離網型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術配電方案

張瑋，武耀勇

(華北電力設計院工程有限公司，北京市 100120)

離網型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術配電方案

張瑋，武耀勇

(華北電力設計院工程有限公司，北京市 100120)

為了搭建穩(wěn)定的、以風力發(fā)電作為獨立電源驅動海水淡化裝置的聯(lián)合系統(tǒng)配電網絡結構，結合風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術的研究應用現狀，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，提出了針對離網型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合技術的配電方案。搭建了包含離網型風力發(fā)電機組、儲能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內的獨立小型微電網系統(tǒng)，構成一套完整的聯(lián)合系統(tǒng)配電網絡結構，同時作為保證該微網系統(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。

離網型風力發(fā)電；海水淡化；聯(lián)合技術；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都對風能和海水淡化系統(tǒng)的耦合技術給予了更多的關注，文獻[6-12]都提到了風能和海水淡化的耦合，其中包括了風能轉化為機械能與海水淡化的耦合及將風能轉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的可行性及其成本分析,并未對其中的配電網絡技術細節(jié)做出論述，更未對該系統(tǒng)在離網型風電系統(tǒng)中的穩(wěn)定運行進行研究。

本文以基于小型的離網型風力發(fā)電機組與海水淡化工藝相結合的微網系統(tǒng)供配電結構為研究對象，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，離網型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)配電網絡結構所要解決的關鍵技術難點。利用小型離網型風力發(fā)電機組將風能轉化為電能后驅動海水淡化裝置，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

風能直接驅動的反滲透海水淡化裝置，由立軸式風力機直接驅動海水淡化高壓泵。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。2011年，國電電力投資建設的東福山島“風光柴蓄”海水淡化綜合系統(tǒng)工程建成投產，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)合技術配電系統(tǒng)結構

邊遠海島地區(qū)海水資源豐富但電網條件薄弱，有些地區(qū)甚至完全沒有電網支撐。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)化電力結構已成當務之急。在目前眾多的可再生能源與新能源技術中，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)結構已有多個成功的運行案例。本文將針對50 m3/h以下產水量的海水淡化裝置，針對單一電源的離網型風力發(fā)電—海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)，提出合理的配電系統(tǒng)結構，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單元，分離去除海水中一定的雜質并為下一級凈化分離技術單元作準備。

根據單元工序及其設備作用的不同，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)產水品質符合標準要求的關鍵所在。海水預處理的目的在于提高產水水質，保證反滲透淡化裝置安全穩(wěn)定、高效經濟地運行。

圖1 海水淡化工藝流程

2.1.2 海水淡化裝置的負荷特性

為了適應風電的波動特性，海水淡化裝置采用模塊化設計和變頻技術來調節(jié)給水壓力和進水流量。模塊化設計將膜殼分為3組，按風電輸出功率選擇開啟合適數量的高壓泵及匹配膜堆。變頻技術即通過調整高壓泵配套電機的轉速來調節(jié)高壓泵的功率，以此來適應風電波動和流量的變化(如圖1所示)。根據目前變頻器設備的技術發(fā)展水平來看，其對網側輸入電壓的波動適應范圍最大可以達到額定輸入電壓的-15%～10%。此外，針對離網型風電海水淡化聯(lián)合裝置，結合現有風電機組設備容量，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。根據負荷性質，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)結構

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備由電動機控制中心供電。

對于離網型風電海水淡化聯(lián)合裝置，結合現有風電機組設備容量，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，需要接入適當的輔助電源，組成微網系統(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節(jié)，其容量應能夠保證微網系統(tǒng)的穩(wěn)定及設備安全即可，不能成為海水淡化生產的主用電源。結合海水淡化工藝要求及小型離網風機出力特性，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。

故完整的離網型風電—海水淡化聯(lián)合裝置供配電系統(tǒng)應為包含風力發(fā)電機組、儲能裝置、海水淡化工藝系統(tǒng)在內的獨立小型微電網系統(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

在離網型供電系統(tǒng)的設計中，系統(tǒng)電源和負荷容量的匹配關系及其優(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化特性有關外，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,根據風機與風速相關的功率曲線，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據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。將各月典型日數據對比分析，選取合適的典型日數據作為代表月發(fā)電量，結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量，風機的代表月發(fā)電量應不小于海水淡化裝置的最大耗電量為宜。

離網型風電多采用中小型風電機組，根據文獻[13-14]及其他網絡媒體統(tǒng)計報道，早在20世紀70年代，小型風電技術在我國風能資源豐富的內蒙古、新疆等地區(qū)就得到了發(fā)展，最初被廣泛應用在邊遠地區(qū)的農牧民家用供電，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，其結論可供聯(lián)合系統(tǒng)參考。但離網型風電電源的波動性更大，對儲能裝置的要求與并網型系統(tǒng)也不盡相同。

對于離網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，可以由變頻器調節(jié)泵組出力，以適應風電電源的變化，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，按海水淡化正常關機流程啟動關機程序；當風力發(fā)電機的出力變化引起的負荷側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，其最經濟合理的配置容量需根據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 論

(1)離網型風力發(fā)電及海水淡化聯(lián)合裝置適合電網結構薄弱或周邊沒有電網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)完整的離網型風力發(fā)電和海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)的配電方案中，應包含多臺或單臺離網型風力發(fā)電機組、具有一定調節(jié)手段并在一定范圍內能夠適應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)對應不超過制水規(guī)模50 m3/h的海水淡化裝置，其配電網絡結構可按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備選型及其容量配置需結合具體工程地點的風資源特性、設備成本，根據電源出力特性及負荷特性等綜合因素確定。

[1]劉岱,龐松嶺.風電集中接入對電網影響分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2011,23(3):156-160.

[2]張鋒,李明霞,樊國偉,等.風電接入對地區(qū)電網暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響[J].中國電力,2011,44(9):17-21.

[3]郝元釗,李培強,李欣然,等.風電機組對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2012,24(2):41-46.

[4]馬幼捷,楊海珊,周雪松,等.風電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2010,22(3)：22-26.

[5]張興,張龍云,楊淑英,等.風力發(fā)電低電壓穿越技術綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2008,20(2):1-8.

[6]李杰，陶如鈞.風能海水淡化概述[J].凈水技術，2008，27(1)：9-11.

[7]任典勇,施慧雄.海島風能海水淡化組合體系研究[J].海洋學研究,2009,27(2):111-118.

[8]王春,馮冰春,張金接,等.變負荷反滲透海水淡化技術研究[J].水處理技術,2012,3(8):59-61.

[9]郝曉地，李會海.海水淡化+風能發(fā)電+鹽業(yè)化工-三位一體的清潔生產技術[J].節(jié)能環(huán)保技術，2006(10)：25-28.

[10]張子皿，馮賓春，張金接，等.新能源獨立電網海水淡化系統(tǒng)示范工程[J].中國水利水電科學研究院學報,2012,10(3):231-235.

[11]朱法軍，杜彭飛.新型風能海水淡化耦合系統(tǒng)[J].中國農村水利水電,2010(7):70-75.

[12]Miranda M S, Infield D. A wind-powered seawater reverse-osmosis system without batteries[J].Desalination,2002,153:9-16.

[13]習蕓.我國中小型風電設備發(fā)展現狀及趨勢[EB].北京：中國機械工業(yè)聯(lián)合會機經網，2011-8. http://www.mei.net.cn/qtmy/201108/382796.html.

[14]沈德昌，王元玥.中國小型風電機組的發(fā)展和應用[J].太陽能，2013(5)：9-12.

[15]梁亮，李建林，惠東.大型風電場用儲能裝置容量的優(yōu)化配置[J].高電壓技術，2011,37(4)：930-936.

[16]羅必雄.分布式能源站的系統(tǒng)集成與優(yōu)化運行[J]. 電力建設,2010,31(5):1-6.

[17]李軍軍,吳球球,譚勛瓊,等.風力發(fā)電及其技術發(fā)展綜述[J].電力建設,2011,32(8):64-72.

[18]鮑莎日娜，栗文義，巴根，等.風力發(fā)電為主導的孤立發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估[J].電力建設,2011，32(7):1-5.

[19]王海華，韓學棟，李劍鋒.一種離網型“風光柴儲”一體化應用系統(tǒng)設計[J].電力建設，2013，34(8):81-86.

[20]顧衛(wèi)東.大規(guī)模非并網風電系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(19)：1-4.

(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

國家能源應用技術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)電電氣設計工作。