蒙阴县风光互补提水蓄能技术应用

刘晓建，刘富堂，宋艳艳

（蒙阴县水利局，山东 蒙阴 276200）

蒙阴县是典型的山区县，总面积1 601.6 km2，山丘区面积占总面积的94%。属暖温带季风型大陆性气候，冬季风为西北风，从10月中旬开始到12月达到全盛期，至4月中旬消失。夏季风为东南风，从6月中旬开始，7月进入极盛期，9月初结束。蒙阴县属太阳能资源较丰富区域，年总辐射量504.2 kJ/cm2，年平均日照数2 469.4 h,平均峰值日照射数4.14 h，日照率55.7%。

1 工程概况

蒙阴县苏家沟风光互补供电提水蓄能节水灌溉工程，是一处集清洁能源开发、高效节水灌溉建设于一体的现代水利示范工程，是水利生态文明建设与水利科技示范重点项目。该风光互补供电提水蓄能系统，主要由点源、提水设备、输水管道和高位蓄水池等组成，将太阳能电池和风力发电机有机地组成一个系统，有效利用太阳能和风能在能量及时间上的互补性，最大限度地利用太阳能和风能进行提水蓄能。该工程实施节水灌溉面积达573 hm2，其中包括苹果 260 hm2、蜜桃 186 hm2、杂果 127 hm2。

2 工程总体设计

该工程建设内容主要由3部分组成：一是电源系统，即风光互补供电系统，有弦弧式垂直风力发电机、太阳能电池方阵、汇流保护装置、太阳能及风能充放电控制器、超级能量采集器、太阳能专用蓄电池组、控制柜等组成；二是提水系统，有离网型光伏逆变电源和高性能潜水泵或离心泵、水泵控制器、控制柜等组成；三是输水管道系统，主要有PE管输水管道、高位蓄水池、单相阀等组成。

系统主要技术指标：1）提水高差78 m，最大提水量约20 m3/h,一般日均提水量100 m3。2）蓄电系统储能达到13.2 kW·h，系统平均无故障时间大于1万h。3）抽水蓄能高位水池容积大于1 000 m3。

3 主要设备性能要求

3.1 风力发电机组

根据项目工程区域内的风能资源，选用当前水平轴风力发电最新技术机型，其具有启动风速低、自动对风向等优点。由3个风叶、轮毂、发电机、机舱、尾翼杆、尾翼、充电控制器和卸荷装置等构成。风轮直径为4.2 m，启动风速小于3 m/s，安全风速大于25 m/s，输出额定交流电压220 V，额定功率为2 000 W。风力发电机组由4台2 000 W水平轴风力发电机组成，形成一小型风力发电场，与太阳能方阵互补发电，满足提水蓄能灌溉的需要。

3.2 太阳能电池方阵

太阳能电池的输出伏安（V-I）特性曲线具有强烈的非线性。在光伏系统中，负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳能电池的利用效率。为确保太阳能电池供电系统得到最大功率，根据最大功率（MPPT）跟踪法，必须跟踪日照强度和环境温度条件，不断改变其负载阻抗的大小，从而达到阵列与负载的最佳匹配。

对太阳能电池阵列而言，应按照负载的用电量及技术要求，确定太阳能电池组件的串并联数。串联数是由太阳能电池阵列的电压决定，并应考虑蓄电池的浮式充电、线路损耗压降等。蓄电池的容量决定了其最大充电电流，该数值再结合负载电流，可决定太阳能电池的并联数量。

蒙阴县属太阳能资源较丰富的区域。根据近20年气象资料统计，蒙阴县6—10月份期间连续阴雨天数为4 d，阴雨天与晴天的比例约为4∶3。由于采用风光互补供电方式，光能和风能的贡献比例设计为7∶3。太阳能电池组件的功率通过计算可得为84.2 W。

根据蒙阴区域内平均日照强度和日照量，按日累计提水量100 m3，最大提水流量20 m3/h和扬程78 m的设计要求，该工程选用高效270 W转换效率为15.2%的多晶硅太阳能电池组件40只，组成太阳能电池方阵，方阵二组尺寸均为20.0 m×2.0 m×0.04 m,额定工作电压360 V，额定工作电流30 A。

3.3 充电控制器和汇流控制保护装置

1）风电控制器。控制模块由微电脑控制，采用低损耗器件和静态开关技术，具有独特的前级斩波卸荷功能、分级卸荷功能和超速自动刹车功能，使发电机和后续电路及负载得到多重保护。其特别设计了同时具备BUCK和BOOST两种功能的稳压电路，可在5～75V的超宽电压范围内输出与系统相匹配的电压值，即使风机在较低或超高的风速下，都可以为蓄电池进行充电，使风能得到更加充分的利用。另外，还针对铅酸蓄电池充电特点，设计了专用充电控制电路，可实现对铅酸蓄电池的三阶段充电智能化管理，大大延长了蓄电池的使用寿命。

2）太阳能充电控制器。太阳能电池的输出特性随着光照强度、温度等自然条件的改变，最大输出功率点也相应改变。为提高光伏发电效率、降低成本，光伏发电系统必须考虑最大功率点的跟踪问题。为跟踪光伏系统的最大功率点，依据太阳能电池的V-I和P-V输出特性，采用“一点法和双闭环控制”的思路，采用了大功率智能光伏控制器，其额定电压DC360V,最大充电电流60 A，太阳能充电输入4路，具有过放、过充、过压、过流和短路等保护功能。

3）汇流控制保护装置。汇流保护模块是将太阳能电池方阵和风力发电场并接在一起，实现汇流后给储能装置充电，各路之间相互隔离，防止电流反串而损毁设备，同时还具有保护功能，能有效地消除系统中的共模和差模干扰。

3.4 SL-SNB专用离网型光伏逆变器

SL-SNB离网型正弦波光伏逆变电源，是风力发电和太阳能发电提水灌溉的专用设备。

逆变电源采用双MCU控制智能化运作模式。先进的正弦波脉宽调制（SPMW）技术，全桥式纯正弦波逆变器设计，谐波失真小；具有变频软启动功能；输入电压范围宽，具有自动稳压功能；交流旁路设计，维护方便。

3.5 超级电容和免维护蓄电池混合储能装置

1）超级法拉电容。超级电容具有超低串联等效电阻、充放电方式简单和超长寿命的特点，设计使用100 F/54 V超级电容作为风力发电的前级能量采集，可大大提高风能利用率和风力发电机的效率。

2）太阳能专用蓄电池。根据超级法拉电容和免维护蓄电池不同的优势，本次采用250F/54V作为前级的能量采集器，配以高性能的DC-DC开关电源升压模块，大大提高了风力发电机和太阳能的利用率。即使在微风或阳光不充足的情况下，仍可将风力发电机和太阳能产生的毫安级弱电流储存在超级电容中，经升压模块将超级电容中电能转换后，对后级的储能装置充电。

4 工程施工

1）风力发电风场选择。风速分布有很强的地形依赖性，不同的地形可加速或阻碍空气的流动。为获得较高的风能资源，在利用常规气象资料计算风力资源的总体资料外，还需结合施工地点，科学选择风力机安装场址。

根据现场勘察，蒙阴县苏家沟属于地形复杂的山脊隆升地形和山谷低凹地形。综合考虑风向、地形等多种因素，将风力发电机、太阳能电池方阵、充电控制器、汇流保护装置，安装在山肩的蓄水池附近，通过电缆送至泵房的混合储能装置、潜水电泵控制器和电泵。风力发电机组安装于高7.5 m的铁塔架顶部、太阳能电池方阵固定在钢支架上。2）太阳能电池方阵安装。太阳能电池方阵支架采用三角铁结构，基础为混凝土底座，太阳能电池板面向南方，倾斜角为41°。3）潜水电泵安装。为方便运行管理，在水源处建设小型泵房1处，水泵及有关控制部件均安装在泵房内。4）风力发电机安装。风力发电机竖杆为220 mm镀锌锥形塔架，管长7.5 m，壁厚4 mm，底座直径460 mm。底座基础嵌入坚硬的基岩中，埋入地下不小于1 100 mm。5）其他设备安装。其他设备安装应满足水利机电工程安装的规范性要求，施工人员必须具备相应的资质，持证上岗，工程安装质量符合ISO9001质量体系规范。