离网运行的风能海水淡化系统负荷控制策略

武耀勇，张玮，赵丽霞，胡静，刘锐

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)



离网运行的风能海水淡化系统负荷控制策略

武耀勇，张玮，赵丽霞，胡静，刘锐

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)

在由风力发电机和储能装置作为海水淡化装置供电电源的离网型配电系统中，为最大化利用风能并减少配电系统对储能装置容量的依赖，海水淡化装置负荷采用功率阶梯调节和功率平滑调节相结合的方式，储能装置采用V/f控制。功率阶梯调节通过海水淡化装置的模块化投切实现；功率平滑调节通过变频器实现电动机的变频调速，并且利用变频器的软启动功能和无功输出能力有效维持配电系统的电压稳定。基于上述控制策略，通过PSCAD仿真软件建立动态负荷模型进行仿真计算并结合负荷实验数据进行分析。仿真和实验结果均表明，该控制策略可以实现海水淡化负荷对风力发电输出功率的有效跟踪，能够很好地适应风电波动性，并充分利用了风力发电机的输出功率，减少了对储能装置容量的依赖，提高了全系统运行的稳定性和经济性。

海水淡化；离网型配电系统；储能装置；变频器；恒压频比控制

0 引 言

我国是一个水资源严重短缺的国家，通过淡化海水将海水转化为人类可直接利用的淡水，是解决水资源短缺的重要手段之一。在所有海水淡化技术中，反渗透法是最经济的。即便是这种最经济的方法，其成本的45%也是来自于能耗。

我国风能资源丰富，利用风能进行海水淡化，将风电作为海水淡化“取之不尽，用之不竭”清洁能源供给，不但可以解决传统海水淡化系统高能耗以及风电上网难、成本高等问题，而且可以节约常规能源，减少碳排放[1-4]。

但是，风电稳定性较差，具有多变性和随机性，难以提供连续稳定的电力输出，目前含有风电机组的离网型配电系统需设置柴油发电机、小型燃机或储能装置等辅助电源，以提高其稳定性。依靠辅助电源的快速调节能力，平滑风力发电机出力[5-8]并参与负荷的峰谷调节以提高电能质量，维持配电系统稳定可靠运行，这势必导致需配置较大容量的辅助电源，经济性及可操作性都较差。

本文针对由风力发电机组作为主电源的离网型配电系统提出一种新的技术方案，该方案结合目前高效的反渗透技术，将海水淡化装置采用模块化设计，同时电动机采用变频控制技术，以适应风电波动特性，并在尽可能减少对辅助电源依赖的前提下，保证海水淡化装置稳定运行。基于此提出海水淡化系统负荷控制策略并进行动态负荷建模，通过PSCAD仿真软件完成仿真计算并经海水淡化装置的负荷实验数据进行验证。

1 配电系统技术方案及控制策略

风力发电与海水淡化相结合的配电系统由风电机组、辅助电源及海水淡化装置负荷组成，对应的配电网络结构如图1[9]所示。

图1 配电网络结构Fig.1 Distribution network structure

辅助电源采用电化学储能装置(蓄电池)，电化学储能装置比依赖化石类能源的柴油发电机、小型燃机等的电源型式更能充分利用风力发电机组所发出的电能，运行更灵活，也更环保、更经济。正常生产时其处于并网状态，并采用V/f(恒压频比)控制，风机停机后作为保安电源，满足停机负荷及保安负荷(冲洗水泵等)的需要。

负荷功率采用阶梯调节和平滑调节相结合的控制策略[10]，实现对风电功率的灵活跟踪和离网型配电网的稳定运行。负荷功率的阶梯调节通过海水淡化生产工艺的模块化投切实现，即根据生产工况设置启停相应的电动机组数；平滑调节通过变频器的变频调速功能调节水泵的运行工况，进而实现功率调节。还可以利用变频器的软启动功能和无功输出能力[7]有效抑制电动机启动时对配电网的冲击并补偿电动机的无功消耗，维持配网系统的电压稳定。

2 反渗透海水淡化系统阶梯调节阈值

为适应风电电源特性，海水淡化装置采用模块化设计。以5 t/h处理量的反渗透海水装置为例，其工艺流程如图2所示。根据工艺流程图可知，该系统的主要能耗负荷包括2台原水加压泵(一用一备)、3台高压泵、1台PX增压泵、1台冲洗泵和3台计量泵，系统总功率为27.2 kW。

图2 反渗透海水淡化系统(容量5 t/h)的工艺流程Fig.2 Technological process of 5 t/h RO seawater desalination system

为了根据电源的出力调节海水淡化系统负荷功率的大小，需要对生产流程中水泵取用的功率进行调节。调节水泵取用电功率的方法有非变速调节和变速调节。非变速调节包括节流调节和水泵的运行台数调节等。其中运行台数调节能进行跨越式调节，可以根据生产实际设定相应的运行方式，按生产流程实现水泵台数的灵活切换。

海水淡化系统设置3组高压泵及反渗透膜模块，根据输入功率的波动，适时切换工作泵组和膜组的数量，通过调节高压泵运行频率可实现反渗透膜产水量的调节，在保证回收率高的同时，使得系统吨水能耗最低。根据海水淡化系统的工艺流程，当分别开启1组、 2组、3组设备模块时，为保证产水质量，负荷工况的阶梯调节阈值如下：功率小于3.18 kW时，根据需要对储能装置进行充电；工况1为开启1组泵和膜组，其启动阈值为3.18 kW；工况2为开启2组泵和膜组，其启动阈值为9.28 kW；工况3为开启3组泵和膜组，其启动阈值为18.15 kW。而在2个工况之间是通过调节已工作的水泵的取用电功率来实现对电源出力的跟踪。

根据水泵的运行工况调节水泵取用电功率的方法有节流调节和调速调节。节流调节通过阀门控制进行，会造成调节阀门上的能量损失，并且随着阀门不断关小，损失持续增加，实际的功率调节效果差。调速调节是通过调节水泵的转速从而调节水泵消耗的功率，调节效果显著。

3 变频调速控制策略

由于变频技术的发展，变频调速方法已成为首选的最具有实用性的调速方法。水泵通过变频器实现变频调速运行时，可以扩展水泵的有效工作范围，适用于水泵运行工况变化较大的场合[11-13]。

变频器一般采用恒压频比(V/f=常数)控制， 恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图3所示，系统由升降速时间设定、V/f曲线、正弦波脉宽调制(sine-wave pulse-width modulation，SPWM)和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，起软启动控制的作用。V/f曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM调制和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。

图3 恒压频比变频调速系统原理Fig.3 Variable frequency speed regulation system with constant voltage frequency ratio

4 海水淡化负荷动态模型

根据海水淡化系统变工况调节及变频调速策略，在PSCAD中建立整个生产系统的动态负荷模型，如图4所示，模型中的变频泵由异步电动机和变频器构成。该负荷模型根据实时检测的风力发电机的输出功率，控制高压泵的投入与退出；同时通过变频器调节水泵的工作状态完成负荷消耗功率对电源发出功率的跟踪。

变频泵模型如图5所示。模型中异步电动机的参数根据海水淡化系统中水泵的实际参数进行设置。变频器部分由整流电路、滤波电路和逆变电路组成。输入侧采用三相桥式全控整流电路，整流输出经中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分采用典型的SPWM控制，通过控制功率器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。

图4 整个系统的负荷模型Fig.4 Load model of whole system

图5 变频泵模型Fig.5 Model of variable frequency pump

根据已经确定的工况启动阀值，结合已知的实验数据可确定负荷模型中水泵的流量Qf与总能耗pL之间的关系，其反渗透膜的回收率y可近似取0.3，如图6所示。

图6 进水流量与总能耗的关系Fig.6 Relationship between water flow and total consumed power

5 仿真结果与分析

5.1 变频泵的运行仿真分析

5.1.1 变频器提高负荷功率因数

实际运行中，当频率超过给定频率范围时，即大于工频50 Hz时，电动机负荷限制为其额定功率；频率在35 Hz以下时负荷停机。根据所建变频泵模型，设电动机的额定功率为3 kW，当变频器输出频率由35 Hz变化为50 Hz时，监测变频器母线侧和电动机侧消耗的有功和无功功率的变化，如图7所示，P0和P为有功功率，Q0和Q为无功功率。图中可以看出电动机侧的功率因数为0.88，变频器母线侧的功率因数约为1。即使用变频器后，由于变频器内部滤波电容的作用，使得异步电动机从电网吸收的无功功率减少，变频器母线侧的功率因数接近1，有利于维持电网的电压稳定，减少网络的功率损耗。

图7 变频器母线侧和电动机侧消耗功率的曲线Fig.7 Consumed power of inverter bus side and motor side

5.1.2 变频器的软启动能力

变频器还具备软起动功能，可以使异步电动机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，实现软启动。以容量为3 kW的变频水泵为例，启动时其三相电流变化如图8(a)所示，测量出启动过程中相电流的有效值由0逐渐上升到4.5 A左右(有效值)，如图8(b)所示。由于启动电流不大于额定电流，所以减轻了启动过程中电动机对电网的冲击和对供电容量的要求。

5.2 海水淡化系统负荷模型的验证

对于已建立的动态负荷模型及其控制策略，分别在阶梯风和随机风速作用下验证负荷控制策略的可行性和模型的正确性。仿真使用图1的离网型配电网络结构，风力发电机采用直驱永磁同步发电机，额定功率定为30 kW；储能装置不参与峰谷调节，仅用于为配电系统提供电压和频率支持。

图8 变频泵的三相电流和启动电流的有效值Fig.8 Phase current of variable frequency pump and effective value of variable frequency pump starting current

在阶梯风速下运行整个仿真系统，结果见图9所示，图中Pg为风力发电机的输出功率，Pload为负荷模型消耗的功率，Pbat为电化学储能装置的输出功率。由图可知：1～4 s时，负荷在工况3状态下运行；4～7 s时，负荷在工况2状态下运行；7～10 s时负荷在工况1状态下运行；所建负荷模型可以及时跟踪电源的功率波动。

在随机风速下，仿真生产过程中海水淡化装置总能耗pgL(kW)与进水流量Qf(m3/h)的关系数据如表1所示，将其中的数据与海水淡化实验装置的实验数据进行拟合比较，如图10所示，圆点代表负荷实际运行拟合曲线，三角代表给定数据拟合曲线。可以发现所建动态负荷模型与海水淡化实验装置的负荷变化规律一致。

图9 发电侧有功功率与负荷有功消耗Fig.9 Active power between power generation side and load side表1 海水淡化装置总负荷与进水流量变化数据Table 1 Data of total load consumption of seawater desalination equipment and inlet flow rate

图10 进水流量与负荷总能耗的曲线拟合Fig.10 Fitted curve of water flow rate and energy consumption of total load

6 结 论

(1) 模块化设计的海水淡化负荷采用阶梯调节和平滑调节控制可以实现海水淡化负荷对风力发电输出功率的有效跟踪，能够更好地适应风电波动性，并达到安全节能的目的。

(2) 海水淡化装置的电动机类负荷采用变频控制技术不但可以实现负荷功率的平滑调节，而且能够实现负荷功率因数的提高和电动机的软启动，因此有利于配电系统的有功和无功功率平衡及减轻电动机启动时对配电系统的冲击。

(3) 采用电化学储能装置作为辅助电源，正常运行时其不参与峰谷调节，只需连接于配电网并采用V/f控制，其容量选择仅需满足海水淡化系统停机负荷及停机后的保安负荷需求即可，从而减少了由风力发电作为主电源的离网型配电系统对辅助电源容量的依赖，并充分利用了风力发电机的输出功率，提高了全系统运行的稳定性和经济性。

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(编辑：蒋毅恒)

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

国家能源应用技术研究及工程示范项目(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，高级工程师，主要从事新能源发电电气研究及设计工作；

张玮(1979)，女，工程师，主要从事新能源发电电气研究及设计工作；

赵丽霞(1965)，女，高级工程师，主要从事新能源发电电气研究及设计工作；

胡静(1980)，女，工程师，主要从事新能源发电电气设计工作；

刘锐(1986)，男，工程师，主要从事新能源发电电气设计工作。