自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)性能特點(diǎn)

鄭琍莉 張 寶

上海驕英能源科技有限公司

1 引言

自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)中的海水淡化設(shè)備為光熱海水淡化，與傳統(tǒng)膜法海水淡化不同，其主要利用太陽(yáng)輻射能集熱產(chǎn)生蒸汽對(duì)海水進(jìn)行蒸餾處理。熱法海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的蒸汽量與太陽(yáng)輻射量有直接關(guān)系，太陽(yáng)的熱輻射值越高，蒸汽量也越大，海水淡化設(shè)備用電量也隨之逐漸增大。

通過(guò)設(shè)備運(yùn)行工藝設(shè)計(jì)，使海水淡化設(shè)備的用電量趨勢(shì)曲線與太陽(yáng)能光伏每日發(fā)電量近似相同，理想狀態(tài)下光熱海水淡化系統(tǒng)的用電需求可以通過(guò)光伏發(fā)電滿足。風(fēng)能作為太陽(yáng)輻射能的補(bǔ)充，可以彌補(bǔ)太陽(yáng)輻射能在陰雨天氣等輻射不足情況下的用電需求。

因此將風(fēng)光互補(bǔ)與海水淡化結(jié)合，并建立負(fù)載自匹配機(jī)制，根據(jù)發(fā)電量投入或減少用電設(shè)備，達(dá)到減少或不使用蓄電池等傳統(tǒng)儲(chǔ)能消納設(shè)備的目的。

2 系統(tǒng)的組成

圖1是自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)示意圖，其電氣系統(tǒng)由多個(gè)系統(tǒng)組成。分為以下幾個(gè)系統(tǒng)：負(fù)荷自匹配控制系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)、線性菲涅爾跟蹤控制系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

負(fù)載自匹配控制系統(tǒng)為總控制系統(tǒng)，是自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。其收集風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)根據(jù)新能源發(fā)電情況匹配投入符合用電要求及工藝要求的負(fù)載，使新能源輸出電力可以完全被系統(tǒng)負(fù)載消納，達(dá)到電力平衡。

圖1 自匹配控制系統(tǒng)電氣系統(tǒng)示意圖

2.1 基于Modbus及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)

圖2是整個(gè)自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸框圖。自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)由兩套通訊協(xié)議構(gòu)成，其由控制通道1、2、S7-200/S7-300可編程控制器組、用戶數(shù)字I/O接口和上位機(jī)操作運(yùn)行報(bào)警界面等組成。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸框圖

自匹配系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)單元的信息交換，使用Modbus及TCP/IP通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸。如風(fēng)光逆變發(fā)電功率、剩余儲(chǔ)能量等運(yùn)行信息都是由自匹配系統(tǒng)觸發(fā)控制單元通過(guò)Modbus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從各個(gè)系統(tǒng)中獲取。自匹配系統(tǒng)觸發(fā)控制單元通過(guò)邏輯計(jì)算判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，其將處理信息及狀態(tài)信息使用TCP/IP通訊協(xié)議發(fā)送到負(fù)載控制系統(tǒng)，如海水淡化設(shè)備、蒸汽設(shè)備等的核心處理單元——以西門子S7系列可編程控制器為核心構(gòu)成的負(fù)載控制器。

在自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)中，Modbus協(xié)議可以保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。TCP/IP協(xié)議可以更便捷的使多臺(tái)S7系列可編程控制器建立全面的數(shù)據(jù)交換及發(fā)出控制指令。

2.2 可編程控制器組

自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)的核心為S7系列可編程控制器，通過(guò)PC機(jī)用STEP 7 MicroWIN編程軟件支持梯形圖、語(yǔ)句表、功能圖方式編輯控制程序。完成自匹配系統(tǒng)的控制函數(shù)、流程、控制參數(shù)、邏輯判斷的設(shè)定，完成負(fù)載自動(dòng)匹配的各種控制及保護(hù)功能。各類發(fā)電設(shè)備、負(fù)載、監(jiān)測(cè)設(shè)備、電壓和電流等模擬信號(hào)由接口模塊測(cè)量并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳到控制器，由控制器進(jìn)行軟件處理。經(jīng)過(guò)函數(shù)計(jì)算，得到控制觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制通道傳送到觸發(fā)控制單元處理，觸發(fā)控制單元將此信號(hào)與觸發(fā)同步信號(hào)經(jīng)過(guò)合成，控制受控負(fù)載投切?？刂菩履茉垂ぷ髋潆妰?yōu)先級(jí)，做到自匹配控制。

3 負(fù)載自匹配控制系統(tǒng)的控制及實(shí)現(xiàn)

3.1 負(fù)載自匹配控制系統(tǒng)介紹

負(fù)載自匹配控制系統(tǒng)是一個(gè)快速系統(tǒng)，必須根據(jù)發(fā)電設(shè)備電壓電流的變化，快速計(jì)算匹配需要投切的負(fù)載值，發(fā)出指令并保證設(shè)備動(dòng)作，達(dá)到發(fā)電與用電動(dòng)態(tài)平衡。但可編程控制器有其響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)發(fā)電量發(fā)生瞬間變化時(shí)，負(fù)載投切無(wú)法做到瞬間改變。海水淡化系統(tǒng)中大多數(shù)電機(jī)為感性負(fù)載，正常啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的啟動(dòng)電流，都將影響控制系統(tǒng)的安全工作。

為了降低發(fā)電及用電瞬間變化對(duì)電路的影響，所有電機(jī)配備了相應(yīng)的變頻器，降低了啟動(dòng)電流對(duì)電路的影響，其使用電量為太陽(yáng)能及風(fēng)能實(shí)時(shí)發(fā)電量。

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電量及海水淡化用電量，配置了多個(gè)功率不等的電加熱設(shè)備，作為海水淡化設(shè)備的負(fù)載的補(bǔ)充，減少由于發(fā)電量的峰谷變化而發(fā)生的設(shè)備頻繁啟停過(guò)流動(dòng)作；其用電量主要為光伏實(shí)時(shí)發(fā)電量，用于電量動(dòng)態(tài)平衡控制；模糊自匹配控制條件，保證海淡設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

3.2 系統(tǒng)控制框圖

圖3為自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)控制框圖，通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)其進(jìn)行比較判斷，發(fā)出控制指令，投切負(fù)載達(dá)到負(fù)載自匹配系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)電壓(Upv)與電流(Ipv)、蓄電池電壓(Ubat)、海淡設(shè)備電壓(Uax)與電流(Iax)；電加熱設(shè)備電壓(Ubx)與電流(Ibx)、海淡系統(tǒng)實(shí)際日運(yùn)行時(shí)間(T)的檢測(cè)，與控制參數(shù)預(yù)設(shè)發(fā)電電流(Ix)、海淡設(shè)備預(yù)設(shè)日運(yùn)行時(shí)間(Tx)、蓄電池過(guò)充電壓(Ubat max)和過(guò)放電壓(Ubat min)等比較換算，控制海淡設(shè)備與電加熱設(shè)備投切，改變能量使用方式，消納風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電量。

1)當(dāng) Ipv＜Ix，Ubat＜Ubat max 時(shí)，為蓄電池充電；

2)當(dāng)Ipv＜Ix，Ubat≥Ubat max時(shí)，蓄電池充滿電，計(jì)算發(fā)電量，投入合適的電加熱設(shè)備；

3)當(dāng)Ipv≥Ix、T=0(海淡設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間)時(shí)，發(fā)電量滿足海淡系統(tǒng)啟動(dòng)條件，啟動(dòng)蒸汽/跟蹤/海淡裝置；

4)當(dāng)Ipv-Iax-Ibx＞Ix時(shí)，計(jì)算發(fā)電量，檢索蓄電池，Ubat＜Ubat max時(shí)，為蓄電池充電，無(wú)需充電時(shí)，依優(yōu)先級(jí)投入合適的海淡設(shè)備及電加熱設(shè)備；

5)當(dāng)Ipv-Iax-Ibx＜Ix時(shí)，檢索已啟動(dòng)設(shè)備，切出電加熱設(shè)備，若系統(tǒng)中已無(wú)電加熱設(shè)備，檢索蓄電池，Ubat＞Ubat min時(shí)，蓄電池投入生產(chǎn)補(bǔ)充海淡設(shè)備用電缺口；

6)當(dāng)Ipv-Iax-Ibx＜Ix，Ubat＜ Ubat min時(shí)，切出海淡系統(tǒng)中不必要裝置；

7)當(dāng)Ipv＜Ix且T＞Tx時(shí)，結(jié)束海淡設(shè)備一天的運(yùn)行，海淡設(shè)備結(jié)束運(yùn)行。

負(fù)載自匹配控制系統(tǒng)始終保持風(fēng)光發(fā)電量與負(fù)載用電量動(dòng)態(tài)平衡，電加熱與少量蓄電池的投入避免了海淡設(shè)備在切換點(diǎn)來(lái)回切換，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 負(fù)載自匹配系統(tǒng)控制框圖

3.3 運(yùn)行情況

圖4 自匹配控制系統(tǒng)發(fā)電及負(fù)載日運(yùn)行曲線

圖4為自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)發(fā)電及負(fù)載日運(yùn)行曲線，用圖表的形式形象直觀的顯示了自匹配控制系統(tǒng)日運(yùn)行情況。

圖中①位置為電機(jī)啟動(dòng)切入點(diǎn)，海水淡化設(shè)備正式投入運(yùn)行。圖中①到②位置系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電量的逐步增加，逐步投入電加熱及電機(jī)，海水淡化設(shè)備正常工作。②到③位置新能源發(fā)電出現(xiàn)起伏，根據(jù)發(fā)電量的增加投入電加熱，發(fā)電量減少時(shí)切出電加熱，③位置為系統(tǒng)電加熱投入的峰值位置。④位置開始新能源發(fā)電量逐漸減少，開始逐步切出電加熱，當(dāng)電加熱全部切出后，開始切出海水淡化設(shè)備，⑤位置為天氣起風(fēng)多云，新能源發(fā)電不穩(wěn)定，蓄電池投入穩(wěn)定為負(fù)載供電，直到⑥位置海淡設(shè)備完全停止運(yùn)行。

4 結(jié)論

自匹配風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)控制負(fù)載根據(jù)新能源電量的波動(dòng)，自行匹配合適負(fù)載投入工作，進(jìn)行太陽(yáng)能海水淡化生產(chǎn)。與傳統(tǒng)新能源削峰填谷式控制方式有所區(qū)別。減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊及依靠，大部分新能源發(fā)電量被海水淡化設(shè)備消納，有效減少蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備的配置數(shù)量，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]廖志凌，阮新波．獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009,29(14)：46-52．

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黃浦區(qū)利用樓宇大調(diào)研成果開展“五個(gè)一”能效提升工程

日前，黃浦區(qū)發(fā)改委組織70余家樓宇節(jié)能負(fù)責(zé)人召開能效大調(diào)研座談會(huì)，走訪了區(qū)內(nèi)多家重點(diǎn)高耗能樓宇和商業(yè)園區(qū)。針對(duì)調(diào)研中出現(xiàn)的問題，區(qū)發(fā)改委積極采取如下措施：（1）建立黃浦區(qū)建筑能效對(duì)標(biāo)體系。深入用能樓宇評(píng)估用能樓宇能效水平，整合能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)、專項(xiàng)能源審計(jì)、電力需求側(cè)等大數(shù)據(jù)，設(shè)立百幢樓宇能效對(duì)標(biāo)檔案，建立黃浦區(qū)建筑能效對(duì)標(biāo)體系。（2）推進(jìn)一批專項(xiàng)用能設(shè)備能效檢測(cè)。參照《公共建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開展用能設(shè)備專項(xiàng)能效檢測(cè)，判定能效等級(jí)，提供解決方案，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)用能設(shè)備能效物聯(lián)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（3）實(shí)施一批節(jié)能改造工程。根據(jù)能源審計(jì)、專項(xiàng)能效檢測(cè)結(jié)果，推動(dòng)樓宇單位實(shí)施淘汰更新。以大型公共建筑和機(jī)關(guān)辦公建筑為重點(diǎn)，開展以高效空調(diào)、智能照明為主的綜合改造，在既有建筑改造過(guò)程中鼓勵(lì)采用新能源。（4）開展一批樓宇能效管理認(rèn)證試點(diǎn)。通過(guò)能源管理體系實(shí)施過(guò)程,培養(yǎng)一批熟知能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的物業(yè)管理者。大力推廣綠色建筑運(yùn)行標(biāo)識(shí)認(rèn)證，探索建立建筑節(jié)能運(yùn)行操作標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)和規(guī)范物業(yè)用能設(shè)備節(jié)能管理。（5）優(yōu)化一批互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源系統(tǒng)。推進(jìn)商業(yè)建筑、社區(qū)等多元化需求側(cè)資源協(xié)同響應(yīng)控制技術(shù)路線與解決方案等示范內(nèi)容落地，推進(jìn)商業(yè)建筑虛擬電廠投入試運(yùn)營(yíng)。逐步將分布式光伏發(fā)電信息、建筑能源審計(jì)數(shù)據(jù)、重點(diǎn)用能企業(yè)目標(biāo)完成情況等信息納入平臺(tái)管理，推進(jìn)樓宇智能化控制節(jié)能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)用能系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行。

（區(qū)發(fā)改委）