風光互補供電技術在城市燃氣閥井監控中的應用研究

張國城 王斌 徐明 張瑞

摘 要：城市燃氣近年來發展迅速，但是在信息化方面卻步伐緩慢，尤其是干線閥井監測控制領域，究其原因主要是缺少供電措施。文章從理論以及實踐方面詳細闡述了風光互補供電技術在城市燃氣閥井監測與閥門控制方面的應用，對應用中的問題和效果進行了系統的分析，為今后風光互補供電技術在城市燃氣閥井監控領域的運用提供了依據。

關鍵詞：城市燃氣；閥井監測控制；風光互補發電

中圖分類號：TU996 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0030-04

Abstract： Urban gas has developed rapidly in recent years， but the pace of informatization is slow， especially in the field of monitoring and control of trunk valve wells， the main reason is the lack of power supply measures. This paper expounds in detail the application of wind-solar hybrid generation technology in monitoring and valve control of city gas valve wells from the aspects of theory and practice， and makes a systematic analysis of the problems and effects in application. It provides a basis for the application of wind-solar hybrid generation technology in the monitoring field of gas valve wells in the future.

Keywords： urban gas； valve well monitoring and control； wind-solar hybrid generation

前言

近幾年來，我國能源領域中天然氣的應用越來越廣泛，其中城市天然氣呈現出高速發展的態勢。隨著城市天然氣普及速度的加快，越來越多的城鄉居民用上了方便、潔凈的管道天然氣。這些便利措施的背后，是由復雜的城市輸氣管網來支撐，在這么龐大的輸氣管網中，由于種種原因造成的燃氣管道破損、泄漏事故層出不群，導致的財產損失、人員傷亡等情況也經常見諸報端，對城市燃氣干線管道節點閥門井的各項數據進行監測，并且能夠在出現緊急險情時對相應閥門進行應急截斷，是城市燃氣從業者的心愿，但是這些技術手段的實現卻面臨著一個尷尬的問題——缺少供電條件。

1 風光互補供電技術

太陽能和風能都是清潔、無污染、方便易得的可再生能源，通過光伏發電和風力發電技術可以把這兩種自然清潔能源轉換成我們需要的電能。光伏發電系統是利用太陽能光伏電池將太陽能轉換成電能，它的優點是可靠性高、運行維護成本低，缺點是對日照要求高，在夜間和陰雨天無法有效工作。風電系統是利用風力發電機將風能轉換成電能，它的優點是日發電量大，系統造價及維護成本低，缺點是常規水平軸風力發電機對風速有苛刻要求，四級風以下基本上不發電。兩種發電技術單獨來看優缺點都是非常明顯，然而這兩種技術結合起來卻擁有很好的互補性，能夠發揮優勢抑制缺點，因為白天光照強時風弱，夜間或陰天光弱時風強，時間和資源上的互補性為風光互補供電系統提供了可靠的能源保障[1]。所以風光互補供電技術對于城市燃氣閥井監控應用來說，是一種合理的離網型供電方案。

1.1 系統組成

一套完善的風光互補電源系統主要包括發電部分（太陽能電池板和風力發電機）、控制部分、儲能部分（蓄電池）和負載部分[2]。

1.2 技術闡述及選型原則

1.2.1 發電部分

太陽能電池板產生直流電，可選用單晶硅或多晶硅太陽能電池組件，使用高透光率低鐵鋼化玻璃，外部使用陽極化優質鋁合金邊框。選型要求發電效率高、壽命長、安裝便利、抗風抗冰雹能力強[3]。

風力發電機產生交流電，選用低速型風機。選型要求發電效率高、結構簡單、質量穩定、在惡劣天氣情況下能自動偏航保護和自動剎車。

1.2.2 控制部分

風光互補控制器為系統的核心部件。其工作原理是，單片機系統對光伏電池輸出電壓、風機輸出電壓、蓄電池電壓、負載電流等完成采樣，并進行負載控制和譯碼顯示，通訊接口電路負責各種功能設定（如圖2）。

1.2.3 儲能部分

根據負載選擇合適功率的蓄電池。要求放電功率大、充電迅速、循環壽命長。充電模式采用階段充電法，綜合恒壓充電和恒流充電的優勢，最大限度保護蓄電池，延長使用壽命。

1.2.4 負載部分

負載部分主要是閥井監測設備（如壓力變送器、可燃氣體濃度探測器、液位計，數據采集單元、無線數據傳輸單元等）和閥門控制設備（電動執行器、逆變器、控制電路）。

閥井監測設備工作電壓為直流12-24V，工作電流為毫安級。

閥門控制設備工作電壓為直流24-48V、交流單相220V或交流三相380V，工作電流0.5-15A。

2 風光互補供電技術在城市燃氣閥井監控中的實際應用

基于風光互補供電技術、燃氣相關監測技術以及閥門控制技術的成熟度，我們選擇在江蘇省昆山市進行相關系統的實驗性部署，以便檢測整體系統的實用性效果。

2.1 基本需求情況

選定昆山地區GXXX和GYYY兩口DN250次高壓閥井，進行風光互補供電閥井監測與閥門控制信息化改造。

負載耗電量估算：系統總功率為204.36W，其中處于長期工作狀態的弱電系統總功率為4.36W，具體分項數值詳見表1。

2.2 項目所在地發電相關自然條件

2.2.1 昆山市太陽能資源情況

昆山市的太陽能資源屬于三、四類，不算豐富但是也有一定的利用價值。年均日照時數為2014.7Hr，年均太陽總輻射量為4650MJ/m2，總體氣溫高、云量大、陰雨天較多、日照時數少，資源情況一般。

2.2.2 昆山市風能資源情況

昆山市的風能資源屬于風能可利用區，年平均有效風能密度在50-80W/m2，累積小時數在4000-5000小時，具體數據詳見表2。

2.2.3 加裝風光互補供電系統，實現對井端監測控制設備的供電保障。

風光互補供電系統由風力發電系統和光伏發電系統組成，其基本設備包括風力發電機，太陽能電池組件，風光互補控制器，直流匯流箱、風光立桿等設備。

（1）風力發電機

風力發電機組由兩大部分組成，其一是風力機，它的功能是將風能轉換為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換成電能。小型直流發電系統一般和蓄電池匹配使用。這種直流發電機相比結構簡單，其輸出電壓隨風速變化，需在發電機和負載間增加蓄電池和控制系統，通過調節控制系統占空比來調節輸出電壓。

（2）太陽能光伏電池

當太陽光輻射到光伏電池的表面時，光子會沖擊光伏電池內部的價電子，當價電子獲得大于禁帶寬度eg的能量，價電子就會沖出共價鍵的約束從價帶激發到導帶，產生大量非平衡狀態的電子-空穴對。被激發的電子和空穴經自由碰撞后，在光伏電池半導體中復合達到平衡，實現發電的效能。

（3）風光互補控制器

風光互補控制器是集風能、太陽能控制于一體的智能型控制器，能夠高效率地轉化風力發電機和太陽能電池板所發出的電能，可對蓄電池進行充電。由于蓄電池只能承受一定的充電電流和浮充電壓，過電流和過電壓充電都會對蓄電池造成嚴重的損害。因此，風光互補控制器通過單片機實時檢測蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過控制風機充電電流和光伏充電電流來限制蓄電池的充電電壓和充電電流，確保蓄電池既可以充滿，又不會損壞。從而確保蓄電池的使用壽命。

（4）蓄電池

在風力、光照過剩的情況下，存儲負載供電多余的電能，在風力、光照欠佳時，儲能蓄電池可以作為負載的供電電源；其次，蓄電池具有濾波作用，能使發電系統更加平穩的輸出電能給負載；另外，風力發電和光伏發電很容易受到氣候、環境的影響，發出的電量在不同時刻有很大差別，蓄電池可以把它們很好的連接起來，將太陽能和風能綜合起來，實現二者之間的互補作用。

（5）系統拓撲圖

（6）風光互補系統調試

用萬用表測量各個部分的電壓數值是否正常，確認無誤后開始控制器功能設定，控制器通電后，系統處于瀏覽狀態，此時LCD屏幕顯示內容如下：

當確認屏幕顯示蓄電池電壓Ub與蓄電池實際電壓一致后，進入設置選項，進行一路、二路功率輸出設置（如圖7）。

功率輸出設定完畢后，進入使用模式框設置選項，設定負載工作模式（如圖8）。

負載工作模式有兩種狀態選項：

Lamp：代表半時輸出工作模式（此工作模式下，白天輸出電壓為零）；

Home：代表全時工作模式（此作模式下，全天24小時輸出電壓為標準電壓）。

負載工作模式全部設置完成后，退出設置選項狀態，此時LCD屏幕顯示內容為蓄電池電壓狀態顯示，此時風光互補控制器參數設定完畢。

檢測風光互補供電系統各個設備的工作狀態是否正常，在控制平臺檢查整體監控系統的監測狀態和測量數據是否正常，在上位機查看上傳電壓監測數據，與現場系統工作電壓比較，數值比對吻合后，系統安裝完畢。

3 風光互補供電技術在城市燃氣閥井監控中的測試效果

在昆山地區燃氣閥井GXXX和GYYY號閥井設備安裝完畢后，選擇GXXX號井為樣本，截取2017年11月28日0時-24時的上位機數據（數據采集間隔為4S，選取30分鐘間隔數據），可觀測到系統電池電壓在25.21V-27.76V之間波動。結合2017年11月28日昆山當地天氣情況，陣雨，西南風3-4級，氣溫12-18℃，可以看出GXXX閥井風光互補供電系統于9：30-17：00之間發電性能良好，整體電壓波動符合設計目標，充分證明風光互補供電技術在城市燃氣閥井監控工作中可以有效的工作。

分析GXXX閥井上位機監測數據表的數據之后可以得到以下結論：

（1）在一個完整工作周期內，分光互補發電系統經歷了以下四種工作模式：

a. 混合功率模式：光伏陣列與風力發電機同時提供能量；

b. 無風模式：白天情況下，風速不足風力發電機未啟動，僅光伏陣列提供負荷與電池組所需能量；

c. 無光模式：夜晚情況下，僅風力發電機工作，光伏陣列不工作；

d. 電池放電模式：風力發電機與光伏陣列均不工作，由備用電池組提供負荷所需能量。

（2）在各種工作模式狀態下，昆山地區GXXX號城市燃氣閥井監控系統工作正常，供電電壓輸出穩定、可靠，可以判定風光互補供電系統工作狀態好。

（3）各個工作模式之間可以進行高效的互補，能夠適應各種天氣情況，大大提高了風光互補發電系統的可靠性，可以向負載系統穩定的提供電源供應，完全滿足城市燃氣閥井監控系統的供電需求。

4 結束語

經過對風光互補發電技術、閥井監測技術、閥門控制技術、風光資源調查方式等理論情況的充分分析，和對測試地點環境因素的充分調查，再結合昆山地區GXXX、GYYY兩口閥井信息化改造的結果，我們可以得出結論：風光互補供電技術在城市燃氣閥井監測和控制中可以提供所需電能，穩定性和實用性完全滿足燃氣公司的實際需要，對比安裝市電的模式，在經濟性和便利性上也有巨大的優勢。風光互補供電技術可以解決長期以來困擾燃氣公司信息化發展的難題，在城市燃氣閥井監測和控制領域內將大有作為！

參考文獻：

[1]付躍強，丁猛，彭愛紅.風光互補發電系統教程[M].科學出版社，2013.

[2]曾毅.如何配置風光互補系統[Z].廣州綠欣科技有限公司技術教程，2016.

[3]李杰.風光互補發電系統解決方案[Z].百度文庫，2017.

[4]何海濤.風光儲互補系統[J].科技創新與應用，2015（08）：48-49.

[5]宋濤.風光互補發電控制系統的研究與開發[J].科技創新與應用，2013（12）.