自匹配风光互补海水淡化系统性能特点

郑琍莉 张 宝

上海骄英能源科技有限公司

1 引言

自匹配风光互补海水淡化系统中的海水淡化设备为光热海水淡化，与传统膜法海水淡化不同，其主要利用太阳辐射能集热产生蒸汽对海水进行蒸馏处理。热法海水淡化系统运行所产生的蒸汽量与太阳辐射量有直接关系，太阳的热辐射值越高，蒸汽量也越大，海水淡化设备用电量也随之逐渐增大。

通过设备运行工艺设计，使海水淡化设备的用电量趋势曲线与太阳能光伏每日发电量近似相同，理想状态下光热海水淡化系统的用电需求可以通过光伏发电满足。风能作为太阳辐射能的补充，可以弥补太阳辐射能在阴雨天气等辐射不足情况下的用电需求。

因此将风光互补与海水淡化结合，并建立负载自匹配机制，根据发电量投入或减少用电设备，达到减少或不使用蓄电池等传统储能消纳设备的目的。

2 系统的组成

图1是自匹配风光互补海水淡化系统中的电气系统示意图，其电气系统由多个系统组成。分为以下几个系统：负荷自匹配控制系统、风光互补发电储能系统、线性菲涅尔跟踪控制系统、蒸汽系统、海水淡化系统和储热系统。

负载自匹配控制系统为总控制系统，是自匹配风光互补海水淡化系统的核心系统。其收集风光互补发电系统、海水淡化系统等运行数据，自动根据新能源发电情况匹配投入符合用电要求及工艺要求的负载，使新能源输出电力可以完全被系统负载消纳，达到电力平衡。

图1 自匹配控制系统电气系统示意图

2.1 基于Modbus及TCP/IP网络传输数据

图2是整个自匹配风光互补海水淡化系统的数据传输框图。自匹配风光互补海水淡化系统的通讯结构由两套通讯协议构成，其由控制通道1、2、S7-200/S7-300可编程控制器组、用户数字I/O接口和上位机操作运行报警界面等组成。

图2 系统网络传输框图

自匹配系统的不同子系统单元的信息交换，使用Modbus及TCP/IP通讯协议网络传输。如风光逆变发电功率、剩余储能量等运行信息都是由自匹配系统触发控制单元通过Modbus网络协议从各个系统中获取。自匹配系统触发控制单元通过逻辑计算判断系统的工作状态及发展趋势，其将处理信息及状态信息使用TCP/IP通讯协议发送到负载控制系统，如海水淡化设备、蒸汽设备等的核心处理单元——以西门子S7系列可编程控制器为核心构成的负载控制器。

在自匹配风光互补海水淡化系统中，Modbus协议可以保证网络数据采集监控的及时性和准确性。TCP/IP协议可以更便捷的使多台S7系列可编程控制器建立全面的数据交换及发出控制指令。

2.2 可编程控制器组

自匹配风光互补海水淡化系统的核心为S7系列可编程控制器，通过PC机用STEP 7 MicroWIN编程软件支持梯形图、语句表、功能图方式编辑控制程序。完成自匹配系统的控制函数、流程、控制参数、逻辑判断的设定，完成负载自动匹配的各种控制及保护功能。各类发电设备、负载、监测设备、电压和电流等模拟信号由接口模块测量并转换为数字信号，传到控制器，由控制器进行软件处理。经过函数计算，得到控制触发信号，通过控制通道传送到触发控制单元处理，触发控制单元将此信号与触发同步信号经过合成，控制受控负载投切。控制新能源工作配电优先级，做到自匹配控制。

3 负载自匹配控制系统的控制及实现

3.1 负载自匹配控制系统介绍

负载自匹配控制系统是一个快速系统，必须根据发电设备电压电流的变化，快速计算匹配需要投切的负载值，发出指令并保证设备动作，达到发电与用电动态平衡。但可编程控制器有其响应时间，当发电量发生瞬间变化时，负载投切无法做到瞬间改变。海水淡化系统中大多数电机为感性负载，正常启动时会产生过大的启动电流，都将影响控制系统的安全工作。

为了降低发电及用电瞬间变化对电路的影响，所有电机配备了相应的变频器，降低了启动电流对电路的影响，其使用电量为太阳能及风能实时发电量。

根据风光互补发电量及海水淡化用电量，配置了多个功率不等的电加热设备，作为海水淡化设备的负载的补充，减少由于发电量的峰谷变化而发生的设备频繁启停过流动作；其用电量主要为光伏实时发电量，用于电量动态平衡控制；模糊自匹配控制条件，保证海淡设备长时间稳定工作。

3.2 系统控制框图

图3为自匹配风光互补海水淡化系统控制框图，通过对风光互补发电系统参数的监测，对其进行比较判断，发出控制指令，投切负载达到负载自匹配系统的循环运行。

通过对风光互补系统电压(Upv)与电流(Ipv)、蓄电池电压(Ubat)、海淡设备电压(Uax)与电流(Iax)；电加热设备电压(Ubx)与电流(Ibx)、海淡系统实际日运行时间(T)的检测，与控制参数预设发电电流(Ix)、海淡设备预设日运行时间(Tx)、蓄电池过充电压(Ubat max)和过放电压(Ubat min)等比较换算，控制海淡设备与电加热设备投切，改变能量使用方式，消纳风光互补系统的发电量。

1)当 Ipv＜Ix，Ubat＜Ubat max 时，为蓄电池充电；

2)当Ipv＜Ix，Ubat≥Ubat max时，蓄电池充满电，计算发电量，投入合适的电加热设备；

3)当Ipv≥Ix、T=0(海淡设备实际运行时间)时，发电量满足海淡系统启动条件，启动蒸汽/跟踪/海淡装置；

4)当Ipv-Iax-Ibx＞Ix时，计算发电量，检索蓄电池，Ubat＜Ubat max时，为蓄电池充电，无需充电时，依优先级投入合适的海淡设备及电加热设备；

5)当Ipv-Iax-Ibx＜Ix时，检索已启动设备，切出电加热设备，若系统中已无电加热设备，检索蓄电池，Ubat＞Ubat min时，蓄电池投入生产补充海淡设备用电缺口；

6)当Ipv-Iax-Ibx＜Ix，Ubat＜ Ubat min时，切出海淡系统中不必要装置；

7)当Ipv＜Ix且T＞Tx时，结束海淡设备一天的运行，海淡设备结束运行。

负载自匹配控制系统始终保持风光发电量与负载用电量动态平衡，电加热与少量蓄电池的投入避免了海淡设备在切换点来回切换，提高系统的稳定性。

图3 负载自匹配系统控制框图

3.3 运行情况

图4 自匹配控制系统发电及负载日运行曲线

图4为自匹配风光互补海水淡化系统发电及负载日运行曲线，用图表的形式形象直观的显示了自匹配控制系统日运行情况。

图中①位置为电机启动切入点，海水淡化设备正式投入运行。图中①到②位置系统根据发电量的逐步增加，逐步投入电加热及电机，海水淡化设备正常工作。②到③位置新能源发电出现起伏，根据发电量的增加投入电加热，发电量减少时切出电加热，③位置为系统电加热投入的峰值位置。④位置开始新能源发电量逐渐减少，开始逐步切出电加热，当电加热全部切出后，开始切出海水淡化设备，⑤位置为天气起风多云，新能源发电不稳定，蓄电池投入稳定为负载供电，直到⑥位置海淡设备完全停止运行。

4 结论

自匹配风光互补海水淡化系统控制负载根据新能源电量的波动，自行匹配合适负载投入工作，进行太阳能海水淡化生产。与传统新能源削峰填谷式控制方式有所区别。减少对电网的冲击及依靠，大部分新能源发电量被海水淡化设备消纳，有效减少蓄电池等储能设备的配置数量，很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

[1]廖志凌，阮新波．独立光伏发电系统能量管理控制策略[J]．中国电机工程学报，2009,29(14)：46-52．

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[4]孟克其劳,贾大江,王利平．风光互补控制器的智能化设计[J]．太阳能学报,2005

黄浦区利用楼宇大调研成果开展“五个一”能效提升工程

日前，黄浦区发改委组织70余家楼宇节能负责人召开能效大调研座谈会，走访了区内多家重点高耗能楼宇和商业园区。针对调研中出现的问题，区发改委积极采取如下措施：（1）建立黄浦区建筑能效对标体系。深入用能楼宇评估用能楼宇能效水平，整合能耗监测平台、专项能源审计、电力需求侧等大数据，设立百幢楼宇能效对标档案，建立黄浦区建筑能效对标体系。（2）推进一批专项用能设备能效检测。参照《公共建筑节能检测标准》等技术标准，开展用能设备专项能效检测，判定能效等级，提供解决方案，实现重点用能设备能效物联实时监测。（3）实施一批节能改造工程。根据能源审计、专项能效检测结果，推动楼宇单位实施淘汰更新。以大型公共建筑和机关办公建筑为重点，开展以高效空调、智能照明为主的综合改造，在既有建筑改造过程中鼓励采用新能源。（4）开展一批楼宇能效管理认证试点。通过能源管理体系实施过程,培养一批熟知能源管理体系标准运行的物业管理者。大力推广绿色建筑运行标识认证，探索建立建筑节能运行操作标准，指导和规范物业用能设备节能管理。（5）优化一批互联网+智慧能源系统。推进商业建筑、社区等多元化需求侧资源协同响应控制技术路线与解决方案等示范内容落地，推进商业建筑虚拟电厂投入试运营。逐步将分布式光伏发电信息、建筑能源审计数据、重点用能企业目标完成情况等信息纳入平台管理，推进楼宇智能化控制节能升级，实现用能系统的节能高效运行。

（区发改委）