風光互補發電提水灌溉系統的組成及應用

樊 冰，張聯洲，趙啟新

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.肥城市水利地質基礎公司，山東 肥城 271600）

風光互補發電提水灌溉系統的組成及應用

樊 冰1，張聯洲1，趙啟新2

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.肥城市水利地質基礎公司，山東 肥城 271600）

風光互補發電智能提水灌溉系統利用風機及太陽能板提供的電量通過泵站從山腳下水源提水至山頂高位蓄水池，并對農田作物進行智能節水灌溉。該電站是集風能及太陽能兩種能源發電技術、系統智能控制技術及節水灌溉技術為一體的復合可再生能源發電灌溉系統，實現了新型發電技術與智能監控技術的全面整合。該文對系統的組成與功能進行了闡述。

風光互補；節水灌溉；太陽能；智能監控

目前，太陽能與風能作為清潔可再生型新能源在自然界配置、技術整合方面具有高度的互補性，并且具有發電成本較低、安裝運行維護方便簡單、綠色環保、性價比高等優點，從而具備規模化發展的條件。所謂風光互補發電智能提水灌溉系統，是將太陽能板、蓄電池、風力發電機、輸水系統、灌溉控制系統有機組成一個整體，充分有效地利用風能和太陽能在資源及時間上的互補性，充分發揮各自的特性和優勢，最大限度的利用太陽能和風能進行提水蓄能，將電能和風能轉化為高位蓄水池中的水勢能儲存，零存整取，達到節水灌溉的目的。該系統主要由風光互補電站、潛水電泵、輸水管道、輸電線路、高位蓄水池、農田現場綜合數據自動采集終端、節水灌溉智能一體化控制系統等部分組成。系統利用發電設備從山腳下水源提水至山頂高位蓄水池，并對農田作物進行灌溉。其中風光互補電站由風力發電機組、太陽能板、控制器、蓄能裝置、逆變器、避雷器、交流直流負載等部分組成。該電站是集風能及太陽能兩種能源發電技術、系統智能控制技術及節水灌溉技術為一體的復合可再生能源發電系統，實現了兩種自然資源的全面整合。

1 風光互補電站

該電站風力發電部分通過風輪將風能轉換為機械能，再通過電機將機械能轉換為電能，經過逆變器對負載供電，剩余電量再通過控制器對蓄電池充電。光伏發電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電，剩余電能對蓄電池充電。逆變系統由多臺逆變器組成，保證輸出電壓與提水電泵匹配，保證用電負載設備的正常使用。電站同時還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量。控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統工作的連續性和穩定性。蓄電池部分在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。本電站充分利用了風光互補發電系統的運行互補機制，提高了區域風能與太陽能互補比例及可靠性。

2 農田現場自動化綜合監控終端

農田現場自動化監控終端的功能是實現采集土壤墑情、氣象、溫度、現場作物的供水情況、蒸發量、土壤pH值、管道壓力以及設備電壓電量等參數，并將采集到的數據傳輸到數據中心，數據中心根據收集的大量監控數據信息，建立作物生長制約因素信息庫，實現實時精準墑情測報，并將需水信息反饋給灌溉控制終端，控制灌溉系統的啟閉，從而提高水分生產率，實現農業高效用水。數據采集單元傳感器的監測點位布置按照現場作物分布情況、地貌、土壤、氣象、水文地質條件和管道敷設情況進行布設，傳輸方式可采用有線傳輸或通過TCP/IP協議以自身IP地址進行無線數據傳輸。

3 灌溉及控制系統

該部分主要由提水管道、泵站及泵房、高位蓄水池及灌溉控制終端組成。提水管線布設應從整個供水系統布局合理的角度出發，盡量縮短線路長度，避免急轉彎、較大的起伏、穿越不良地質地段；泵站一般建設在水源處，水泵及有關控制部件均安裝在該泵房內；高位蓄水池根據實際地形及灌溉方便選擇相對高點，水池建設要充分做好防滲處理；灌溉控制終端是對灌溉水供給進行控制的命令執行系統，實現灌溉水供給精準化，該部分應具有以下主要功能：1）可靠實現對控制命令的處理、執行等功能。2）執行系統控制命令的實時性及準確性符合要求。3）通過調節自身供水方式實現水泵恒壓供水。4）執行指令實施后，可反饋單元執行情況及設備運行參數信息至監控中心。5）現場灌溉設備能進行手動設置使控制電路失效或恢復。6）執行終端能根據流量等傳感器的監測值與設定值進行，實時調節灌溉水量，滿足要求后停止灌溉。

4 節水灌溉智能一體化控制系統

該系統首先建立作物生長需水量預測計算模型，根據農田現場監測終端采集返回的太陽輻射、氣溫、相對濕度、蒸發量、風速等信息計算出作物在該生長階段的最佳需水量，然后對比當前土壤實際含水量，當未達到最佳值時，系統啟動灌溉命令并通知操作員，操作員無干預則自動啟動灌溉系統，并且根據預先制定的灌溉順序自動執行，同時農田監測終端的監測頻率自動調至最高，當含水量達到最佳值時，系統發送灌溉停止命令，農田監測終端的監測頻率恢復正常值，灌溉結束。

節水灌溉智能一體化控制系統還應具有以下功能：1）監測信息具有“一張圖”總覽功能，總覽圖上可動態顯示各個監控點的監控類型、位置信息、歸屬信息、當前狀態、實時數據、控制情況、過程曲線、報警狀態等。2）系統有數據的采集、存儲、分析、描述、查詢、統計、報表導出等功能，可查詢導出任一時間段任一監控參數的統計數據。3）系統具有編輯、修改功能，通過后臺登陸可實現監控方式的選擇、監控站的組態布置、控制指令的重新生成及保存、自動灌溉參數的輸入輸出、歷史數據的調用修改、評估系統的運行操作、系統配置的修改、進行系統測試和系統維護等。4）系統具有網絡安全防護功能、身份識別功能、登陸IP及時間地點驗證等功能，確保網絡的安全運行。通過多級用戶管理體制、身份識別體制、設置多級用戶權限、多級安全密碼，對系統進行有效的安全管理。5）系統具有自檢功能，以便能為及時維護提供方便。6）智能決策單元支持自我修正功能，該功能可以對灌溉后的執行結果與執行前的預期結果進行比對，通過比對重新修正模型的計算參數、并將結果進行反饋。7）智能決策單元的輸出內容應具有是否需要灌溉、灌溉時間、灌溉量等信息。8）智能決策單元應能夠與主控單元(或監控中心)聯合實現智能決策控制功能。

5 結語

通過該節水灌溉模式的應用，開發利用新能源，為山丘區農民增產創收提供了可能，也有利于項目區生態環境的進一步發展和改善。該系統可更好的調節小氣候，有效遏制水土流失，土壤沙化，保持土壤肥力，為農業可持續發展做出貢獻。隨著光伏發電技術、風力發電技術的日趨成熟及實用化進程中產品的不斷完善，相信隨著設備材料成本的降低、科技的發展、政府扶持政策的推出，該清潔、綠色、環保的新能源風光互補發電提水系統將會得到更加廣泛的應用。

[1] 徐林等.風光蓄互補發電系統容量的改進優化配置方法[J].中國電機工程學報，2012（25）.

[2] 齊志遠等.風光互補發電系統的協調控制[J].太陽能學報，2010(05).

（責任編輯 趙其芬）

S277.9

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1009-6159（2017）-10-0084-02

樊冰（1982—），男，工程師