离网型风力发电和海水淡化联合技术配电方案

张玮，武耀勇

(华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)

离网型风力发电和海水淡化联合技术配电方案

张玮，武耀勇

(华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)

为了搭建稳定的、以风力发电作为独立电源驱动海水淡化装置的联合系统配电网络结构，结合风力发电和海水淡化联合技术的研究应用现状，分别剖析了风电电源特性及海水淡化工艺装置的负荷特性，提出了针对离网型风力发电和海水淡化联合技术的配电方案。搭建了包含离网型风力发电机组、储能装置、海水淡化工艺系统在内的独立小型微电网系统，构成一套完整的联合系统配电网络结构，同时作为保证该微网系统稳定运行的边界条件，引入了储能系统，有效地解决了离网型风电电源和海水淡化负荷的匹配问题，为就地消纳风力发电及孤岛海水淡化工业用电开辟了新的解决模式和思路。

离网型风力发电；海水淡化；联合技术；储能装置；配电方案

0 引 言

目前，世界各国相继将发展清洁能源和可再生能源列为能源发展重点。由于风力发电受风资源的限制，其固有的波动性、间歇性和不稳定性一直制约着其大规模发展[1-5]。海水作为丰富的非常规水资源，受到了越来越多的重视和利用，海水淡化就是其中重要的利用途径之一。但沿海地区特别是偏远海岛，受电网条件的制约，无法为海水淡化工艺系统提供充足的电源保证，致使海水淡化工艺系统无法在海岛中大规模推广。近年来，越来越多的学者和研究机构都对风能和海水淡化系统的耦合技术给予了更多的关注，文献[6-12]都提到了风能和海水淡化的耦合，其中包括了风能转化为机械能与海水淡化的耦合及将风能转化为电能后与海水淡化的耦合。但大多只是定性阐述了这种技术的可行性及其成本分析,并未对其中的配电网络技术细节做出论述，更未对该系统在离网型风电系统中的稳定运行进行研究。

本文以基于小型的离网型风力发电机组与海水淡化工艺相结合的微网系统供配电结构为研究对象，分析最大限度减少工艺系统启停频率，及保证工艺系统安全停机时，离网型风力发电和海水淡化联合系统配电网络结构所要解决的关键技术难点。利用小型离网型风力发电机组将风能转化为电能后驱动海水淡化装置，充分利用边远海岛的风力资源，以期为解决风力发电就地消纳问题及孤岛海水淡化工业用电寻求一种新的解决模式和思路。

1 风力发电和海水淡化联合技术

风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，由立轴式风力机直接驱动海水淡化高压泵。2009年，风能海水淡化装置投入试运行，该项目采用的是风能海水淡化装置高效直接耦合技术。2011年，国电电力投资建设的东福山岛“风光柴蓄”海水淡化综合系统工程建成投产，该项目配置了7台单机容量30 kW的风力发电机组、1套100 kW的光伏太阳能发电装置、2组各1 000 A·h的储能铅酸蓄电池、1套300 kVA的双向变流器、1台200 kW的柴油发电机组及1套50 t/d的海水淡化系统，总装机容量510 kW。该项目运用了“风”、“光”、“柴”等多种电源互补发电，但其运行模式以柴油发电机及储能电池为主电源，风力发电的利用率较低。储能方式是常规铅酸蓄电池储能，充、放电性能及控制策略较目前普遍采用的新型管式胶体铅酸电池、磷酸铁锂电池和钛酸锂电池等存在一定的差距。

2 风力发电和海水淡化联合技术配电系统结构

边远海岛地区海水资源丰富但电网条件薄弱，有些地区甚至完全没有电网支撑。过去，此类地区的供电基本靠柴油发电机组解决。然而，柴油发电机组在运行期间不仅噪音大，排出的废气还存在一定的环境污染问题，且柴油发电机组运行油耗高，发电成本也相对较高。在这种情况下，寻求新能源以优化电力结构已成当务之急。在目前众多的可再生能源与新能源技术中，潜力最大、最具开发价值的是风能和太阳能。风光互补型的供配电系统结构已有多个成功的运行案例。本文将针对50 m3/h以下产水量的海水淡化装置，针对单一电源的离网型风力发电—海水淡化联合系统，提出合理的配电系统结构，以充分利用海岛及沿海地区丰富的海洋资源和风力资源，解决淡水水源问题，增加新能源综合利用的解决途径。

2.1 海水淡化装置工艺系统组成及负荷特性

2.1.1 海水淡化装置工艺系统组成

海水淡化过程是一个多级过程，每级采用一种净化分离技术单元，分离去除海水中一定的杂质并为下一级净化分离技术单元作准备。

根据单元工序及其设备作用的不同，可把海水淡化工艺分为取水、海水预处理、反渗透海水淡化、产水后处理等部分，流程如图1所示。其中，反渗透海水淡化是核心工序，是确保系统产水品质符合标准要求的关键所在。海水预处理的目的在于提高产水水质，保证反渗透淡化装置安全稳定、高效经济地运行。

图1 海水淡化工艺流程

2.1.2 海水淡化装置的负荷特性

为了适应风电的波动特性，海水淡化装置采用模块化设计和变频技术来调节给水压力和进水流量。模块化设计将膜壳分为3组，按风电输出功率选择开启合适数量的高压泵及匹配膜堆。变频技术即通过调整高压泵配套电机的转速来调节高压泵的功率，以此来适应风电波动和流量的变化(如图1所示)。根据目前变频器设备的技术发展水平来看，其对网侧输入电压的波动适应范围最大可以达到额定输入电压的-15%～10%。此外，针对离网型风电海水淡化联合装置，结合现有风电机组设备容量，每套装置的分组容量宜控制在50 m3/h以下，通常可分为1，2，5，10，20，50 m3/h等几个有代表性的级别。

表1，2为制水规模分别为5，50 m3/h的典型反渗透海水淡化装置电负荷。根据负荷性质，各泵组之间启停间隔时间不长，且大多为连续工作负荷，因此，正常工作时，各系统负荷功率变化相对稳定。根据不同的反渗透膜的性能，一般装置启动0.5～1 h后，才能进入反渗透膜的正常工作状态，达到稳定产水阶段。因此，减少系统频繁起停是风电—海水淡化联合装置配电系统所要解决的重要因素之一。此外，为保证膜的正常使用寿命，每天需对模组进行一定时间的冲洗，冲洗时仅需开启增压泵和冲洗泵，用电需求较小。

表1 制水规模5 m3/h反渗透海水淡化装置电负荷

表2制水规模50m3/h反渗透海水淡化装置电负荷

Tab.2Electricalloadofthereverseosmosisdesalinationdevicewith50m3/hamountwater

2.2 配电系统结构

2.2.1 主要配电系统方案

常规的大型海水淡化装置的配电系统通常采用6(10) kV和0.4 kV这2级电压，6(10) kV配电系统采用单母线接线，供给200 kW以上的电动机及低压变压器电源。虽然海水淡化装置规模不大，不存在高压电机，但距离电源点较远，超过了0.4 kV电压的输电距离要求，只能通过高压电源引接至就地后降压使用。通常多套海水淡化装置设置1台低压工作变压器和1段0.4 kV低压动力中心，每套海水淡化装置设置1段电动机控制中心，200 kW以下电动机、照明和检修等低压负荷由0.4 kV供电，其中海水淡化系统75 kW及以上电动机和150 MVA及以上的静态负荷直接由动力中心供电，75 kW以下的电动机和其他用电设备由电动机控制中心供电。

对于离网型风电海水淡化联合装置，结合现有风电机组设备容量，在不超过50 m3/h的制水规模下，由于负荷容量不大，没有高压电机，且最大功率电机仅为37 kW左右，故配电系统可采用0.4 kV电压，单母线接线形式，不再分级设置动力中心和电动机控制中心。低压供电系统采用中性点直接接地方式。

此外，在风电电源为独立电源、反渗透海水淡化系统为主要负荷的联合系统中，需要接入适当的辅助电源，组成微网系统，以保证整个系统的平衡与稳定运行。在已建成的孤岛海水淡化项目中，辅助电源一般为柴油发电机组，但柴油发电机组只能发电，不能储存多余电量，故在离网型风电海水淡化联合系统中，储能装置作为辅助电源更为合适。储能装置的选择需充分考虑微网系统对其充、放电性能的需求，能够追踪风力发电电源的变化情况实时调节，其容量应能够保证微网系统的稳定及设备安全即可，不能成为海水淡化生产的主用电源。结合海水淡化工艺要求及小型离网风机出力特性，储能方式推荐采用磷酸铁锂电池、钛酸锂电池等较为成熟的新型化学储能电池。

故完整的离网型风电—海水淡化联合装置供配电系统应为包含风力发电机组、储能装置、海水淡化工艺系统在内的独立小型微电网系统。典型配置如图2所示。

图2 配电系统示意图

2.2.2 风电机组及储能装置容量的选择

在离网型供电系统的设计中，系统电源和负荷容量的匹配关系及其优化配置是一个重要步骤。特别是对于风电独立电源的离网型系统，较之风光互补型电站具有更强的波动性和间歇性。风电、海水淡化负荷、储能装置之间有复杂的匹配关系。

(1)风电机组的配置原则。风力发电机组出力，除了与自身的电能转化特性有关外，还与风力发电机组所处地区的风资源状况有密切联系。一般,根据风机与风速相关的功率曲线，利用测风塔与风机轮毂同高度的实测每10 min平均风速查出对应该风速的风机功率，进而得出1年中每10 min的风机出力，然后在每个月中以天为单位，选取这个月中风机出力数据中标准差最大的那天的10 min出力过程作为这个月的代表出力过程，从而得到每月典型日风机的输出功率。将各月典型日数据对比分析，选取合适的典型日数据作为代表月发电量，结合海水淡化装置的最大耗电量进行风机容量的选择。一般，为了保证海水淡化装置的一定产量，风机的代表月发电量应不小于海水淡化装置的最大耗电量为宜。

离网型风电多采用中小型风电机组，根据文献[13-14]及其他网络媒体统计报道，早在20世纪70年代，小型风电技术在我国风能资源丰富的内蒙古、新疆等地区就得到了发展，最初被广泛应用在边远地区的农牧民家用供电，单机容量一般在0.1～10 kW。随着小型风电技术的不断完善和发展，小型风电机组的单机容量也不断放大，目前主流机型的单机容量多为5，10，15，20，25，30，50，100 kW。

对应于不同容量的小型海水淡化装置，风力发电机可以选择单台大功率或多台小功率等多种组合型式。假定项目所在地代表月的风机输出功率可在风机额定功率的70%左右，以前文所列制水规模5 m3/h的海水淡化装置为例，正常工作时最大耗电量约为26.244 kW，则可以选择2台单机容量20 kW或者1台30 kW和1台10 kW的风力发电机组；而对应的制水规模50 m3/h的海水淡化装置，正常工作时最大耗电量约为141.5 kW，可以采用6台30 kW和1台20 kW、4台50 kW或者2台100 kW等组合型式的风机。当然，在工程实施中，还需考虑取水装置及工艺建筑照明等辅助用电设备容量。

(2)储能装置的配置原则。文献[14-20]对大型风电场中风电装机容量及储能装置容量的优化配置进行了详细的仿真分析，并得出储能装置风电机组的功率比例为1∶4比较合适，其结论可供联合系统参考。但离网型风电电源的波动性更大，对储能装置的要求与并网型系统也不尽相同。

对于离网型风电电源和海水淡化联合系统，储能装置的目的是平滑风电电源输出功率的波动，使得风电输出功率的波动尽量平稳、波动性小，以避免海水淡化设备频繁启闭，延长海水淡化工艺系统有效制水时间，保证工艺系统工作期间电源的平稳、可靠，同时最大限度地利用风力资源。

当风力发电机的出力变化引起的负荷侧母线电压波动范围为-15%～10%时，由于工艺系统泵组采用了变频控制，可以由变频器调节泵组出力，以适应风电电源的变化，此时储能装置的容量仅需满足能维持系统停机时反冲洗水泵工作电量即可，按海水淡化正常关机流程启动关机程序；当风力发电机的出力变化引起的负荷侧母线电压波动范围不能够满足变频装置的输入电压波动范围要求时，需投入储能装置，平滑电源波动，维持微网系统的电压、频率的稳定性，此时储能装置的容量与风电电源的波动需匹配，其最经济合理的配置容量需根据具体项目所在地的风力资源及负荷特性等综合因素确定。

3 结 论

(1)离网型风力发电及海水淡化联合装置适合电网结构薄弱或周边没有电网支撑但却有着丰富的海水资源和风能资源的孤岛地区。

(2)完整的离网型风力发电和海水淡化联合系统的配电方案中，应包含多台或单台离网型风力发电机组、具有一定调节手段并在一定范围内能够适应电源波动的完整的海水淡化工艺控制系统及泵组、为保证整个微网系统稳定运行的辅助电源系统以及其他变配电装置。

(3)对应不超过制水规模50 m3/h的海水淡化装置，其配电网络结构可按0.4 kV一级电压供电，将风电机组、储能装置及海水淡化装置负荷全部连接于此。

(4)风电机组及储能装置的设备选型及其容量配置需结合具体工程地点的风资源特性、设备成本，根据电源出力特性及负荷特性等综合因素确定。

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(编辑：蒋毅恒)

DistributionSchemeforOff-GridWindPowerandSeawaterDesalinationUnitedTechnologies

ZHANG Wei, WU Yaoyong

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

In order to establish stable power distribution network structure for combined system with seawater desalination device driven by wind power as an independent power supply, combined with the research and application status of wind power and seawater desalination united technologies, this paper analyzed the wind power characteristics and the load characteristic of seawater desalination process units, and proposed distribution scheme for the united technologies with off-grid wind power and seawater desalination. Then, the independent small micro-grid system was built including off-grid wind power generators, energy storage device and seawater desalination process system, which constituted a complete set of power distribution network structure for combined system. Meanwhile, as the boundary condition that ensured the stable operation of micro-grid system, the energy storage system was introduced to effectively solve the matching problem between off-grid wind power and seawater desalination load, which could open up new solutions and ideas for the local consumption of wind power and the industrial electricity of seawater desalination on isolated island.

off-grid wind power; seawater desalination; united technologies; energy storage device; distribution scheme

国家能源应用技术研究及工程示范项目(NY20110207-1)。

TM 64

： A

： 1000-7229(2014)05-0079-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.013

2013- 11- 22

：2013- 12- 30

张玮(1979)，女，本科，工程师，主要从事风力发电、太阳能发电等新能源发电电气设计工作，E-mail：zhwei@ncpe.com.cn；

武耀勇(1966)，男，本科，高级工程师，主要从事风力发电、太阳能发电等新能源发电电气设计工作。