微電網(wǎng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配在新能源的應(yīng)用

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摘要：海水淡化設(shè)備用電是新能源海水淡化系統(tǒng)的最主要用電點(diǎn)，海水淡化設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地運(yùn)行是提高產(chǎn)水量的基本條件。介紹了一種應(yīng)用動(dòng)態(tài)控制負(fù)荷分配的微電網(wǎng)控制方式，可在同等設(shè)備配置下延長(zhǎng)海水淡化設(shè)備工作時(shí)間，增加產(chǎn)水量。

關(guān)鍵詞：海水淡化系統(tǒng)；微電網(wǎng)；新能源；負(fù)荷；動(dòng)態(tài)分配

隨著２０１７年１２月由國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家海洋局聯(lián)合提出的《海島海水淡化工程實(shí)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(shí)施方案中明確指出，將通過(guò)３年～５年的時(shí)間，在遼寧、山東、浙江、福建、海南等沿海城市重點(diǎn)推進(jìn)１００個(gè)左右海水淡化工程（建設(shè)規(guī)模在５０ｍ３／ｄ～１０００ｍ３／ｄ）的建設(shè)和升級(jí)改造，以有效緩減海島居民的用水問(wèn)題和滿足不斷提高的生活、生產(chǎn)用水需求。針對(duì)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(wèn)題。由于微電網(wǎng)相比大電網(wǎng)存在天然優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)單，因而容易對(duì)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(guò)光伏發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電，配合儲(chǔ)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(wèn)題

新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)具有能效高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新型能源的波動(dòng)性、間隙性等特點(diǎn)需要配備一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，發(fā)揮抑制波動(dòng)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(chǔ)能電池充電，在儲(chǔ)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(yùn)行人員結(jié)合時(shí)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(chǔ)能電池的ＳＯＣ值小于設(shè)定值（比如３０％）時(shí)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(dòng)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(chǔ)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(shí)。由于早上陽(yáng)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(chǔ)能電池系統(tǒng)充電需要的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。如果允許啟動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)的電量大于設(shè)備耗電量后才能啟動(dòng)系統(tǒng)。由于只能憑運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷光照強(qiáng)度足夠才啟動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)間很不精確，如果在早晨啟動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)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(shí)發(fā)電量和儲(chǔ)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(shí)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(shí)（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(guò)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(dòng)設(shè)備。總之，啟動(dòng)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(shí)間加長(zhǎng)，海水淡化設(shè)備的生產(chǎn)時(shí)間就會(huì)減少，降低產(chǎn)水量。啟動(dòng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電池ＳＯＣ值設(shè)定的較低，會(huì)增加設(shè)備意外跳閘停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。而且光照強(qiáng)度由運(yùn)行人員目測(cè)，無(wú)具體數(shù)值指示，對(duì)于相同天氣條件，不同的運(yùn)行人員啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間也偏差很大，增加了設(shè)備頻繁啟停或者跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，降低產(chǎn)水量，造成能源浪費(fèi)。

２負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的微電網(wǎng)方案

為了解決以上問(wèn)題，本文介紹一種微電網(wǎng)負(fù)荷動(dòng)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(guò)采集日期、時(shí)間數(shù)據(jù)，配合采集的光照強(qiáng)度和儲(chǔ)能電池的ＳＯＣ值等，實(shí)時(shí)檢測(cè)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(jí)配置，及時(shí)補(bǔ)充儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(zhǎng)海水淡化設(shè)備的工作時(shí)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１００ｋＷｐ）和儲(chǔ)能逆變（１００ｋＷｐ）、電池（１Ｃ）容量（１００ｋＷｐ）的新能源海水淡化系統(tǒng)為例進(jìn)行微電網(wǎng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配。海水淡化系統(tǒng)配置３級(jí)反滲透系統(tǒng)，其中一級(jí)反滲透用電功率為２０ｋＷ，二級(jí)反滲透用電功率為１３ｋＷ，三級(jí)反滲透用電功率為８ｋＷ。利用北斗或者ＧＰＳ采集日期、時(shí)間數(shù)據(jù)，區(qū)分春夏秋冬四季。在早晨，相同時(shí)間，不同季節(jié)，光照強(qiáng)度也不同。早晨啟動(dòng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間和傍晚關(guān)閉微電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間可以根據(jù)四個(gè)季節(jié)的實(shí)際情況做調(diào)整。光照強(qiáng)度采用照度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并輸出照度值給能量管理系統(tǒng)ＥＭＳ，ＥＭＳ根據(jù)分級(jí)設(shè)備用電需求劃分不同的照度區(qū)間。４級(jí)光照強(qiáng)度劃分如下：（１）１級(jí)光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在１０ｋＷｈ～２０ｋＷｈ，只能給儲(chǔ)能電池充電。（２）２級(jí)光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在２０ｋＷｈ～４０ｋＷｈ，滿足一級(jí)反滲透運(yùn)行。（３）３級(jí)光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在４０ｋＷｈ～６０ｋＷｈ，滿足一、二級(jí)反滲透同時(shí)運(yùn)行。（４）４級(jí)光照強(qiáng)度：光伏發(fā)電功率在６０ｋＷｈ～１００ｋＷｈ，滿足一、二、三級(jí)反滲透同時(shí)運(yùn)行。根據(jù)海水淡化３級(jí)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(jí)反滲透設(shè)備為１級(jí)設(shè)備，二級(jí)反滲透設(shè)備為２級(jí)設(shè)備，三級(jí)反滲透設(shè)備為３級(jí)設(shè)備，照明系統(tǒng)、居民用電均為４級(jí)設(shè)備。空調(diào)系統(tǒng)因?yàn)樾枰o集裝箱內(nèi)的微電網(wǎng)設(shè)備降溫，可以根據(jù)溫度單獨(dú)設(shè)置。（１）早晨７點(diǎn)，設(shè)備啟動(dòng)以后，在光照強(qiáng)度低于２級(jí)時(shí)，光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不足以啟動(dòng)海淡設(shè)備，此時(shí)僅啟動(dòng)電池系統(tǒng)、ＰＣＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｅｒｖｉｃｅ，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(yùn)行準(zhǔn)備一定的電量。（２）早晨７點(diǎn)半，檢測(cè)３ｍｉｎ內(nèi)光照強(qiáng)度持續(xù)處于２級(jí)，判斷出天氣良好，光照穩(wěn)定，準(zhǔn)備運(yùn)行。檢測(cè)儲(chǔ)能電池ＳＯＣ大于２０％，則優(yōu)先運(yùn)行１級(jí)設(shè)備，２級(jí)、３級(jí)、４級(jí)設(shè)備不啟動(dòng)，此時(shí)，光伏發(fā)電主要用于一級(jí)反滲透產(chǎn)水，隨著時(shí)間的推移，光照強(qiáng)度逐漸增加，多余電量給儲(chǔ)能電池充電，提高電池系統(tǒng)ＳＯＣ值，偶爾天空有云層飄過(guò)，光伏發(fā)電量瞬時(shí)下降，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供電能補(bǔ)充，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。（３）當(dāng)時(shí)間到達(dá)８點(diǎn)半，而且光照強(qiáng)度在３ｍｉｎ內(nèi)持續(xù)處于３級(jí)時(shí)，光伏發(fā)電量大于４０ｋＷｈ，再啟動(dòng)二級(jí)反滲透系統(tǒng)，根據(jù)溫度情況，可以打開空調(diào)用電，啟動(dòng)空調(diào)，給集裝箱內(nèi)設(shè)備散熱降溫，防止系統(tǒng)因?yàn)楦邷貓?bào)警而停機(jī)。（４）當(dāng)時(shí)間到達(dá)９點(diǎn)半，而且光照強(qiáng)度在３ｍｉｎ內(nèi)持續(xù)大于４級(jí)時(shí)，光伏發(fā)電量大于６０ｋＷｈ，則可以啟動(dòng)三級(jí)反滲透系統(tǒng)。反滲透系統(tǒng)全額運(yùn)行，生產(chǎn)飲用水，同時(shí)打開居民用電等。（５）在系統(tǒng)分級(jí)啟動(dòng)過(guò)程中，如果天氣良好，光照充足，光照強(qiáng)度連續(xù)５ｍｉｎ內(nèi)都大于４級(jí)，且電池ＳＯＣ值大于４０％，則取消分級(jí)啟動(dòng)，根據(jù)生產(chǎn)需求、用電需求，可以啟動(dòng)所有用電設(shè)備，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行。（６）在正常運(yùn)行時(shí)，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(jí)，則按照電池ＳＯＣ的區(qū)間值來(lái)降低負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)電池ＳＯＣ小于５０％時(shí)停止三級(jí)反滲透的設(shè)備，僅保留一級(jí)、二級(jí)反滲透運(yùn)行，降低用電量；當(dāng)電池ＳＯＣ小于３５％時(shí)且光照強(qiáng)度依然處于１級(jí)狀態(tài)，再停止二級(jí)反滲透設(shè)備，僅保留一級(jí)反滲透運(yùn)行，降低用電量；當(dāng)電池ＳＯＣ小于２０％時(shí)且光照強(qiáng)度處于１級(jí)狀態(tài)，再停止一級(jí)反滲透設(shè)備，此時(shí)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(yùn)行及給儲(chǔ)能電池充電；如果光照強(qiáng)度恢復(fù)，持續(xù)處于４級(jí)光照強(qiáng)度１０ｍｉｎ以上，則取消降低負(fù)荷運(yùn)行，繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，以提高產(chǎn)水量。（７）當(dāng)運(yùn)行到下午５點(diǎn)時(shí)，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(jí)和電池ＳＯＣ值，逐級(jí)停止４、３、２、１級(jí)設(shè)備，至所有用電設(shè)備全部關(guān)閉。此時(shí)，光照強(qiáng)度處于１級(jí)，光伏發(fā)電可以給儲(chǔ)能電池充電，以備次日早晨啟動(dòng)系統(tǒng)使用。

３結(jié)束語(yǔ)

負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的微電網(wǎng)控制方案對(duì)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(shí)現(xiàn)分級(jí)啟停，動(dòng)態(tài)調(diào)整，延長(zhǎng)海水淡化設(shè)備的工作時(shí)間，避免頻繁啟停機(jī)造成的能源浪費(fèi)，這對(duì)于提高產(chǎn)水水量和降低項(xiàng)目的投資、運(yùn)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(shí)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(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

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作者：戴光標(biāo) 許衛(wèi)國(guó) 李虎 單位：江蘇豐海新能源淡化海水發(fā)展有限公司