微電網(wǎng)負(fù)荷動態(tài)分配在新能源海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用

戴光標(biāo),許衛(wèi)國,李 虎

(江蘇豐海新能源淡化海水發(fā)展有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

隨著2017年12月由國家發(fā)改委和國家海洋局聯(lián)合提出的《海島海水淡化工程實施方案》，海水淡化將在2020年成為嚴(yán)重缺水海島地區(qū)的主要供水方式之一[1]。實施方案中明確指出，將通過3年～5年的時間，在遼寧、山東、浙江、福建、海南等沿海城市重點推進(jìn)100個左右海水淡化工程(建設(shè)規(guī)模在50 m3/d ～1 000 m3/d)的建設(shè)和升級改造，以有效緩減海島居民的用水問題和滿足不斷提高的生活、生產(chǎn)用水需求。

針對海島淡水可用量少、資金少、電力少、取海水方便的情況，海水淡化與可再生能源結(jié)合，可以緩解海島用水難問題。由于微電網(wǎng)相比大電網(wǎng)存在天然優(yōu)勢，其規(guī)模遠(yuǎn)小于大電網(wǎng)，電源、負(fù)荷數(shù)量有限，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡單，因而容易對微電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)通過光伏發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電，配合儲能系統(tǒng)和電池系統(tǒng)，可為海水淡化設(shè)備以及當(dāng)?shù)鼐用裉峁┓€(wěn)定的電能。

1 新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷分配存在的問題

新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)具有能效高、污染小等優(yōu)點，但是因為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新型能源的波動性、間隙性等特點需要配備一定容量的儲能系統(tǒng)，發(fā)揮抑制波動的作用，在一定程度上增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般在微電網(wǎng)開機(jī)后需要先利用光伏發(fā)電給儲能電池充電，在儲能系統(tǒng)中當(dāng)電池的SOC(剩余電量)大于設(shè)定值(比如50%)后，由運行人員結(jié)合時間和觀察光照強(qiáng)度達(dá)到一定的程度，才開啟微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)，生產(chǎn)合格的飲用水或者瓶裝水供給當(dāng)?shù)鼐用耧嬘谩．?dāng)儲能電池的SOC值小于設(shè)定值(比如30%)時關(guān)閉海水淡化系統(tǒng)，避免因電量不足導(dǎo)致跳閘或者設(shè)備損壞。

如果允許啟動系統(tǒng)的電池SOC值設(shè)定的高，比如設(shè)定為50%或者以上，在沒有用電負(fù)荷的情況下，光伏全額發(fā)電，只給儲能電池系統(tǒng)充電，SOC從15%(前一天預(yù)留的電池SOC)到50%至少需要半小時。由于早上陽光的光照強(qiáng)度由低到高逐漸變化，光伏發(fā)電功率也是由低到高，因此為儲能電池系統(tǒng)充電需要的時間會更長。

如果允許啟動系統(tǒng)的電池SOC值設(shè)定的較低，比如設(shè)定為20%，則必須等到光伏發(fā)電量和儲能系統(tǒng)的電量大于設(shè)備耗電量后才能啟動系統(tǒng)。由于只能憑運行人員經(jīng)驗來判斷光照強(qiáng)度足夠才啟動系統(tǒng)，這個時間很不精確，如果在早晨啟動系統(tǒng)的過程中，突然遇到連續(xù)烏云導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量下降，此時發(fā)電量和儲能電量小于海水淡化設(shè)備的耗電量，系統(tǒng)很快就由于電量不足而停機(jī)。

傍晚時也是如此，光照強(qiáng)度逐漸降低，光伏發(fā)電量逐漸下降，當(dāng)電池SOC低于設(shè)定值時(假設(shè)設(shè)定值為40%)，需要按照工藝要求停止系統(tǒng)，進(jìn)入海水淡化設(shè)備的停機(jī)沖洗過程，直到設(shè)備完全停止，預(yù)留部分電池容量給第二天設(shè)備做控制電源，啟動設(shè)備。

總之，啟動微電網(wǎng)系統(tǒng)的電池SOC值設(shè)定的高，給電池系統(tǒng)充電時間加長，海水淡化設(shè)備的生產(chǎn)時間就會減少，降低產(chǎn)水量。啟動微電網(wǎng)系統(tǒng)的電池SOC值設(shè)定的較低，會增加設(shè)備意外跳閘停機(jī)的風(fēng)險。而且光照強(qiáng)度由運行人員目測，無具體數(shù)值指示，對于相同天氣條件，不同的運行人員啟動系統(tǒng)的時間也偏差很大，增加了設(shè)備頻繁啟?；蛘咛l的風(fēng)險，降低產(chǎn)水量，造成能源浪費。

2 負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的微電網(wǎng)方案

為了解決以上問題，本文介紹一種微電網(wǎng)負(fù)荷動態(tài)分配方法，能夠在不提高微電網(wǎng)系統(tǒng)配置的情況下，通過采集日期、時間數(shù)據(jù)，配合采集的光照強(qiáng)度和儲能電池的SOC值等，實時檢測光伏系統(tǒng)發(fā)電功率，調(diào)整、優(yōu)化海水淡化系統(tǒng)的分級配置，及時補(bǔ)充儲能系統(tǒng)的存儲電量，以預(yù)防系統(tǒng)負(fù)荷突然增加導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)或者崩潰，達(dá)到延長海水淡化設(shè)備的工作時間，提高產(chǎn)水量及經(jīng)濟(jì)性。

本文以配置同等功率的光伏(裝機(jī)總量100 kWp)和儲能逆變(100 kWp)、電池(1C)容量(100 kWp)的新能源海水淡化系統(tǒng)為例進(jìn)行微電網(wǎng)負(fù)荷動態(tài)分配。海水淡化系統(tǒng)配置3級反滲透系統(tǒng)，其中一級反滲透用電功率為20 kW，二級反滲透用電功率為13 kW,三級反滲透用電功率為8 kW。

利用北斗或者GPS采集日期、時間數(shù)據(jù)，區(qū)分春夏秋冬四季。在早晨，相同時間，不同季節(jié)，光照強(qiáng)度也不同。早晨啟動微電網(wǎng)系統(tǒng)的時間和傍晚關(guān)閉微電網(wǎng)系統(tǒng)的時間可以根據(jù)四個季節(jié)的實際情況做調(diào)整。

光照強(qiáng)度采用照度計實時監(jiān)測，并輸出照度值給能量管理系統(tǒng)EMS,EMS根據(jù)分級設(shè)備用電需求劃分不同的照度區(qū)間。4級光照強(qiáng)度劃分如下：

(1) 1級光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在10 kWh ～20 kWh，只能給儲能電池充電。

(2) 2級光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在20 kWh ～40 kWh，滿足一級反滲透運行。

(3) 3級光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在40 kWh ～60 kWh，滿足一、二級反滲透同時運行。

(4) 4級光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在60 kWh ～100 kWh，滿足一、二、三級反滲透同時運行。

根據(jù)海水淡化3級反滲透系統(tǒng)和照明系統(tǒng)及居民用電情況設(shè)置用電設(shè)備，其中一級反滲透設(shè)備為1級設(shè)備，二級反滲透設(shè)備為2級設(shè)備，三級反滲透設(shè)備為3級設(shè)備，照明系統(tǒng)、居民用電均為4級設(shè)備?？照{(diào)系統(tǒng)因為需要給集裝箱內(nèi)的微電網(wǎng)設(shè)備降溫，可以根據(jù)溫度單獨設(shè)置。

(1) 早晨7點，設(shè)備啟動以后，在光照強(qiáng)度低于2級時，光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不足以啟動海淡設(shè)備，此時僅啟動電池系統(tǒng)、PCS (Personal Communications Service，電能控制系統(tǒng))為電池充電，提高電池SOC值,為后續(xù)海水淡化設(shè)備運行準(zhǔn)備一定的電量。

(2) 早晨7點半，檢測3 min內(nèi)光照強(qiáng)度持續(xù)處于2級，判斷出天氣良好，光照穩(wěn)定，準(zhǔn)備運行。檢測儲能電池SOC大于20%，則優(yōu)先運行1級設(shè)備，2級、3級、4級設(shè)備不啟動，此時，光伏發(fā)電主要用于一級反滲透產(chǎn)水，隨著時間的推移，光照強(qiáng)度逐漸增加，多余電量給儲能電池充電，提高電池系統(tǒng)SOC值，偶爾天空有云層飄過，光伏發(fā)電量瞬時下降，儲能系統(tǒng)可以提供電能補(bǔ)充，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(3) 當(dāng)時間到達(dá)8點半，而且光照強(qiáng)度在3 min內(nèi)持續(xù)處于3級時，光伏發(fā)電量大于40 kWh，再啟動二級反滲透系統(tǒng)，根據(jù)溫度情況，可以打開空調(diào)用電，啟動空調(diào)，給集裝箱內(nèi)設(shè)備散熱降溫，防止系統(tǒng)因為高溫報警而停機(jī)。

(4) 當(dāng)時間到達(dá)9點半，而且光照強(qiáng)度在3 min內(nèi)持續(xù)大于4級時，光伏發(fā)電量大于60 kWh，則可以啟動三級反滲透系統(tǒng)。反滲透系統(tǒng)全額運行，生產(chǎn)飲用水，同時打開居民用電等。

(5) 在系統(tǒng)分級啟動過程中，如果天氣良好，光照充足，光照強(qiáng)度連續(xù)5 min內(nèi)都大于4級，且電池SOC值大于40%，則取消分級啟動，根據(jù)生產(chǎn)需求、用電需求，可以啟動所有用電設(shè)備，系統(tǒng)滿負(fù)荷運行。

(6) 在正常運行時，如果遇到天氣不太好，烏云較多，導(dǎo)致光照強(qiáng)度持續(xù)下降，光照強(qiáng)度持續(xù)處于1級，則按照電池SOC的區(qū)間值來降低負(fù)荷運行。當(dāng)電池SOC小于50%時停止三級反滲透的設(shè)備，僅保留一級、二級反滲透運行，降低用電量；當(dāng)電池SOC小于35%時且光照強(qiáng)度依然處于1級狀態(tài)，再停止二級反滲透設(shè)備，僅保留一級反滲透運行，降低用電量；當(dāng)電池SOC小于20%時且光照強(qiáng)度處于1級狀態(tài)，再停止一級反滲透設(shè)備，此時所有用電設(shè)備全部關(guān)閉，光伏發(fā)電只維持控制系統(tǒng)運行及給儲能電池充電；如果光照強(qiáng)度恢復(fù)，持續(xù)處于4級光照強(qiáng)度10 min以上，則取消降低負(fù)荷運行，繼續(xù)滿負(fù)荷運行，以提高產(chǎn)水量。

(7) 當(dāng)運行到下午5點時，光照強(qiáng)度持續(xù)緩慢降低，可以采用相同的辦法，根據(jù)光照強(qiáng)度的等級和電池SOC值，逐級停止4、3、2、1級設(shè)備，至所有用電設(shè)備全部關(guān)閉。此時，光照強(qiáng)度處于1級，光伏發(fā)電可以給儲能電池充電，以備次日早晨啟動系統(tǒng)使用。

3 結(jié)束語

負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的微電網(wǎng)控制方案對于相同條件(風(fēng)力發(fā)電量、光伏發(fā)電量)下的微電網(wǎng)新能源海水淡化系統(tǒng)，將用電負(fù)荷隨著光照強(qiáng)度、電池系統(tǒng)SOC值的變化做相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)分級啟停，動態(tài)調(diào)整，延長海水淡化設(shè)備的工作時間，避免頻繁啟停機(jī)造成的能源浪費，這對于提高產(chǎn)水水量和降低項目的投資、運行和維護(hù)成本有著深遠(yuǎn)的影響。

隨著科學(xué)技術(shù)和民眾認(rèn)識的提高，海水淡化逐漸被認(rèn)知和接受，新能源微電網(wǎng)海水淡化技術(shù)也逐漸成為解決淡水資源匱乏的主要手段之一，對于島嶼等偏僻地區(qū)，也將成為解決島民用水困難的主要途徑。