離網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)能海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷控制策略

武耀勇，張瑋，趙麗霞，胡靜，劉銳

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市 100120)

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離網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)能海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷控制策略

武耀勇，張瑋，趙麗霞，胡靜，劉銳

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市 100120)

在由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能裝置作為海水淡化裝置供電電源的離網(wǎng)型配電系統(tǒng)中，為最大化利用風(fēng)能并減少配電系統(tǒng)對儲能裝置容量的依賴，海水淡化裝置負(fù)荷采用功率階梯調(diào)節(jié)和功率平滑調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，儲能裝置采用V/f控制。功率階梯調(diào)節(jié)通過海水淡化裝置的模塊化投切實(shí)現(xiàn)；功率平滑調(diào)節(jié)通過變頻器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變頻調(diào)速，并且利用變頻器的軟啟動功能和無功輸出能力有效維持配電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定?；谏鲜隹刂撇呗裕ㄟ^PSCAD仿真軟件建立動態(tài)負(fù)荷模型進(jìn)行仿真計(jì)算并結(jié)合負(fù)荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該控制策略可以實(shí)現(xiàn)海水淡化負(fù)荷對風(fēng)力發(fā)電輸出功率的有效跟蹤，能夠很好地適應(yīng)風(fēng)電波動性，并充分利用了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，減少了對儲能裝置容量的依賴，提高了全系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

海水淡化；離網(wǎng)型配電系統(tǒng)；儲能裝置；變頻器；恒壓頻比控制

0 引 言

我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國家，通過淡化海水將海水轉(zhuǎn)化為人類可直接利用的淡水，是解決水資源短缺的重要手段之一。在所有海水淡化技術(shù)中，反滲透法是最經(jīng)濟(jì)的。即便是這種最經(jīng)濟(jì)的方法，其成本的45%也是來自于能耗。

我國風(fēng)能資源豐富，利用風(fēng)能進(jìn)行海水淡化，將風(fēng)電作為海水淡化“取之不盡，用之不竭”清潔能源供給，不但可以解決傳統(tǒng)海水淡化系統(tǒng)高能耗以及風(fēng)電上網(wǎng)難、成本高等問題，而且可以節(jié)約常規(guī)能源，減少碳排放[1-4]。

但是，風(fēng)電穩(wěn)定性較差，具有多變性和隨機(jī)性，難以提供連續(xù)穩(wěn)定的電力輸出，目前含有風(fēng)電機(jī)組的離網(wǎng)型配電系統(tǒng)需設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)、小型燃機(jī)或儲能裝置等輔助電源，以提高其穩(wěn)定性。依靠輔助電源的快速調(diào)節(jié)能力，平滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力[5-8]并參與負(fù)荷的峰谷調(diào)節(jié)以提高電能質(zhì)量，維持配電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，這勢必導(dǎo)致需配置較大容量的輔助電源，經(jīng)濟(jì)性及可操作性都較差。

本文針對由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為主電源的離網(wǎng)型配電系統(tǒng)提出一種新的技術(shù)方案，該方案結(jié)合目前高效的反滲透技術(shù)，將海水淡化裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)電動機(jī)采用變頻控制技術(shù)，以適應(yīng)風(fēng)電波動特性，并在盡可能減少對輔助電源依賴的前提下，保證海水淡化裝置穩(wěn)定運(yùn)行。基于此提出海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷控制策略并進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷建模，通過PSCAD仿真軟件完成仿真計(jì)算并經(jīng)海水淡化裝置的負(fù)荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 配電系統(tǒng)技術(shù)方案及控制策略

風(fēng)力發(fā)電與海水淡化相結(jié)合的配電系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)組、輔助電源及海水淡化裝置負(fù)荷組成，對應(yīng)的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1[9]所示。

圖1 配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Distribution network structure

輔助電源采用電化學(xué)儲能裝置(蓄電池)，電化學(xué)儲能裝置比依賴化石類能源的柴油發(fā)電機(jī)、小型燃機(jī)等的電源型式更能充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能，運(yùn)行更靈活，也更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)。正常生產(chǎn)時(shí)其處于并網(wǎng)狀態(tài)，并采用V/f(恒壓頻比)控制，風(fēng)機(jī)停機(jī)后作為保安電源，滿足停機(jī)負(fù)荷及保安負(fù)荷(沖洗水泵等)的需要。

負(fù)荷功率采用階梯調(diào)節(jié)和平滑調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略[10]，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電功率的靈活跟蹤和離網(wǎng)型配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)荷功率的階梯調(diào)節(jié)通過海水淡化生產(chǎn)工藝的模塊化投切實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)生產(chǎn)工況設(shè)置啟停相應(yīng)的電動機(jī)組數(shù)；平滑調(diào)節(jié)通過變頻器的變頻調(diào)速功能調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行工況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。還可以利用變頻器的軟啟動功能和無功輸出能力[7]有效抑制電動機(jī)啟動時(shí)對配電網(wǎng)的沖擊并補(bǔ)償電動機(jī)的無功消耗，維持配網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

2 反滲透海水淡化系統(tǒng)階梯調(diào)節(jié)閾值

為適應(yīng)風(fēng)電電源特性，海水淡化裝置采用模塊化設(shè)計(jì)。以5 t/h處理量的反滲透海水裝置為例，其工藝流程如圖2所示。根據(jù)工藝流程圖可知，該系統(tǒng)的主要能耗負(fù)荷包括2臺原水加壓泵(一用一備)、3臺高壓泵、1臺PX增壓泵、1臺沖洗泵和3臺計(jì)量泵，系統(tǒng)總功率為27.2 kW。

圖2 反滲透海水淡化系統(tǒng)(容量5 t/h)的工藝流程Fig.2 Technological process of 5 t/h RO seawater desalination system

為了根據(jù)電源的出力調(diào)節(jié)海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷功率的大小，需要對生產(chǎn)流程中水泵取用的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)水泵取用電功率的方法有非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)。非變速調(diào)節(jié)包括節(jié)流調(diào)節(jié)和水泵的運(yùn)行臺數(shù)調(diào)節(jié)等。其中運(yùn)行臺數(shù)調(diào)節(jié)能進(jìn)行跨越式調(diào)節(jié)，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)行方式，按生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)水泵臺數(shù)的靈活切換。

海水淡化系統(tǒng)設(shè)置3組高壓泵及反滲透膜模塊，根據(jù)輸入功率的波動，適時(shí)切換工作泵組和膜組的數(shù)量，通過調(diào)節(jié)高壓泵運(yùn)行頻率可實(shí)現(xiàn)反滲透膜產(chǎn)水量的調(diào)節(jié)，在保證回收率高的同時(shí)，使得系統(tǒng)噸水能耗最低。根據(jù)海水淡化系統(tǒng)的工藝流程，當(dāng)分別開啟1組、 2組、3組設(shè)備模塊時(shí)，為保證產(chǎn)水質(zhì)量，負(fù)荷工況的階梯調(diào)節(jié)閾值如下：功率小于3.18 kW時(shí)，根據(jù)需要對儲能裝置進(jìn)行充電；工況1為開啟1組泵和膜組，其啟動閾值為3.18 kW；工況2為開啟2組泵和膜組，其啟動閾值為9.28 kW；工況3為開啟3組泵和膜組，其啟動閾值為18.15 kW。而在2個(gè)工況之間是通過調(diào)節(jié)已工作的水泵的取用電功率來實(shí)現(xiàn)對電源出力的跟蹤。

根據(jù)水泵的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)水泵取用電功率的方法有節(jié)流調(diào)節(jié)和調(diào)速調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)通過閥門控制進(jìn)行，會造成調(diào)節(jié)閥門上的能量損失，并且隨著閥門不斷關(guān)小，損失持續(xù)增加，實(shí)際的功率調(diào)節(jié)效果差。調(diào)速調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)水泵消耗的功率，調(diào)節(jié)效果顯著。

3 變頻調(diào)速控制策略

由于變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速方法已成為首選的最具有實(shí)用性的調(diào)速方法。水泵通過變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，可以擴(kuò)展水泵的有效工作范圍，適用于水泵運(yùn)行工況變化較大的場合[11-13]。

變頻器一般采用恒壓頻比(V/f=常數(shù))控制， 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定、V/f曲線、正弦波脈寬調(diào)制(sine-wave pulse-width modulation，SPWM)和驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時(shí)間設(shè)定用來限制電動機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，起軟啟動控制的作用。V/f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM調(diào)制和驅(qū)動環(huán)節(jié)將根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速。

圖3 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理Fig.3 Variable frequency speed regulation system with constant voltage frequency ratio

4 海水淡化負(fù)荷動態(tài)模型

根據(jù)海水淡化系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)及變頻調(diào)速策略，在PSCAD中建立整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)荷模型，如圖4所示，模型中的變頻泵由異步電動機(jī)和變頻器構(gòu)成。該負(fù)荷模型根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，控制高壓泵的投入與退出；同時(shí)通過變頻器調(diào)節(jié)水泵的工作狀態(tài)完成負(fù)荷消耗功率對電源發(fā)出功率的跟蹤。

變頻泵模型如圖5所示。模型中異步電動機(jī)的參數(shù)根據(jù)海水淡化系統(tǒng)中水泵的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。變頻器部分由整流電路、濾波電路和逆變電路組成。輸入側(cè)采用三相橋式全控整流電路，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分采用典型的SPWM控制，通過控制功率器件絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

圖4 整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷模型Fig.4 Load model of whole system

圖5 變頻泵模型Fig.5 Model of variable frequency pump

根據(jù)已經(jīng)確定的工況啟動閥值，結(jié)合已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定負(fù)荷模型中水泵的流量Qf與總能耗pL之間的關(guān)系，其反滲透膜的回收率y可近似取0.3，如圖6所示。

圖6 進(jìn)水流量與總能耗的關(guān)系Fig.6 Relationship between water flow and total consumed power

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 變頻泵的運(yùn)行仿真分析

5.1.1 變頻器提高負(fù)荷功率因數(shù)

實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)頻率超過給定頻率范圍時(shí)，即大于工頻50 Hz時(shí)，電動機(jī)負(fù)荷限制為其額定功率；頻率在35 Hz以下時(shí)負(fù)荷停機(jī)。根據(jù)所建變頻泵模型，設(shè)電動機(jī)的額定功率為3 kW，當(dāng)變頻器輸出頻率由35 Hz變化為50 Hz時(shí)，監(jiān)測變頻器母線側(cè)和電動機(jī)側(cè)消耗的有功和無功功率的變化，如圖7所示，P0和P為有功功率，Q0和Q為無功功率。圖中可以看出電動機(jī)側(cè)的功率因數(shù)為0.88，變頻器母線側(cè)的功率因數(shù)約為1。即使用變頻器后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，使得異步電動機(jī)從電網(wǎng)吸收的無功功率減少，變頻器母線側(cè)的功率因數(shù)接近1，有利于維持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，減少網(wǎng)絡(luò)的功率損耗。

圖7 變頻器母線側(cè)和電動機(jī)側(cè)消耗功率的曲線Fig.7 Consumed power of inverter bus side and motor side

5.1.2 變頻器的軟啟動能力

變頻器還具備軟起動功能，可以使異步電動機(jī)以較小的啟動電流，獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)軟啟動。以容量為3 kW的變頻水泵為例，啟動時(shí)其三相電流變化如圖8(a)所示，測量出啟動過程中相電流的有效值由0逐漸上升到4.5 A左右(有效值)，如圖8(b)所示。由于啟動電流不大于額定電流，所以減輕了啟動過程中電動機(jī)對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求。

5.2 海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷模型的驗(yàn)證

對于已建立的動態(tài)負(fù)荷模型及其控制策略，分別在階梯風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)速作用下驗(yàn)證負(fù)荷控制策略的可行性和模型的正確性。仿真使用圖1的離網(wǎng)型配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，額定功率定為30 kW；儲能裝置不參與峰谷調(diào)節(jié)，僅用于為配電系統(tǒng)提供電壓和頻率支持。

圖8 變頻泵的三相電流和啟動電流的有效值Fig.8 Phase current of variable frequency pump and effective value of variable frequency pump starting current

在階梯風(fēng)速下運(yùn)行整個(gè)仿真系統(tǒng)，結(jié)果見圖9所示，圖中Pg為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，Pload為負(fù)荷模型消耗的功率，Pbat為電化學(xué)儲能裝置的輸出功率。由圖可知：1～4 s時(shí)，負(fù)荷在工況3狀態(tài)下運(yùn)行；4～7 s時(shí)，負(fù)荷在工況2狀態(tài)下運(yùn)行；7～10 s時(shí)負(fù)荷在工況1狀態(tài)下運(yùn)行；所建負(fù)荷模型可以及時(shí)跟蹤電源的功率波動。

在隨機(jī)風(fēng)速下，仿真生產(chǎn)過程中海水淡化裝置總能耗pgL(kW)與進(jìn)水流量Qf(m3/h)的關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示，將其中的數(shù)據(jù)與海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比較，如圖10所示，圓點(diǎn)代表負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行擬合曲線，三角代表給定數(shù)據(jù)擬合曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)所建動態(tài)負(fù)荷模型與海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置的負(fù)荷變化規(guī)律一致。

圖9 發(fā)電側(cè)有功功率與負(fù)荷有功消耗Fig.9 Active power between power generation side and load side表1 海水淡化裝置總負(fù)荷與進(jìn)水流量變化數(shù)據(jù)Table 1 Data of total load consumption of seawater desalination equipment and inlet flow rate

圖10 進(jìn)水流量與負(fù)荷總能耗的曲線擬合Fig.10 Fitted curve of water flow rate and energy consumption of total load

6 結(jié) 論

(1) 模塊化設(shè)計(jì)的海水淡化負(fù)荷采用階梯調(diào)節(jié)和平滑調(diào)節(jié)控制可以實(shí)現(xiàn)海水淡化負(fù)荷對風(fēng)力發(fā)電輸出功率的有效跟蹤，能夠更好地適應(yīng)風(fēng)電波動性，并達(dá)到安全節(jié)能的目的。

(2) 海水淡化裝置的電動機(jī)類負(fù)荷采用變頻控制技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的平滑調(diào)節(jié)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷功率因數(shù)的提高和電動機(jī)的軟啟動，因此有利于配電系統(tǒng)的有功和無功功率平衡及減輕電動機(jī)啟動時(shí)對配電系統(tǒng)的沖擊。

(3) 采用電化學(xué)儲能裝置作為輔助電源，正常運(yùn)行時(shí)其不參與峰谷調(diào)節(jié)，只需連接于配電網(wǎng)并采用V/f控制，其容量選擇僅需滿足海水淡化系統(tǒng)停機(jī)負(fù)荷及停機(jī)后的保安負(fù)荷需求即可，從而減少了由風(fēng)力發(fā)電作為主電源的離網(wǎng)型配電系統(tǒng)對輔助電源容量的依賴，并充分利用了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，提高了全系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

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(編輯：蔣毅恒)

Load Control Strategy of Wind Energy Seawater Desalination System Powered by Off-grid Distribution

WU Yaoyong, ZHANG Wei, ZHAO Lixia, HU Jing, LIU Rui

(North China Power Engineering Co., Ltd.of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)

In the off-grid power distribution system which is powered by wind power generator and uses energy storage device as power source of seawater desalination device, in order to maximize the use of wind energy and reduce the dependence of distribution system on the capacity of energy storage device, the seawater desalination device adopts the power regulation mode combined with stair-like and smooth tactics, and the energy storage device adoptsV/fcontrol.Further, the stair-like power regulation mode is implemented by dividing the load operation into conditions.The smooth power regulation mode adopts frequency converter to change the speed of motor, and uses its characteristics of soft start and reactive power output to effectively maintain the voltage stability of distribution system.Based on the control strategy above, the calculation was processed through a dynamic load model which was established in PSCAD simulation software, and analyzed combined with the load test data.The results of both simulation and experiment show that, the control strategy can achieve effective tracking of wind energy output power for seawater desalination system; finely adapt to the dynamic of wind waves; make full use of the wind generator output power; reduce the dependence on the capacity of energy storage device; and improve the stability and economy of the operation of whole system.

seawater desalination; off-grid power distribution system; energy storage device; frequency converter; constant voltage frequency ratio control

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目(NY20110207-1)。

TK 89

A

1000-7229(2015)03-0109-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.019

2014-09-28

2014-10-13

武耀勇(1966)，男，高級工程師，主要從事新能源發(fā)電電氣研究及設(shè)計(jì)工作；

張瑋(1979)，女，工程師，主要從事新能源發(fā)電電氣研究及設(shè)計(jì)工作；

趙麗霞(1965)，女，高級工程師，主要從事新能源發(fā)電電氣研究及設(shè)計(jì)工作；

胡靜(1980)，女，工程師，主要從事新能源發(fā)電電氣設(shè)計(jì)工作；

劉銳(1986)，男，工程師，主要從事新能源發(fā)電電氣設(shè)計(jì)工作。