黃家灣灌區(qū)風光互補供電系統(tǒng)配置

易吉林，謝晨希，王夢琦

（1.貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 概況

黃家灣灌區(qū)用水全部從黃家灣水庫取水，沿干渠自流，沿程設支渠及斗渠分流，解決城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉用水問題。

黃家灣水利樞紐工程解決輸水工程閘（閥）門數(shù)量眾多、運行管理復雜、交通不便等問題。若采用電網(wǎng)線路架設作為輸水工程管道線路上閘（閥）門啟閉和各類監(jiān)測儀器的電力來源，就需要花費大量人力物力及財力去建設電力供應基礎設施和長距離的輸電線路架設工作。首先，施工環(huán)境復雜、施工時間長、還需要占用大量土地；其次，在工程運行管理期，整套供電系統(tǒng)需要定時進行維護檢修以保證其穩(wěn)定性，從而增加工程的運行管理成本。

風光互補系統(tǒng)通過單個點位采集風能和太陽能發(fā)電，無需外接供電，工程建設方就不需要建設變電站、架設高低壓線路、配電系統(tǒng)等工程。不但縮短了工程建設工期、降低了資金投入還減少了工程占用土地面積，而且兼有自動化信息化功能，實現(xiàn)管控、工程項目閘控等設備無人值守、少人值守，為以后整個輸水工程的大信息化系統(tǒng)提供便利基礎。

2 風光互補直流智能測控系統(tǒng)組成

2.1 太陽能光伏電池板及光伏控制系統(tǒng)

太陽能光伏電池板通過半導體p-n 結的光生伏打效應將太陽能轉換為電能。當太陽能板受到光照時，其中的電荷分布狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流與電動勢。通過在太陽能光伏電池板兩側引出電極接上負荷后，就會在外電路中產(chǎn)生光生電流，獲得功率輸出。在工作環(huán)境情況下，光伏控制器均可以通過MPPT控制算法有效快速地追蹤到光伏陣列的最大功率，將太陽能電池板獲取的能量最大化。顯著提高太陽能系統(tǒng)能量利用率；太陽能光伏板采用轉換效率較高的單晶硅太陽能電池板陣列。太陽能電池板根據(jù)年平均日照時間、安裝環(huán)境、氣象條件及負載和電池組大小等參數(shù)進行容量設計，可保證太陽能電池板、儲能電池組和負載設備等匹配良好。通過將若干太陽能電池板以串聯(lián)或并聯(lián)的型式連接組成太陽能光伏方陣，由光伏控制器把采集的太陽能轉換的電能穩(wěn)流穩(wěn)壓成直流電，再將其輸入蓄電池中儲存。

2.2 風力發(fā)電機及風電控制系統(tǒng)

風力發(fā)電機是將風能轉換為非穩(wěn)壓形式的電能，當風力達到2～3級或以上時，發(fā)電機進入工作狀態(tài)。風力發(fā)電機的發(fā)電效益極大程度上取決于發(fā)電機安裝位置的風力情況，在安裝實地進行氣象測量得到風速持續(xù)曲線。隨著風速的增高輸出功率也隨之增大，而當風速持續(xù)升高，系統(tǒng)可以通過調節(jié)葉片間距或其他方法將輸出功率穩(wěn)定在額定值進行工作。再通過風電控制器穩(wěn)流穩(wěn)壓后，轉化為直流電給蓄電池充電儲能。風電控制器專為風力發(fā)電機控制和蓄電池充電而設計，智能監(jiān)測風力發(fā)電機所發(fā)的電能并對其進行調節(jié)和控制，采用PWM 無極卸載方式控制風機對蓄電池進行智能充電及保護。風力發(fā)電機采用啟動風速低的無齒輪、直驅式、低轉速稀土永磁轉子發(fā)電機，最大功率跟蹤智能型微處理風能控制器，有效調節(jié)電流電壓，性能要求符合國家及行業(yè)相關規(guī)定。功率選擇依據(jù)年平均風能氣象條件及負載和電池組大小等參數(shù)進行容量設計，保證風力發(fā)電機、蓄電池和負載等匹配良好。

2.3 儲能蓄電池及BMS電池管理系統(tǒng)

蓄電池組結合BMS 電池管理系統(tǒng)進行儲存和調節(jié)電能，實時監(jiān)測調控各電池電量及充電循環(huán)次數(shù)、充電時間等。同時具有充放電多重保護、短路保護、電池均衡、休眠模式等功能，有效調節(jié)太陽能和風能之間的協(xié)作互補，保證電池和負載之間電能的儲備及匹配。當太陽能或者風力充足時，產(chǎn)生的電能均通過蓄電池儲存起來，滿電量時切斷充電回路，保護電池組。通過蓄電池進行供電（比如電動閥門、水位計、流量計、監(jiān)測系統(tǒng)、遠程通信系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）；當電池組電量下降時，風能和太陽能自動浮充，保證電池組電量穩(wěn)定。電池組優(yōu)先采用太陽能專用膠體蓄電池與三元鋰電池。

BMS電池管理系統(tǒng)可有效保障各蓄電池的長久安全使用，時刻監(jiān)控各電池的使用狀態(tài)，通過控制箱人機交互界面直觀顯示實時電量及充電循環(huán)次數(shù)、充電時間、低電量報警等狀態(tài)參數(shù)，具備充放電多重保護、短路保護、電池均衡、低功耗輸出、休眠模式等功能。當光照風力強度與供電設備負荷大小等外部工作環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)也會對蓄電池的工作狀態(tài)進行相應的切換與調整。滿足現(xiàn)場各種情況，保證整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、安全性、連續(xù)性。

2.4 PLC綜合控制箱

風光互補供電系統(tǒng)通過PLC 綜合控制箱控制能量采集與轉換模塊達到能量采集的最大化，同時還對整套系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控管理，是整套系統(tǒng)的核心。風光互補系統(tǒng)通過太陽能板和風機進行能量的收集，所以系統(tǒng)的發(fā)電效率會隨著實時環(huán)境氣候發(fā)生變化。當系統(tǒng)處于非正常運行工況時，控制系統(tǒng)會隨之做出調整。當實時風速超過設計風速，系統(tǒng)將控制風機停止工作，保證設備安全。當實時風能與光能充足，系統(tǒng)發(fā)電量大于負載耗電量和蓄電池充電量時，控制系統(tǒng)會接通卸荷器電路，消耗多余發(fā)電量；當工作狀態(tài)發(fā)生異常，線路短路，控制器會切斷充電電路，保護系統(tǒng)安全。系統(tǒng)還會檢測工作點輸出電流和電壓值，來判斷當前工作狀態(tài)并影響輸出電流來實時調節(jié)。

2.5 直流電機及控制系統(tǒng)

直流電動電裝為全智能型非侵式，防護等級IP68；采用專用永磁無刷直流電機，矢量控制，具有優(yōu)良的伺服特性－無級調速功能，實現(xiàn)輸出轉速的任意調整。直流電裝電源工作電壓范圍大，可在額定電壓±20%波動范圍下正常工作，通過人機交互界面設置電機轉速及電流來改變輸出力矩的大小，并且開向和關向均可獨立設置不同的過扭矩保護值（超載荷保護值），滿足不同工作情況的要求。

2.6 流量、液位采集系統(tǒng)

流量、液位采集系統(tǒng)流量計通過PLC編程控制箱進行供電并雙向傳輸信號，經(jīng)無線通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至遠控云平臺進行實時監(jiān)測。流量計可依據(jù)實際應用場合選用電磁流量計、雷達流量計或超聲波流量計。

2.7 無線通信及遠程管控系統(tǒng)

黃家灣水利樞紐工程項目位置為偏遠山區(qū)，河流流向跨度較大，河流沿線更是人跡罕至，人工采集數(shù)據(jù)和智能化控制難度較大，其中包括電站、閘、泵等自動控制、水量監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、水雨情監(jiān)測、視頻監(jiān)視等。

在水利信息網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡傳輸作為數(shù)據(jù)采集與應用支撐、數(shù)據(jù)中心、應用服務的核心樞紐，為水利信息數(shù)據(jù)提供高速傳輸通道，其中網(wǎng)絡傳輸又分為無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡。

2.8 安防報警及視頻監(jiān)控

安防報警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于保證灌區(qū)設施運行設備安全。安防報警系統(tǒng)采用紅外、微波、移動偵測等三種方式保障采集信號的準確性，通過PLC綜合控制箱對安防報警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行供電。

監(jiān)控系統(tǒng)為適應工況，采用自適應能力較強系統(tǒng)，即使網(wǎng)絡環(huán)境丟包率達到20%時，仍然能夠進行監(jiān)事視頻傳輸。

3 結語

隨著風光互補直流發(fā)電設備及控制系統(tǒng)在國內的飛速發(fā)展與技術成熟，采用風能和太陽能相結合進行發(fā)電的形式可以充分利用各種能源，實現(xiàn)了能量的互補，環(huán)保綠色。使得研究風光互補供電系統(tǒng)對閘門、閥門進行供電也更有意義。

風光互補直流智能測控系統(tǒng)可以解決輸水灌區(qū)用電設備的設備用電問題，還能兼具信息化自動化功能。為智慧水務運行管理、監(jiān)測、控制提供硬件基礎。對于水庫管理者而言，可以在遠端實現(xiàn)對整個輸水系統(tǒng)的渠道、管線上閘門、閥門等控制單元進行遠程控制及監(jiān)控，還能實時查詢監(jiān)測渠道、管線的水位、流量及實地視頻信號。不僅提高了用電設備供電的安全可靠性。為輸水工程的安全平穩(wěn)運行提供了相應的保障，同時有效地降低了建設和運營成本，提高了工程建設進度。為建立工程信息綜合查詢、工程用水分析系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)，將設備控制、水量測量、遠程通信、工況監(jiān)控等功能于一體，通過對設備的遠程控制，結合量水設備對水量進行實時控制與監(jiān)測，對工程用水進行更高效管理，進而達到可控調水，降低人工管理成本。由于無需外接供電，工程的征地移民范圍減小，可有效減少征地移民方面的工作問題。而風能光能作為可再生能源綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)約，由此產(chǎn)生的環(huán)境、生態(tài)效益不言而喻。