风光互补发电提水灌溉系统的组成及应用

樊 冰，张联洲，赵启新

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东 济南 250014；2.肥城市水利地质基础公司，山东 肥城 271600）

风光互补发电提水灌溉系统的组成及应用

樊 冰1，张联洲1，赵启新2

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东 济南 250014；2.肥城市水利地质基础公司，山东 肥城 271600）

风光互补发电智能提水灌溉系统利用风机及太阳能板提供的电量通过泵站从山脚下水源提水至山顶高位蓄水池，并对农田作物进行智能节水灌溉。该电站是集风能及太阳能两种能源发电技术、系统智能控制技术及节水灌溉技术为一体的复合可再生能源发电灌溉系统，实现了新型发电技术与智能监控技术的全面整合。该文对系统的组成与功能进行了阐述。

风光互补；节水灌溉；太阳能；智能监控

目前，太阳能与风能作为清洁可再生型新能源在自然界配置、技术整合方面具有高度的互补性，并且具有发电成本较低、安装运行维护方便简单、绿色环保、性价比高等优点，从而具备规模化发展的条件。所谓风光互补发电智能提水灌溉系统，是将太阳能板、蓄电池、风力发电机、输水系统、灌溉控制系统有机组成一个整体，充分有效地利用风能和太阳能在资源及时间上的互补性，充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用太阳能和风能进行提水蓄能，将电能和风能转化为高位蓄水池中的水势能储存，零存整取，达到节水灌溉的目的。该系统主要由风光互补电站、潜水电泵、输水管道、输电线路、高位蓄水池、农田现场综合数据自动采集终端、节水灌溉智能一体化控制系统等部分组成。系统利用发电设备从山脚下水源提水至山顶高位蓄水池，并对农田作物进行灌溉。其中风光互补电站由风力发电机组、太阳能板、控制器、蓄能装置、逆变器、避雷器、交流直流负载等部分组成。该电站是集风能及太阳能两种能源发电技术、系统智能控制技术及节水灌溉技术为一体的复合可再生能源发电系统，实现了两种自然资源的全面整合。

1 风光互补电站

该电站风力发电部分通过风轮将风能转换为机械能，再通过电机将机械能转换为电能，经过逆变器对负载供电，剩余电量再通过控制器对蓄电池充电。光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电，剩余电能对蓄电池充电。逆变系统由多台逆变器组成，保证输出电压与提水电泵匹配，保证用电负载设备的正常使用。电站同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。蓄电池部分在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。本电站充分利用了风光互补发电系统的运行互补机制，提高了区域风能与太阳能互补比例及可靠性。

2 农田现场自动化综合监控终端

农田现场自动化监控终端的功能是实现采集土壤墒情、气象、温度、现场作物的供水情况、蒸发量、土壤pH值、管道压力以及设备电压电量等参数，并将采集到的数据传输到数据中心，数据中心根据收集的大量监控数据信息，建立作物生长制约因素信息库，实现实时精准墒情测报，并将需水信息反馈给灌溉控制终端，控制灌溉系统的启闭，从而提高水分生产率，实现农业高效用水。数据采集单元传感器的监测点位布置按照现场作物分布情况、地貌、土壤、气象、水文地质条件和管道敷设情况进行布设，传输方式可采用有线传输或通过TCP/IP协议以自身IP地址进行无线数据传输。

3 灌溉及控制系统

该部分主要由提水管道、泵站及泵房、高位蓄水池及灌溉控制终端组成。提水管线布设应从整个供水系统布局合理的角度出发，尽量缩短线路长度，避免急转弯、较大的起伏、穿越不良地质地段；泵站一般建设在水源处，水泵及有关控制部件均安装在该泵房内；高位蓄水池根据实际地形及灌溉方便选择相对高点，水池建设要充分做好防渗处理；灌溉控制终端是对灌溉水供给进行控制的命令执行系统，实现灌溉水供给精准化，该部分应具有以下主要功能：1）可靠实现对控制命令的处理、执行等功能。2）执行系统控制命令的实时性及准确性符合要求。3）通过调节自身供水方式实现水泵恒压供水。4）执行指令实施后，可反馈单元执行情况及设备运行参数信息至监控中心。5）现场灌溉设备能进行手动设置使控制电路失效或恢复。6）执行终端能根据流量等传感器的监测值与设定值进行，实时调节灌溉水量，满足要求后停止灌溉。

4 节水灌溉智能一体化控制系统

该系统首先建立作物生长需水量预测计算模型，根据农田现场监测终端采集返回的太阳辐射、气温、相对湿度、蒸发量、风速等信息计算出作物在该生长阶段的最佳需水量，然后对比当前土壤实际含水量，当未达到最佳值时，系统启动灌溉命令并通知操作员，操作员无干预则自动启动灌溉系统，并且根据预先制定的灌溉顺序自动执行，同时农田监测终端的监测频率自动调至最高，当含水量达到最佳值时，系统发送灌溉停止命令，农田监测终端的监测频率恢复正常值，灌溉结束。

节水灌溉智能一体化控制系统还应具有以下功能：1）监测信息具有“一张图”总览功能，总览图上可动态显示各个监控点的监控类型、位置信息、归属信息、当前状态、实时数据、控制情况、过程曲线、报警状态等。2）系统有数据的采集、存储、分析、描述、查询、统计、报表导出等功能，可查询导出任一时间段任一监控参数的统计数据。3）系统具有编辑、修改功能，通过后台登陆可实现监控方式的选择、监控站的组态布置、控制指令的重新生成及保存、自动灌溉参数的输入输出、历史数据的调用修改、评估系统的运行操作、系统配置的修改、进行系统测试和系统维护等。4）系统具有网络安全防护功能、身份识别功能、登陆IP及时间地点验证等功能，确保网络的安全运行。通过多级用户管理体制、身份识别体制、设置多级用户权限、多级安全密码，对系统进行有效的安全管理。5）系统具有自检功能，以便能为及时维护提供方便。6）智能决策单元支持自我修正功能，该功能可以对灌溉后的执行结果与执行前的预期结果进行比对，通过比对重新修正模型的计算参数、并将结果进行反馈。7）智能决策单元的输出内容应具有是否需要灌溉、灌溉时间、灌溉量等信息。8）智能决策单元应能够与主控单元(或监控中心)联合实现智能决策控制功能。

5 结语

通过该节水灌溉模式的应用，开发利用新能源，为山丘区农民增产创收提供了可能，也有利于项目区生态环境的进一步发展和改善。该系统可更好的调节小气候，有效遏制水土流失，土壤沙化，保持土壤肥力，为农业可持续发展做出贡献。随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，相信随着设备材料成本的降低、科技的发展、政府扶持政策的推出，该清洁、绿色、环保的新能源风光互补发电提水系统将会得到更加广泛的应用。

[1] 徐林等.风光蓄互补发电系统容量的改进优化配置方法[J].中国电机工程学报，2012（25）.

[2] 齐志远等.风光互补发电系统的协调控制[J].太阳能学报，2010(05).

（责任编辑 赵其芬）

S277.9

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1009-6159（2017）-10-0084-02

樊冰（1982—），男，工程师