楊 昀

（湖南中南水務(wù)環(huán)?？萍加邢薰?，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

向海洋索取淡水已成為世界沿海國(guó)家的共識(shí)[1]，海水淡化是解決海島淡水資源匱乏的最好途徑，海水淡化工藝系統(tǒng)及能耗成本高是影響海水淡化應(yīng)用發(fā)展的主要因素。

目前，我國(guó)海水淡化制水成本中，能耗占比超過一半，在反滲透法中，能耗為3 ～4 kW·h/t，占總成本的52%；在低溫多效法中，電耗+蒸汽成本占總成本的56%。我國(guó)已建成的海水淡化工程的能源主要由電力提供。例如，反滲透海水淡化工程能源以電力為主，由國(guó)家電網(wǎng)提供的電力占工程數(shù)量的63.9%；由自發(fā)電設(shè)備提供的電力占工程數(shù)量的36.1%。低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化工程主要采用電力與蒸汽相結(jié)合的能源利用方式，電力和蒸汽均來自其所依托的火電廠。能耗成本導(dǎo)致海水淡化制水成本的居高不下，成為海水淡化推廣應(yīng)用發(fā)展道路上的重要阻礙[2]。

1 項(xiàng)目概況

本工程為某海島反滲透海水淡化工程，動(dòng)力供應(yīng)為離網(wǎng)風(fēng)能，設(shè)計(jì)內(nèi)容由海水淡化工藝系統(tǒng)、風(fēng)能供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。工程主要目的是滿足村民的日常生活用水。其中，海水淡化系統(tǒng)組成主要包括取水、預(yù)處理、反滲透、排水、系統(tǒng)內(nèi)的管路和閥門以及整個(gè)工藝過程要求的電氣、儀表及自動(dòng)控制系統(tǒng)等[3]。

2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)原理

圖1 為非并網(wǎng)風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將不穩(wěn)定的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)過風(fēng)能控制器轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的直流電，然后通過變流器將不穩(wěn)定直流電轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流電。同時(shí)，該系統(tǒng)具有發(fā)電機(jī)組最佳功率跟蹤功能，提高了風(fēng)能利用率。然后再將電能輸送到蓄電池組和離網(wǎng)變流器端，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的交流電源，為海水淡化系統(tǒng)提供電源。蓄電池組在系統(tǒng)中能起到儲(chǔ)能和穩(wěn)壓的作用，在風(fēng)能不足的情況下，由蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充供電。BMS 電池管理系統(tǒng)可以對(duì)每塊蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能快速定位到故障的蓄電池，便于蓄電池組維護(hù)工作。

2.2 風(fēng)力機(jī)組設(shè)計(jì)

負(fù)載運(yùn)行功率為17.92 kW，采用50 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用離網(wǎng)供電形式，存在蓄電池組處于充滿狀態(tài)且只有負(fù)載消耗電能的時(shí)候，這時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組剩余的能量都已消耗，故在離網(wǎng)系統(tǒng)中，建議按照年平均風(fēng)速6 m/s 設(shè)計(jì)。年發(fā)電量約為121.3 MWh，平均日發(fā)電量約為332.3 kW·h，系統(tǒng)效率取0.8，則日發(fā)電量約為：332.3 kW·h×0.8= 265.9 kW·h。

2.3 變流器設(shè)計(jì)

圖1 非并網(wǎng)風(fēng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

做最大功率跟蹤時(shí)，風(fēng)機(jī)控制器輸出范圍為DC0～ DC680 V，若控制器直接和蓄電池連接，受蓄電池電壓允許范圍的影響，風(fēng)能控制器輸出范圍DC420 ～DC580 V，其中DC580 ～DC680 V 風(fēng)能發(fā)電無法利用，為了提高風(fēng)能系統(tǒng)利用率，增加DC/DC 模塊，DC/DC模塊輸入電壓范圍為DC0 ～DC750 V。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率為50 kW，最大功率約為55 kW，并且DC/DC 變流器每個(gè)功率模塊為7.5 kW，因此DC/DC 變流器功率模塊個(gè)數(shù)為55 kW/7.5 kW=7.3，選用8 個(gè)功率模塊，DC/DC 變流器功率為60 kW。

2.4 逆變器設(shè)計(jì)

負(fù)載裝機(jī)功率為27.42 kW。可能同時(shí)工作的負(fù)載裝機(jī)總?cè)萘繛椋?7.42 kW-3 kW-1.5 kW=22.92 kW。由于負(fù)載基本上都是感性負(fù)載，需要帶變頻器啟動(dòng)，否則逆變器的功率至少為負(fù)載功率的6 倍，帶變頻器時(shí)，逆變器的功率一般為負(fù)載功率的1.2 倍左右，則逆變器的功率為22.92 kW×1.2=27.504 kW，根據(jù)市場(chǎng)產(chǎn)品規(guī)格，選用額定功率為30 kW。

2.5 蓄電池組設(shè)計(jì)

蓄電池組的存儲(chǔ)容量按照5 h 來考慮，蓄電池組的放電深度為0.5，則蓄電池組的容量為：407.76 kW·h× 5/24/0.5/480 V=354 Ah，選用2 V/300 Ah 的蓄電池組，則蓄電池組的串聯(lián)數(shù)量為：480/2=240 塊，并聯(lián)數(shù)量為：354 Ah/300 Ah=1.1 組，則蓄電池組的總數(shù)量為：240×1=240 塊。

2.6 電池管理系統(tǒng)

BMS 電池管理系統(tǒng)對(duì)單體電池、電池組進(jìn)行分層、分級(jí)、統(tǒng)一的管理，根據(jù)各層級(jí)的特性對(duì)電池的各類參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)均衡、報(bào)警、保護(hù)等有效的管理，使各組電池達(dá)到均等出力，確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，可以自動(dòng)診斷出現(xiàn)問題的單體蓄電池，便于維護(hù)及更換，提高了工作人員的工作效率。

3 風(fēng)能供電運(yùn)行模式自動(dòng)切換

對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)以及對(duì)蓄電池剩余電量總供電功率監(jiān)測(cè)可得出相應(yīng)的功率值，該值與海水淡化系統(tǒng)的取水模塊、反滲透模塊及產(chǎn)水模塊耗電功率進(jìn)行數(shù)值比較分析，可判斷反滲透海水淡化系統(tǒng)裝置的最佳運(yùn)行模式。

假設(shè)風(fēng)力發(fā)電功率F1，蓄電池輸出功率F2、反滲透海水淡化裝置負(fù)載功率H1、取水模塊負(fù)載功率H2、反滲透模塊負(fù)載功率H3和產(chǎn)水模塊負(fù)載功率H4，進(jìn)行如下邏輯運(yùn)算。

（1）F1+F2＞H1時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入全模塊運(yùn)行模式。

（2）F1+F2＜H1時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入分模塊運(yùn)行模式。

（3）當(dāng)進(jìn)入分模塊運(yùn)行模式時(shí)，先比較各子模塊的功率并進(jìn)行排序，此時(shí)為H3＞H2＞H4。

（4）當(dāng)F1+F2＞H3時(shí)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)向反滲透模塊供電，當(dāng)F1+F2≤H3時(shí)，跳轉(zhuǎn)到下一步判斷子程序。

（5）當(dāng)F1+F2＞H2時(shí)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)向預(yù)處理模塊供電，當(dāng)F1+F2≤H2時(shí)，跳轉(zhuǎn)到下一步判斷子程序。

（6）當(dāng)F1+F2＞H4時(shí)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)向產(chǎn)水模塊供電，當(dāng)F1+F2≤H4時(shí)，此時(shí)任何模塊都無法運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

為了降低海水淡化系統(tǒng)設(shè)備的頻繁啟停次數(shù)和保障海水淡化系統(tǒng)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，需要在全模塊運(yùn)行模式和分模塊運(yùn)行模式下分別對(duì)風(fēng)力機(jī)組、蓄電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行合理配置。儲(chǔ)能系統(tǒng)處于恒壓頻比模式，為供電系統(tǒng)提供電壓、頻率支撐，保證供電系統(tǒng)電源與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)風(fēng)力機(jī)組功率波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)變化功率，保證負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)持續(xù)小風(fēng)或無風(fēng)，風(fēng)力機(jī)組出力不足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)放電保證負(fù)載正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文研究提出了一種非并網(wǎng)風(fēng)能供電系統(tǒng)在海島反滲透海水淡化工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方式，有助于解決海島海水淡化系統(tǒng)供電問題及降低運(yùn)行能耗成本。風(fēng)能供電系統(tǒng)能進(jìn)行全模塊運(yùn)行和分模塊運(yùn)行自動(dòng)切換，從而降低了海水淡化系統(tǒng)設(shè)備的頻繁啟停次數(shù)，保障了海水淡化系統(tǒng)設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行。