蒙陰縣風光互補提水蓄能技術(shù)應(yīng)用

劉曉建，劉富堂，宋艷艷

（蒙陰縣水利局，山東 蒙陰 276200）

蒙陰縣是典型的山區(qū)縣，總面積1 601.6 km2，山丘區(qū)面積占總面積的94%。屬暖溫帶季風型大陸性氣候，冬季風為西北風，從10月中旬開始到12月達到全盛期，至4月中旬消失。夏季風為東南風，從6月中旬開始，7月進入極盛期，9月初結(jié)束。蒙陰縣屬太陽能資源較豐富區(qū)域，年總輻射量504.2 kJ/cm2，年平均日照數(shù)2 469.4 h,平均峰值日照射數(shù)4.14 h，日照率55.7%。

1 工程概況

蒙陰縣蘇家溝風光互補供電提水蓄能節(jié)水灌溉工程，是一處集清潔能源開發(fā)、高效節(jié)水灌溉建設(shè)于一體的現(xiàn)代水利示范工程，是水利生態(tài)文明建設(shè)與水利科技示范重點項目。該風光互補供電提水蓄能系統(tǒng)，主要由點源、提水設(shè)備、輸水管道和高位蓄水池等組成，將太陽能電池和風力發(fā)電機有機地組成一個系統(tǒng)，有效利用太陽能和風能在能量及時間上的互補性，最大限度地利用太陽能和風能進行提水蓄能。該工程實施節(jié)水灌溉面積達573 hm2，其中包括蘋果 260 hm2、蜜桃 186 hm2、雜果 127 hm2。

2 工程總體設(shè)計

該工程建設(shè)內(nèi)容主要由3部分組成：一是電源系統(tǒng)，即風光互補供電系統(tǒng)，有弦弧式垂直風力發(fā)電機、太陽能電池方陣、匯流保護裝置、太陽能及風能充放電控制器、超級能量采集器、太陽能專用蓄電池組、控制柜等組成；二是提水系統(tǒng)，有離網(wǎng)型光伏逆變電源和高性能潛水泵或離心泵、水泵控制器、控制柜等組成；三是輸水管道系統(tǒng)，主要有PE管輸水管道、高位蓄水池、單相閥等組成。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標：1）提水高差78 m，最大提水量約20 m3/h,一般日均提水量100 m3。2）蓄電系統(tǒng)儲能達到13.2 kW·h，系統(tǒng)平均無故障時間大于1萬h。3）抽水蓄能高位水池容積大于1 000 m3。

3 主要設(shè)備性能要求

3.1 風力發(fā)電機組

根據(jù)項目工程區(qū)域內(nèi)的風能資源，選用當前水平軸風力發(fā)電最新技術(shù)機型，其具有啟動風速低、自動對風向等優(yōu)點。由3個風葉、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾翼桿、尾翼、充電控制器和卸荷裝置等構(gòu)成。風輪直徑為4.2 m，啟動風速小于3 m/s，安全風速大于25 m/s，輸出額定交流電壓220 V，額定功率為2 000 W。風力發(fā)電機組由4臺2 000 W水平軸風力發(fā)電機組成，形成一小型風力發(fā)電場，與太陽能方陣互補發(fā)電，滿足提水蓄能灌溉的需要。

3.2 太陽能電池方陣

太陽能電池的輸出伏安（V-I）特性曲線具有強烈的非線性。在光伏系統(tǒng)中，負載的匹配特性決定了系統(tǒng)的工作特性和太陽能電池的利用效率。為確保太陽能電池供電系統(tǒng)得到最大功率，根據(jù)最大功率（MPPT）跟蹤法，必須跟蹤日照強度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負載阻抗的大小，從而達到陣列與負載的最佳匹配。

對太陽能電池陣列而言，應(yīng)按照負載的用電量及技術(shù)要求，確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)是由太陽能電池陣列的電壓決定，并應(yīng)考慮蓄電池的浮式充電、線路損耗壓降等。蓄電池的容量決定了其最大充電電流，該數(shù)值再結(jié)合負載電流，可決定太陽能電池的并聯(lián)數(shù)量。

蒙陰縣屬太陽能資源較豐富的區(qū)域。根據(jù)近20年氣象資料統(tǒng)計，蒙陰縣6—10月份期間連續(xù)陰雨天數(shù)為4 d，陰雨天與晴天的比例約為4∶3。由于采用風光互補供電方式，光能和風能的貢獻比例設(shè)計為7∶3。太陽能電池組件的功率通過計算可得為84.2 W。

根據(jù)蒙陰區(qū)域內(nèi)平均日照強度和日照量，按日累計提水量100 m3，最大提水流量20 m3/h和揚程78 m的設(shè)計要求，該工程選用高效270 W轉(zhuǎn)換效率為15.2%的多晶硅太陽能電池組件40只，組成太陽能電池方陣，方陣二組尺寸均為20.0 m×2.0 m×0.04 m,額定工作電壓360 V，額定工作電流30 A。

3.3 充電控制器和匯流控制保護裝置

1）風電控制器?？刂颇K由微電腦控制，采用低損耗器件和靜態(tài)開關(guān)技術(shù)，具有獨特的前級斬波卸荷功能、分級卸荷功能和超速自動剎車功能，使發(fā)電機和后續(xù)電路及負載得到多重保護。其特別設(shè)計了同時具備BUCK和BOOST兩種功能的穩(wěn)壓電路，可在5～75V的超寬電壓范圍內(nèi)輸出與系統(tǒng)相匹配的電壓值，即使風機在較低或超高的風速下，都可以為蓄電池進行充電，使風能得到更加充分的利用。另外，還針對鉛酸蓄電池充電特點，設(shè)計了專用充電控制電路，可實現(xiàn)對鉛酸蓄電池的三階段充電智能化管理，大大延長了蓄電池的使用壽命。

2）太陽能充電控制器。太陽能電池的輸出特性隨著光照強度、溫度等自然條件的改變，最大輸出功率點也相應(yīng)改變。為提高光伏發(fā)電效率、降低成本，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須考慮最大功率點的跟蹤問題。為跟蹤光伏系統(tǒng)的最大功率點，依據(jù)太陽能電池的V-I和P-V輸出特性，采用“一點法和雙閉環(huán)控制”的思路，采用了大功率智能光伏控制器，其額定電壓DC360V,最大充電電流60 A，太陽能充電輸入4路，具有過放、過充、過壓、過流和短路等保護功能。

3）匯流控制保護裝置。匯流保護模塊是將太陽能電池方陣和風力發(fā)電場并接在一起，實現(xiàn)匯流后給儲能裝置充電，各路之間相互隔離，防止電流反串而損毀設(shè)備，同時還具有保護功能，能有效地消除系統(tǒng)中的共模和差模干擾。

3.4 SL-SNB專用離網(wǎng)型光伏逆變器

SL-SNB離網(wǎng)型正弦波光伏逆變電源，是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電提水灌溉的專用設(shè)備。

逆變電源采用雙MCU控制智能化運作模式。先進的正弦波脈寬調(diào)制（SPMW）技術(shù)，全橋式純正弦波逆變器設(shè)計，諧波失真??；具有變頻軟啟動功能；輸入電壓范圍寬，具有自動穩(wěn)壓功能；交流旁路設(shè)計，維護方便。

3.5 超級電容和免維護蓄電池混合儲能裝置

1）超級法拉電容。超級電容具有超低串聯(lián)等效電阻、充放電方式簡單和超長壽命的特點，設(shè)計使用100 F/54 V超級電容作為風力發(fā)電的前級能量采集，可大大提高風能利用率和風力發(fā)電機的效率。

2）太陽能專用蓄電池。根據(jù)超級法拉電容和免維護蓄電池不同的優(yōu)勢，本次采用250F/54V作為前級的能量采集器，配以高性能的DC-DC開關(guān)電源升壓模塊，大大提高了風力發(fā)電機和太陽能的利用率。即使在微風或陽光不充足的情況下，仍可將風力發(fā)電機和太陽能產(chǎn)生的毫安級弱電流儲存在超級電容中，經(jīng)升壓模塊將超級電容中電能轉(zhuǎn)換后，對后級的儲能裝置充電。

4 工程施工

1）風力發(fā)電風場選擇。風速分布有很強的地形依賴性，不同的地形可加速或阻礙空氣的流動。為獲得較高的風能資源，在利用常規(guī)氣象資料計算風力資源的總體資料外，還需結(jié)合施工地點，科學選擇風力機安裝場址。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，蒙陰縣蘇家溝屬于地形復雜的山脊隆升地形和山谷低凹地形。綜合考慮風向、地形等多種因素，將風力發(fā)電機、太陽能電池方陣、充電控制器、匯流保護裝置，安裝在山肩的蓄水池附近，通過電纜送至泵房的混合儲能裝置、潛水電泵控制器和電泵。風力發(fā)電機組安裝于高7.5 m的鐵塔架頂部、太陽能電池方陣固定在鋼支架上。2）太陽能電池方陣安裝。太陽能電池方陣支架采用三角鐵結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為混凝土底座，太陽能電池板面向南方，傾斜角為41°。3）潛水電泵安裝。為方便運行管理，在水源處建設(shè)小型泵房1處，水泵及有關(guān)控制部件均安裝在泵房內(nèi)。4）風力發(fā)電機安裝。風力發(fā)電機豎桿為220 mm鍍鋅錐形塔架，管長7.5 m，壁厚4 mm，底座直徑460 mm。底座基礎(chǔ)嵌入堅硬的基巖中，埋入地下不小于1 100 mm。5）其他設(shè)備安裝。其他設(shè)備安裝應(yīng)滿足水利機電工程安裝的規(guī)范性要求，施工人員必須具備相應(yīng)的資質(zhì)，持證上崗，工程安裝質(zhì)量符合ISO9001質(zhì)量體系規(guī)范。