā)電機組向海水淡化系統(tǒng)5組RO膜滲透產水機組供電，此時蓄電裝置不充電不放電，5組RO膜滲透機組滿負荷運行。

3)當P4組淡化＜P風＜P5組淡化時，保持風力發(fā)電機組向任意4組RO膜滲透機組供電，4組RO膜滲透機組滿負荷運行。

4)當P3組淡化＜P風＜P4組淡化時，保持風力發(fā)電機組向任意3組RO膜滲透機組供電，3組RO膜滲透機組滿負荷運行。

5)當P2組淡化＜P風＜P3組淡化時，保持風力發(fā)電機組向任意兩組RO膜滲透機組供電，兩組RO膜滲透機組滿負荷運行。

6)當P1組淡化＜P風＜P2組淡化時，保持風力發(fā)電機組向任意1組RO膜滲透機組供電，1組RO膜滲透機組滿負荷運行。

7)當P風＜P1組淡化時，風電和蓄電池協(xié)同為1組RO膜滲透機組供電，1組RO膜滲透機組滿負荷運行。當P風＜P1組淡化額定功率約1/2時，海水淡化系統(tǒng)停止運行，風力發(fā)電機組為蓄電裝置充電。

當風電功率逐步增大時，按照1～7的控制策略反向進行。

其工作模式如表1所示。

表1 單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)工作模式Table 1 Single fan daily million tons seawater desalination system working mode

PL代表海水淡化裝置的負載需要的能量；風力發(fā)電機的發(fā)電能量用PW來表示；PB代表蓄電裝置剩余的能量，蓄電池充滿之后的最大能量用PBMAX來表示。

對于每組RO膜滲透機組采用變頻控制來適應風電的波動。變頻器一般采用恒壓頻比（U/f=常數(shù)）控制，恒壓頻比變頻調速系統(tǒng)的基本原理結構如圖5所示，系統(tǒng)由升降速時間設定、U/f曲線、sinusoidal pulse width modulation（SPWM）調制和驅動等環(huán)節(jié)組成。其中，升降速時間設定用來限制電動機的升頻速度，避免轉速上升過快而造成電流和轉矩的沖擊，起軟啟動控制的作用；U/f曲線用于根據頻率確定相應的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時進行適當?shù)碾妷貉a償；SPWM調制和驅動環(huán)節(jié)將根據頻率和電壓要求產生按正弦脈寬調制的驅動信號，控制逆變器以實現(xiàn)電動機的變壓變頻調速。

圖5 恒壓頻比變頻調速系統(tǒng)原理圖Fig.5 The speed governor system of frequency conversion of constant voltage frequency ratio principle diagram

5 結語

非并網風電海水淡化系統(tǒng)將風電與海水淡化直接耦合。針對風電的波動和間歇特性，重點解決兩方面的問題：一個是在風電較小時，如何與其他能源協(xié)調供電，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行；另一個是新型海水淡化系統(tǒng)的多工況優(yōu)化控制，以便適應風電的波動特性，維持單位產水量的能耗基本不變。

非并網多能源協(xié)同供電系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)的離網型風電系統(tǒng)、并網型風電系統(tǒng)和分布式電網系統(tǒng)，是分布式電網的升華，并超越分布式電網電能輸入的單一來源，實現(xiàn)了多種電能協(xié)同供電。

非并網風電模式，風電不需要并網，全部利用，直接為海水淡化系統(tǒng)供電，采用智能耦合控制技術和風電緩存技術，利用非并網多能源協(xié)同供電模式，以獲取最大的風電利用效率和經濟效益。

本文設計的非并網風電單臺風機日產萬噸海水淡化系統(tǒng)采用變頻與分組運行技術，可適應風電波動，也可與太陽能等其他可再生能源協(xié)同供電，不受電力等常規(guī)能源限制。無污染、低能耗、運行安全穩(wěn)定可靠，生產規(guī)?？捎袡C組合，適應性好，投資相對較少，產水成本低，可為沿海缺水城市、海島提供淡水，同時也可以改良內陸鹽堿地土壤，解決全球各地鹽堿地區(qū)居民生活用水問題。

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Research on non-grid-connected wind power daily million tons seawater desalination system using single fan

Shi Jianzhong
(Jiangsu Institute of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China)

To alleviate the current situation of our country for lack of fresh water，seawater desalination has become a major research direction.According to traditional desalination is high energy-consuming industries，and uses conventional energy，which could easily lead to secondary pollution for environment，a seawater desalination system using non-grid-connected multienergy collaborative supply is proposed in this article.The system bases on non-grid-connected theory，wind，light，tidal and other green energy is utilized to power seawater desalination system，which can improve the efficiency of energy use and achieve zero emissions of carbon dioxide.The system possesses good social and economic benefits.This paper designs and develops a set of single blower daily million tons of seawater desalination system，using a 2.5 MW wind turbines of this system for seawater desalination and power supply system，based on the theory of non-grid-connected wind power，achieving high efficiency and low cost，full utilization.

non-grid-connected；wind grid complementary；multi-energy collaborative；seawater desalination；frequency conversion

TK89

A

1009-1742（2015）03-0035-06

2014-12-09

國家科技支撐計劃“兆瓦級非并網風電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導性示范”（2013BAB08B04）

施建中，1984年出生，男，江蘇淮安市人，主要研究方向為非并網風電基礎理論與產業(yè)化應用；E-mail：sjz@zjzw.net