微电网负荷动态分配在新能源海水淡化系统中的应用

戴光标,许卫国,李 虎

(江苏丰海新能源淡化海水发展有限公司，江苏 盐城 224100)

0 引言

随着2017年12月由国家发改委和国家海洋局联合提出的《海岛海水淡化工程实施方案》，海水淡化将在2020年成为严重缺水海岛地区的主要供水方式之一[1]。实施方案中明确指出，将通过3年～5年的时间，在辽宁、山东、浙江、福建、海南等沿海城市重点推进100个左右海水淡化工程(建设规模在50 m3/d ～1 000 m3/d)的建设和升级改造，以有效缓减海岛居民的用水问题和满足不断提高的生活、生产用水需求。

针对海岛淡水可用量少、资金少、电力少、取海水方便的情况，海水淡化与可再生能源结合，可以缓解海岛用水难问题。由于微电网相比大电网存在天然优势，其规模远小于大电网，电源、负荷数量有限，网架结构简单，因而容易对微电网进行监视和控制。新能源微电网系统通过光伏发电或风力发电，配合储能系统和电池系统，可为海水淡化设备以及当地居民提供稳定的电能。

1 新能源微电网系统负荷分配存在的问题

新能源微电网系统具有能效高、污染小等优点，但是因为风力发电、光伏发电等新型能源的波动性、间隙性等特点需要配备一定容量的储能系统，发挥抑制波动的作用，在一定程度上增强微电网系统的稳定性。一般在微电网开机后需要先利用光伏发电给储能电池充电，在储能系统中当电池的SOC(剩余电量)大于设定值(比如50%)后，由运行人员结合时间和观察光照强度达到一定的程度，才开启微电网海水淡化系统，生产合格的饮用水或者瓶装水供给当地居民饮用。当储能电池的SOC值小于设定值(比如30%)时关闭海水淡化系统，避免因电量不足导致跳闸或者设备损坏。

如果允许启动系统的电池SOC值设定的高，比如设定为50%或者以上，在没有用电负荷的情况下，光伏全额发电，只给储能电池系统充电，SOC从15%(前一天预留的电池SOC)到50%至少需要半小时。由于早上阳光的光照强度由低到高逐渐变化，光伏发电功率也是由低到高，因此为储能电池系统充电需要的时间会更长。

如果允许启动系统的电池SOC值设定的较低，比如设定为20%，则必须等到光伏发电量和储能系统的电量大于设备耗电量后才能启动系统。由于只能凭运行人员经验来判断光照强度足够才启动系统，这个时间很不精确，如果在早晨启动系统的过程中，突然遇到连续乌云导致光伏发电系统发电量下降，此时发电量和储能电量小于海水淡化设备的耗电量，系统很快就由于电量不足而停机。

傍晚时也是如此，光照强度逐渐降低，光伏发电量逐渐下降，当电池SOC低于设定值时(假设设定值为40%)，需要按照工艺要求停止系统，进入海水淡化设备的停机冲洗过程，直到设备完全停止，预留部分电池容量给第二天设备做控制电源，启动设备。

总之，启动微电网系统的电池SOC值设定的高，给电池系统充电时间加长，海水淡化设备的生产时间就会减少，降低产水量。启动微电网系统的电池SOC值设定的较低，会增加设备意外跳闸停机的风险。而且光照强度由运行人员目测，无具体数值指示，对于相同天气条件，不同的运行人员启动系统的时间也偏差很大，增加了设备频繁启停或者跳闸的风险，降低产水量，造成能源浪费。

2 负荷动态调整的微电网方案

为了解决以上问题，本文介绍一种微电网负荷动态分配方法，能够在不提高微电网系统配置的情况下，通过采集日期、时间数据，配合采集的光照强度和储能电池的SOC值等，实时检测光伏系统发电功率，调整、优化海水淡化系统的分级配置，及时补充储能系统的存储电量，以预防系统负荷突然增加导致系统停机或者崩溃，达到延长海水淡化设备的工作时间，提高产水量及经济性。

本文以配置同等功率的光伏(装机总量100 kWp)和储能逆变(100 kWp)、电池(1C)容量(100 kWp)的新能源海水淡化系统为例进行微电网负荷动态分配。海水淡化系统配置3级反渗透系统，其中一级反渗透用电功率为20 kW，二级反渗透用电功率为13 kW,三级反渗透用电功率为8 kW。

利用北斗或者GPS采集日期、时间数据，区分春夏秋冬四季。在早晨，相同时间，不同季节，光照强度也不同。早晨启动微电网系统的时间和傍晚关闭微电网系统的时间可以根据四个季节的实际情况做调整。

光照强度采用照度计实时监测，并输出照度值给能量管理系统EMS,EMS根据分级设备用电需求划分不同的照度区间。4级光照强度划分如下：

(1) 1级光照强度：光伏发电功率在10 kWh ～20 kWh，只能给储能电池充电。

(2) 2级光照强度：光伏发电功率在20 kWh ～40 kWh，满足一级反渗透运行。

(3) 3级光照强度：光伏发电功率在40 kWh ～60 kWh，满足一、二级反渗透同时运行。

(4) 4级光照强度：光伏发电功率在60 kWh ～100 kWh，满足一、二、三级反渗透同时运行。

根据海水淡化3级反渗透系统和照明系统及居民用电情况设置用电设备，其中一级反渗透设备为1级设备，二级反渗透设备为2级设备，三级反渗透设备为3级设备，照明系统、居民用电均为4级设备。空调系统因为需要给集装箱内的微电网设备降温，可以根据温度单独设置。

(1) 早晨7点，设备启动以后，在光照强度低于2级时，光伏系统发电功率不足以启动海淡设备，此时仅启动电池系统、PCS (Personal Communications Service，电能控制系统)为电池充电，提高电池SOC值,为后续海水淡化设备运行准备一定的电量。

(2) 早晨7点半，检测3 min内光照强度持续处于2级，判断出天气良好，光照稳定，准备运行。检测储能电池SOC大于20%，则优先运行1级设备，2级、3级、4级设备不启动，此时，光伏发电主要用于一级反渗透产水，随着时间的推移，光照强度逐渐增加，多余电量给储能电池充电，提高电池系统SOC值，偶尔天空有云层飘过，光伏发电量瞬时下降，储能系统可以提供电能补充，维持系统稳定运行。

(3) 当时间到达8点半，而且光照强度在3 min内持续处于3级时，光伏发电量大于40 kWh，再启动二级反渗透系统，根据温度情况，可以打开空调用电，启动空调，给集装箱内设备散热降温，防止系统因为高温报警而停机。

(4) 当时间到达9点半，而且光照强度在3 min内持续大于4级时，光伏发电量大于60 kWh，则可以启动三级反渗透系统。反渗透系统全额运行，生产饮用水，同时打开居民用电等。

(5) 在系统分级启动过程中，如果天气良好，光照充足，光照强度连续5 min内都大于4级，且电池SOC值大于40%，则取消分级启动，根据生产需求、用电需求，可以启动所有用电设备，系统满负荷运行。

(6) 在正常运行时，如果遇到天气不太好，乌云较多，导致光照强度持续下降，光照强度持续处于1级，则按照电池SOC的区间值来降低负荷运行。当电池SOC小于50%时停止三级反渗透的设备，仅保留一级、二级反渗透运行，降低用电量；当电池SOC小于35%时且光照强度依然处于1级状态，再停止二级反渗透设备，仅保留一级反渗透运行，降低用电量；当电池SOC小于20%时且光照强度处于1级状态，再停止一级反渗透设备，此时所有用电设备全部关闭，光伏发电只维持控制系统运行及给储能电池充电；如果光照强度恢复，持续处于4级光照强度10 min以上，则取消降低负荷运行，继续满负荷运行，以提高产水量。

(7) 当运行到下午5点时，光照强度持续缓慢降低，可以采用相同的办法，根据光照强度的等级和电池SOC值，逐级停止4、3、2、1级设备，至所有用电设备全部关闭。此时，光照强度处于1级，光伏发电可以给储能电池充电，以备次日早晨启动系统使用。

3 结束语

负荷动态调整的微电网控制方案对于相同条件(风力发电量、光伏发电量)下的微电网新能源海水淡化系统，将用电负荷随着光照强度、电池系统SOC值的变化做相应调整，实现分级启停，动态调整，延长海水淡化设备的工作时间，避免频繁启停机造成的能源浪费，这对于提高产水水量和降低项目的投资、运行和维护成本有着深远的影响。

随着科学技术和民众认识的提高，海水淡化逐渐被认知和接受，新能源微电网海水淡化技术也逐渐成为解决淡水资源匮乏的主要手段之一，对于岛屿等偏僻地区，也将成为解决岛民用水困难的主要途径。