非并网风能供电系统在工程中的设计与应用

杨 昀

（湖南中南水务环保科技有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

向海洋索取淡水已成为世界沿海国家的共识[1]，海水淡化是解决海岛淡水资源匮乏的最好途径，海水淡化工艺系统及能耗成本高是影响海水淡化应用发展的主要因素。

目前，我国海水淡化制水成本中，能耗占比超过一半，在反渗透法中，能耗为3 ～4 kW·h/t，占总成本的52%；在低温多效法中，电耗+蒸汽成本占总成本的56%。我国已建成的海水淡化工程的能源主要由电力提供。例如，反渗透海水淡化工程能源以电力为主，由国家电网提供的电力占工程数量的63.9%；由自发电设备提供的电力占工程数量的36.1%。低温多效和多级闪蒸海水淡化工程主要采用电力与蒸汽相结合的能源利用方式，电力和蒸汽均来自其所依托的火电厂。能耗成本导致海水淡化制水成本的居高不下，成为海水淡化推广应用发展道路上的重要阻碍[2]。

1 项目概况

本工程为某海岛反渗透海水淡化工程，动力供应为离网风能，设计内容由海水淡化工艺系统、风能供电系统及控制系统三部分组成。工程主要目的是满足村民的日常生活用水。其中，海水淡化系统组成主要包括取水、预处理、反渗透、排水、系统内的管路和阀门以及整个工艺过程要求的电气、仪表及自动控制系统等[3]。

2 供电系统设计

2.1 整体设计原理

图1 为非并网风能供电系统设计框架图，风力发电机组将不稳定的风能转化成不稳定的交流电，经过风能控制器转化成不稳定的直流电，然后通过变流器将不稳定直流电转化成稳定的直流电。同时，该系统具有发电机组最佳功率跟踪功能，提高了风能利用率。然后再将电能输送到蓄电池组和离网变流器端，逆变器将直流电转化为稳定的交流电源，为海水淡化系统提供电源。蓄电池组在系统中能起到储能和稳压的作用，在风能不足的情况下，由蓄电池组进行补充供电。BMS 电池管理系统可以对每块蓄电池进行实时监控，能快速定位到故障的蓄电池，便于蓄电池组维护工作。

2.2 风力机组设计

负载运行功率为17.92 kW，采用50 kW 风力发电机组。由于风力发电机组采用离网供电形式，存在蓄电池组处于充满状态且只有负载消耗电能的时候，这时风力发电机组剩余的能量都已消耗，故在离网系统中，建议按照年平均风速6 m/s 设计。年发电量约为121.3 MWh，平均日发电量约为332.3 kW·h，系统效率取0.8，则日发电量约为：332.3 kW·h×0.8= 265.9 kW·h。

2.3 变流器设计

图1 非并网风能供电系统设计框架图

做最大功率跟踪时，风机控制器输出范围为DC0～ DC680 V，若控制器直接和蓄电池连接，受蓄电池电压允许范围的影响，风能控制器输出范围DC420 ～DC580 V，其中DC580 ～DC680 V 风能发电无法利用，为了提高风能系统利用率，增加DC/DC 模块，DC/DC模块输入电压范围为DC0 ～DC750 V。

风力发电机组的额定功率为50 kW，最大功率约为55 kW，并且DC/DC 变流器每个功率模块为7.5 kW，因此DC/DC 变流器功率模块个数为55 kW/7.5 kW=7.3，选用8 个功率模块，DC/DC 变流器功率为60 kW。

2.4 逆变器设计

负载装机功率为27.42 kW。可能同时工作的负载装机总容量为：27.42 kW-3 kW-1.5 kW=22.92 kW。由于负载基本上都是感性负载，需要带变频器启动，否则逆变器的功率至少为负载功率的6 倍，带变频器时，逆变器的功率一般为负载功率的1.2 倍左右，则逆变器的功率为22.92 kW×1.2=27.504 kW，根据市场产品规格，选用额定功率为30 kW。

2.5 蓄电池组设计

蓄电池组的存储容量按照5 h 来考虑，蓄电池组的放电深度为0.5，则蓄电池组的容量为：407.76 kW·h× 5/24/0.5/480 V=354 Ah，选用2 V/300 Ah 的蓄电池组，则蓄电池组的串联数量为：480/2=240 块，并联数量为：354 Ah/300 Ah=1.1 组，则蓄电池组的总数量为：240×1=240 块。

2.6 电池管理系统

BMS 电池管理系统对单体电池、电池组进行分层、分级、统一的管理，根据各层级的特性对电池的各类参数及运行状态进行计算分析，实现均衡、报警、保护等有效的管理，使各组电池达到均等出力，确保系统达到最佳运行状态。同时，可以自动诊断出现问题的单体蓄电池，便于维护及更换，提高了工作人员的工作效率。

3 风能供电运行模式自动切换

对风力发电功率进行预测以及对蓄电池剩余电量总供电功率监测可得出相应的功率值，该值与海水淡化系统的取水模块、反渗透模块及产水模块耗电功率进行数值比较分析，可判断反渗透海水淡化系统装置的最佳运行模式。

假设风力发电功率F1，蓄电池输出功率F2、反渗透海水淡化装置负载功率H1、取水模块负载功率H2、反渗透模块负载功率H3和产水模块负载功率H4，进行如下逻辑运算。

（1）F1+F2＞H1时，系统自动进入全模块运行模式。

（2）F1+F2＜H1时，系统自动进入分模块运行模式。

（3）当进入分模块运行模式时，先比较各子模块的功率并进行排序，此时为H3＞H2＞H4。

（4）当F1+F2＞H3时，风能发电系统向反渗透模块供电，当F1+F2≤H3时，跳转到下一步判断子程序。

（5）当F1+F2＞H2时，风能发电系统向预处理模块供电，当F1+F2≤H2时，跳转到下一步判断子程序。

（6）当F1+F2＞H4时，风能发电系统向产水模块供电，当F1+F2≤H4时，此时任何模块都无法运行，系统自动进入停机状态。

为了降低海水淡化系统设备的频繁启停次数和保障海水淡化系统设备的连续运行，需要在全模块运行模式和分模块运行模式下分别对风力机组、蓄电池组储能系统进行合理配置。储能系统处于恒压频比模式，为供电系统提供电压、频率支撑，保证供电系统电源与负荷的动态平衡。当风力机组功率波动时，储能系统可协调风机变化功率，保证负荷稳定运行；当持续小风或无风，风力机组出力不足时，储能系统可持续放电保证负载正常运行。

4 结 论

本文研究提出了一种非并网风能供电系统在海岛反渗透海水淡化工程的设计和应用方式，有助于解决海岛海水淡化系统供电问题及降低运行能耗成本。风能供电系统能进行全模块运行和分模块运行自动切换，从而降低了海水淡化系统设备的频繁启停次数，保障了海水淡化系统设备连续可靠运行。