施建中

(江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013)

非并網(wǎng)風(fēng)電單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)研究

施建中

(江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013)

為了緩解我國(guó)淡水缺乏的現(xiàn)狀，將海水進(jìn)行淡化成了一個(gè)主要的研究方向。針對(duì)傳統(tǒng)海水淡化方法屬高耗能產(chǎn)業(yè)，并且使用常規(guī)能源，對(duì)環(huán)境易造成二次污染的缺陷，介紹了一種基于非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于非并網(wǎng)風(fēng)電原理，利用風(fēng)、光、潮汐等綠色能源對(duì)海水淡化系統(tǒng)供電，提高了能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用1臺(tái)2.5 MW風(fēng)機(jī)對(duì)海水淡化系統(tǒng)供電，基于非并網(wǎng)風(fēng)電理論，做到了風(fēng)電高效、低成本、全部利用。

非并網(wǎng)；風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)；多能源協(xié)同；海水淡化；變頻

1 前言

我國(guó)的淡水資源總量為2.8×1012m3，占全球水資源的6%。但是人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4，美國(guó)的1/5，在世界上排第121位。我國(guó)年均缺水4×1010m3，在全國(guó)600多座建制的城市中，2/3的城市缺水，400余座城市供水不足，110余座城市嚴(yán)重缺水[1]。而且水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，3億多農(nóng)民引用水不合格。我國(guó)也被聯(lián)合國(guó)列入全球13個(gè)“水資源緊缺國(guó)家”。有些地區(qū)由于缺水過(guò)度開(kāi)采地下水，導(dǎo)致建筑物損壞，道路、橋梁、地下管道開(kāi)裂，鐵路扭曲變形，防洪堤壩維護(hù)費(fèi)用增加，沿海土地受海水入侵、鹽漬化嚴(yán)重等一系列嚴(yán)重后果。缺水問(wèn)題已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與發(fā)展的控制因素，對(duì)個(gè)別城市甚至是持續(xù)生存的關(guān)鍵。

除中國(guó)以外，世界上越來(lái)越多的國(guó)家即將面臨或正在面臨著水資源短缺，他們正在積極地探索海水淡化與利用工藝。海水淡化又稱“海水脫鹽”，是通過(guò)物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法從海水中獲取淡水的技術(shù)和過(guò)程[2]，它是解決水資源短缺的重要途徑。已有130多個(gè)國(guó)家應(yīng)用海水淡化技術(shù)。比較典型的有阿聯(lián)酋、意大利、以色列、新加坡、西班牙等國(guó)家。

我國(guó)《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》指出，到2020年，我國(guó)海水淡化能力將達(dá)到2.5×106～3×106m3/d，大幅度擴(kuò)大和提高海水化學(xué)資源的綜合利用規(guī)模和水平，對(duì)解決沿海地區(qū)缺水問(wèn)題的貢獻(xiàn)率將達(dá)到26%～37%。

目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，但由于其不穩(wěn)定性，給電網(wǎng)造成較大沖擊，大規(guī)模并網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)，其經(jīng)濟(jì)效益在一定程度上也受到了限制。目前，各國(guó)都沒(méi)有通過(guò)風(fēng)能直接進(jìn)行海水淡化的先例。本文首先介紹非并網(wǎng)風(fēng)電理論在海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究以及基于非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了非并網(wǎng)風(fēng)電日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以利用風(fēng)電獨(dú)立供電，也可進(jìn)行風(fēng)電與網(wǎng)電、太陽(yáng)能等其他可再生能源協(xié)同供電，本文主要討論風(fēng)電獨(dú)立供電海水淡化系統(tǒng)。

2 非并網(wǎng)風(fēng)電理論

風(fēng)電并網(wǎng)是世界上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的唯一應(yīng)用方式。風(fēng)的高度不穩(wěn)定性，導(dǎo)致風(fēng)電大幅度波動(dòng)。在沒(méi)有水電或燃?xì)獍l(fā)電調(diào)峰的情況下，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)貢獻(xiàn)率難以超過(guò)10%。2011年風(fēng)電限電棄風(fēng)問(wèn)題突出，全國(guó)約有100億度風(fēng)電電量由于被限發(fā)而損失，2012年上半年已超過(guò)2011年全年棄風(fēng)量。

非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電直接應(yīng)用于一系列通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、能較好應(yīng)用風(fēng)電特性的產(chǎn)業(yè)[3]。大規(guī)模風(fēng)電的終端負(fù)荷不再是電網(wǎng)，其與蓄電池配套的小型獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)也不同，而是將風(fēng)電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，以期解決無(wú)法上網(wǎng)的風(fēng)電的利用問(wèn)題。

離網(wǎng)型風(fēng)電模式風(fēng)電經(jīng)蓄電后為負(fù)載供電，利用效率降低30%左右，投資卻增加約一倍。并網(wǎng)型風(fēng)電模式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重。在沒(méi)有燃?xì)獍l(fā)電、水電等調(diào)峰時(shí)，風(fēng)電在電網(wǎng)中貢獻(xiàn)率一般難以超過(guò)10%。而非并網(wǎng)型風(fēng)電模式利用風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電，風(fēng)電、網(wǎng)電相互獨(dú)立、互不干擾，協(xié)同為負(fù)載供電。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成本降低，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電高效、低成本全部利用。

風(fēng)電的這種非并網(wǎng)模式，將發(fā)電與負(fù)載直接耦合為一個(gè)“新系統(tǒng)”，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面。

1)采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差、相位差、頻率差等難以控制的問(wèn)題，繞開(kāi)電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

2)突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使大規(guī)模風(fēng)電在非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中100%利用。

3)由于沒(méi)有了上網(wǎng)條件的束縛，風(fēng)力機(jī)可以采用一些低成本、高效能的設(shè)備，也可以簡(jiǎn)化甚至省去成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備。

非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電的特性關(guān)系如式(1)和式(2)所示。

式（1）、式（2）中，I為供電總電流；I1為風(fēng)電電流；I2為網(wǎng)電電流；U1為風(fēng)電電壓；U2為網(wǎng)電電壓。I0，A，t，α等參數(shù)隨網(wǎng)電電壓的變化而調(diào)整。

目前，非并網(wǎng)風(fēng)電可以直接應(yīng)用的高耗能領(lǐng)域主要有：以電解鋁為重點(diǎn)的有色冶金工業(yè)，鹽化工氯堿產(chǎn)業(yè)，大規(guī)模海水淡化，規(guī)?；茪浜鸵苑墙饘贋樵系木罴庸ぎa(chǎn)業(yè)鏈等[4，5]。本文的側(cè)重點(diǎn)在非并網(wǎng)風(fēng)電在海水淡化系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用。

3 非并網(wǎng)風(fēng)電在海水淡化系統(tǒng)中的研究

海水淡化技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)50年代中期，到現(xiàn)在，已發(fā)展為一種可靠的工業(yè)技術(shù)。按分離過(guò)程分類，海水淡化方法主要有蒸餾法、膜分離法、結(jié)晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。蒸餾法又分多級(jí)閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)、壓汽蒸餾(VC)和太陽(yáng)能蒸餾等；膜分離法分反滲透法(RO)和電滲析法(ED)。其中最適用于大型的海水淡化的方法只有MSF、MED、VC、RO等。現(xiàn)階段海水淡化技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入了一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、防垢、高效的階段，為了更好地實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略，必須運(yùn)用多種手段對(duì)海水淡化技術(shù)作進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。

海水淡化的成本在很大程度上取決于消耗電力和蒸氣的成本，國(guó)內(nèi)外大部分海水淡化廠都是和發(fā)電廠建在一起，采取海水淡化工程和電力聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的建設(shè)模式以求降低成本[6]。而新建火電廠或利用網(wǎng)電，不但會(huì)消耗大量的一次能源，造成環(huán)境污染[7]，也不利于降低海水淡化的成本，并使市電電網(wǎng)背上沉重的負(fù)擔(dān)。為了降低成本，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源和海水淡化技術(shù)的結(jié)合在近些年逐漸成了主要的研究方向[8]。

非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)將風(fēng)電與新型海水淡化直接耦合。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電的非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由非并網(wǎng)風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)、電力變換器以及海水淡化系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Non-grid-connected wind power seawater desalination system

由于沒(méi)有并網(wǎng)的限制，“非并網(wǎng)風(fēng)電”將引發(fā)風(fēng)電機(jī)組的極大簡(jiǎn)化，主要表現(xiàn)在變流器的并網(wǎng)系統(tǒng)和功率系統(tǒng)的簡(jiǎn)化、輸變電線路上各變電站的簡(jiǎn)化以及風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化等。非并網(wǎng)風(fēng)機(jī)最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用率的提高和系統(tǒng)成本的降低。

電力變換系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電海水淡化耦合的關(guān)鍵技術(shù)之一，既要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕捉，還應(yīng)與網(wǎng)電進(jìn)行協(xié)同供電，來(lái)適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性，避免頻繁啟停對(duì)海水淡化系統(tǒng)造成不利影響。

其采用非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)互補(bǔ)協(xié)同供電模式，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的高效利用和生產(chǎn)的最低成本，如圖2所示。

圖2 非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Non-grid-connected wind/grid collaborative power supply system

風(fēng)電和網(wǎng)電經(jīng)整流后進(jìn)入到風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同智能控制系統(tǒng)，共同給負(fù)載供電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率大于負(fù)載工作功率時(shí)，完全由風(fēng)電供電，多余部分由風(fēng)電功率平衡模塊消納；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率小于負(fù)載工作功率時(shí)，不管風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率多少（只要有電），都以風(fēng)電發(fā)電量為基數(shù)，與網(wǎng)電同步給負(fù)載供電，保證風(fēng)電100%使用。

其具備以下特點(diǎn)。

1)非并網(wǎng)供電模式，風(fēng)電不需要并網(wǎng)，也不使用蓄能裝置（如鉛酸蓄電池、液流電池、抽水蓄能電站等），與網(wǎng)電同步給負(fù)載供電，柔性對(duì)接，對(duì)電網(wǎng)的影響在其正常波動(dòng)范圍內(nèi)。

2)風(fēng)電智能變換跟蹤技術(shù)，不管風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率大小（只要有電），都能以風(fēng)電發(fā)電量的多少為基數(shù)，與網(wǎng)電同步給負(fù)載供電，保證風(fēng)電100%使用。

3)風(fēng)電高效智能緩存技術(shù)，對(duì)于功率周期性波動(dòng)的負(fù)載，可以大幅度提高風(fēng)電利用效率，減小負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4)風(fēng)力機(jī)具有自動(dòng)變槳限速或偏航限速、自動(dòng)卸荷、自動(dòng)停機(jī)與開(kāi)機(jī)功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定、安全和方便。

如果將風(fēng)電擴(kuò)展到太陽(yáng)能、生物質(zhì)發(fā)電等其他可再生能源，則構(gòu)成了多能源協(xié)同供電的海水淡化系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)示意圖Fig.3 Non-grid-connected multi-energy collaborative power supply system

由圖3可以看出，非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)是將風(fēng)電、網(wǎng)電、光伏發(fā)電、水電、柴電、余熱發(fā)電及生物質(zhì)發(fā)電等多種能源產(chǎn)生的電能，通過(guò)智能控制系統(tǒng)按一定順序使用，給海水淡化系統(tǒng)協(xié)同供電。根據(jù)有無(wú)網(wǎng)電，此系統(tǒng)有兩種能源供給模式，當(dāng)有網(wǎng)電時(shí)，多能源協(xié)同供電模式可以優(yōu)先使用風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、余熱發(fā)電及沼氣發(fā)電等綠色電力，不足部分由網(wǎng)電補(bǔ)充；當(dāng)無(wú)網(wǎng)電時(shí)，可以利用上述多種電力進(jìn)行多能源脫網(wǎng)獨(dú)立供電。

非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)的核心內(nèi)涵是把區(qū)域優(yōu)勢(shì)化的能源放在合適的地域發(fā)電，在特定的供電系統(tǒng)中各能源有適當(dāng)?shù)碾娏┙o比例，協(xié)同發(fā)揮最優(yōu)化作用。該系統(tǒng)有許多集中供電系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1)能量利用效率高。

2)就地生產(chǎn)，就地利用，能量輸配的損失小。

3)各種形式的電力協(xié)同配合，按一定優(yōu)先級(jí)為負(fù)載供電，使各類能源均發(fā)揮最優(yōu)利用狀態(tài)。

4)能源系統(tǒng)的安全性高。

非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)采用分布式布局，與集中供電的電網(wǎng)體系形成多層次、多梯度的協(xié)同供電網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行能力，而且提高了區(qū)域特征明顯的綠色能源利用效率，解決了電網(wǎng)薄弱地區(qū)波動(dòng)性風(fēng)電的消納，增強(qiáng)了電網(wǎng)應(yīng)對(duì)用電負(fù)荷波動(dòng)的能力，還可以解決電網(wǎng)難以延伸的邊遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題。

非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)可以根據(jù)地區(qū)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行整體規(guī)劃和配置，將電能輸出與其他形式能源輸出相結(jié)合，形成冷、熱、電、氣、水等綜合供給保障體系，為某一區(qū)域進(jìn)行能源綜合聯(lián)供，最優(yōu)化配置使用能源。

4 單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)

在日產(chǎn)100 t海水淡化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套非并網(wǎng)風(fēng)電日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1臺(tái)2.5 MW風(fēng)機(jī)為海水淡化系統(tǒng)設(shè)備供電，其配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)配電圖Fig.4 Single fan daily million tons seawater desalination system distribution map

蓄電裝置的作用就是在風(fēng)能出現(xiàn)波動(dòng)或是中斷的情況時(shí)，及時(shí)為海水淡化系統(tǒng)的全部負(fù)載或是部分負(fù)載以及海水淡化系統(tǒng)的保安電源負(fù)荷（沖洗泵、提升泵、增壓泵等）提供可靠的電能，保證海水淡化系統(tǒng)正常運(yùn)行。另外，在風(fēng)能相對(duì)比較充足的時(shí)間里，啟動(dòng)蓄電裝置將富裕的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，待到海水淡化系統(tǒng)需要時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能使海水淡化系統(tǒng)能夠正常工作。因?yàn)樾铍娧b置的存在，提高了風(fēng)能利用率，減少了風(fēng)能的浪費(fèi)；提升了海水淡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相應(yīng)提升了海水淡化系統(tǒng)的效率。

在日產(chǎn)100 t淡水的情況下，可采用變頻控制來(lái)適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)，而當(dāng)海水淡化系統(tǒng)擴(kuò)大到1×104t的時(shí)候，單單采用變頻控制已不能滿足系統(tǒng)的工作需要。

本文設(shè)計(jì)的萬(wàn)噸級(jí)海水淡化電氣控制集成系統(tǒng)中的電氣部分方案設(shè)計(jì)主要涵蓋了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電力系統(tǒng)接線方式、電力傳輸方式、海水淡化廠用電母線連接方式、保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行采取的措施和控制原則。為適應(yīng)非并網(wǎng)風(fēng)電的特性，保證海水淡化裝置運(yùn)行調(diào)整的靈活性，兆瓦級(jí)非并網(wǎng)風(fēng)電淡化海水方案設(shè)計(jì)了5套，且部分電動(dòng)機(jī)負(fù)載加裝了變頻裝置，每套海水淡化裝置可以分別獨(dú)立運(yùn)行。每套裝置在一定的范圍內(nèi)可以連續(xù)調(diào)整，從而改變出水量，但不會(huì)改變電流效率和淡化水的質(zhì)量。

該套萬(wàn)噸級(jí)海水淡化系統(tǒng)如何適應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)，本文設(shè)計(jì)基于兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)，其電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的內(nèi)容也更為全面。根據(jù)海水淡化生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)運(yùn)用海水淡化系統(tǒng)的非并網(wǎng)風(fēng)電電控系統(tǒng)方案進(jìn)行了研發(fā)與設(shè)計(jì)。基于該電力變換控制系統(tǒng)，風(fēng)電既可以獨(dú)立，也可以與蓄電池、柴油機(jī)、網(wǎng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等協(xié)同為海水淡化裝置供電。本方案全部采用風(fēng)電進(jìn)行供電，同時(shí)通過(guò)分組運(yùn)行和蓄電池的協(xié)調(diào)供電使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了所有生產(chǎn)動(dòng)力全部由風(fēng)電提供。其控制策略如下。

1)當(dāng)P風(fēng)＞P淡化時(shí)，P風(fēng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)輸出功率，P淡化為海水淡化系統(tǒng)的額定功率，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向海水淡化系統(tǒng)5組RO膜滲透產(chǎn)水機(jī)組供電和為蓄電裝置充電直到充滿為止，蓄電裝置不放電，5組RO膜滲透機(jī)組全部運(yùn)行。

2)當(dāng)P風(fēng)=P淡化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向海水淡化系統(tǒng)5組RO膜滲透產(chǎn)水機(jī)組供電，此時(shí)蓄電裝置不充電不放電，5組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

3)當(dāng)P4組淡化＜P風(fēng)＜P5組淡化時(shí)，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向任意4組RO膜滲透機(jī)組供電，4組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

4)當(dāng)P3組淡化＜P風(fēng)＜P4組淡化時(shí)，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向任意3組RO膜滲透機(jī)組供電，3組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

5)當(dāng)P2組淡化＜P風(fēng)＜P3組淡化時(shí)，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向任意兩組RO膜滲透機(jī)組供電，兩組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

6)當(dāng)P1組淡化＜P風(fēng)＜P2組淡化時(shí)，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向任意1組RO膜滲透機(jī)組供電，1組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

7)當(dāng)P風(fēng)＜P1組淡化時(shí)，風(fēng)電和蓄電池協(xié)同為1組RO膜滲透機(jī)組供電，1組RO膜滲透機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)P風(fēng)＜P1組淡化額定功率約1/2時(shí)，海水淡化系統(tǒng)停止運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為蓄電裝置充電。

當(dāng)風(fēng)電功率逐步增大時(shí)，按照1～7的控制策略反向進(jìn)行。

其工作模式如表1所示。

表1 單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)工作模式Table 1 Single fan daily million tons seawater desalination system working mode

PL代表海水淡化裝置的負(fù)載需要的能量；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能量用PW來(lái)表示；PB代表蓄電裝置剩余的能量，蓄電池充滿之后的最大能量用PBMAX來(lái)表示。

對(duì)于每組RO膜滲透機(jī)組采用變頻控制來(lái)適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)。變頻器一般采用恒壓頻比（U/f=常數(shù)）控制，恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定、U/f曲線、sinusoidal pulse width modulation（SPWM）調(diào)制和驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。其中，升降速時(shí)間設(shè)定用來(lái)限制電動(dòng)機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過(guò)快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，起軟啟動(dòng)控制的作用；U/f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償；SPWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)將根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速。

圖5 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖Fig.5 The speed governor system of frequency conversion of constant voltage frequency ratio principle diagram

5 結(jié)語(yǔ)

非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)將風(fēng)電與海水淡化直接耦合。針對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)和間歇特性，重點(diǎn)解決兩方面的問(wèn)題：一個(gè)是在風(fēng)電較小時(shí)，如何與其他能源協(xié)調(diào)供電，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；另一個(gè)是新型海水淡化系統(tǒng)的多工況優(yōu)化控制，以便適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)特性，維持單位產(chǎn)水量的能耗基本不變。

非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)的離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)和分布式電網(wǎng)系統(tǒng)，是分布式電網(wǎng)的升華，并超越分布式電網(wǎng)電能輸入的單一來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了多種電能協(xié)同供電。

非并網(wǎng)風(fēng)電模式，風(fēng)電不需要并網(wǎng)，全部利用，直接為海水淡化系統(tǒng)供電，采用智能耦合控制技術(shù)和風(fēng)電緩存技術(shù)，利用非并網(wǎng)多能源協(xié)同供電模式，以獲取最大的風(fēng)電利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

本文設(shè)計(jì)的非并網(wǎng)風(fēng)電單臺(tái)風(fēng)機(jī)日產(chǎn)萬(wàn)噸海水淡化系統(tǒng)采用變頻與分組運(yùn)行技術(shù)，可適應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)，也可與太陽(yáng)能等其他可再生能源協(xié)同供電，不受電力等常規(guī)能源限制。無(wú)污染、低能耗、運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)規(guī)?？捎袡C(jī)組合，適應(yīng)性好，投資相對(duì)較少，產(chǎn)水成本低，可為沿海缺水城市、海島提供淡水，同時(shí)也可以改良內(nèi)陸鹽堿地土壤，解決全球各地鹽堿地區(qū)居民生活用水問(wèn)題。

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Research on non-grid-connected wind power daily million tons seawater desalination system using single fan

Shi Jianzhong
(Jiangsu Institute of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China)

To alleviate the current situation of our country for lack of fresh water，seawater desalination has become a major research direction.According to traditional desalination is high energy-consuming industries，and uses conventional energy，which could easily lead to secondary pollution for environment，a seawater desalination system using non-grid-connected multienergy collaborative supply is proposed in this article.The system bases on non-grid-connected theory，wind，light，tidal and other green energy is utilized to power seawater desalination system，which can improve the efficiency of energy use and achieve zero emissions of carbon dioxide.The system possesses good social and economic benefits.This paper designs and develops a set of single blower daily million tons of seawater desalination system，using a 2.5 MW wind turbines of this system for seawater desalination and power supply system，based on the theory of non-grid-connected wind power，achieving high efficiency and low cost，full utilization.

non-grid-connected；wind grid complementary；multi-energy collaborative；seawater desalination；frequency conversion

TK89

A

1009-1742（2015）03-0035-06

2014-12-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“兆瓦級(jí)非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導(dǎo)性示范”（2013BAB08B04）

施建中，1984年出生，男，江蘇淮安市人，主要研究方向?yàn)榉遣⒕W(wǎng)風(fēng)電基礎(chǔ)理論與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；E-mail：sjz@zjzw.net