某水庫風光互補直流系統(tǒng)應用的必要性分析

易吉林,謝晨希,謝濤

1.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002

1 概論

通常所說的“風光互補發(fā)電系統(tǒng)”是指由風力發(fā)電機和太陽能光伏組件結合作為發(fā)電部件，共同對儲能蓄電池充電并實現對設備供電的綜合系統(tǒng)。國內的風光互補發(fā)電系統(tǒng)還處于起步階段，但發(fā)展迅猛。中國具有豐富的太陽能、風能資源，目前已廣泛應用于氣象站的風能太陽能混合發(fā)電站，太陽能風能無線電話離轉臺電源系統(tǒng)，微波通信、基站、電臺、野外活動場所、高速公路、無人山區(qū)、村莊和海島等地區(qū)，這對提高當地居民生產和生活水平起到了重要作用。

風光互補直流自供電智能測控系統(tǒng)，由直流智能電動裝置、BMS電池管理系統(tǒng)及儲能電池組、可編程PLC控制箱、數據通信模塊、光伏控制器及太陽能光伏電池板、風電控制器及風力發(fā)電機、太陽能板托架支杄以及至終端設備的所有電(線)纜等附屬設備組成。系統(tǒng)采用模塊化設計，集風光互補發(fā)電設備管理、BMS電池管理、直流負載設備管控、視頻監(jiān)控、流量/壓力/液位傳感器信號采集以及遠程數據通信為一體。現場各個設備的狀態(tài)及數據，不僅可在現場查看和編程控制，還可通過提供的標準通信接口進行遠程數據傳輸和管控。遠程數據傳輸運用了物聯網云計算數據處理技術，構建了一套集數據采集、云端存儲、智能分發(fā)、遠程控制、權限認證和多終端可視化展示于一體的數字化綜合數據管控平臺。管控平臺分別提供基于WEB和移動設備的應用客戶端，向用戶綜控室提供標準的數據服務接口。通過前端設備，管理者可以在平臺上實時查看工程運行工況，調閱歷史運行記錄和統(tǒng)計分析結果，亦可調用平臺提供的統(tǒng)一數據接口，訪問和管理前端設備，為客戶進行系統(tǒng)集成、二次開發(fā)和智能化管理提供數據支撐。

2 風能光能采集可靠性分析

2.1 供水灌溉區(qū)自然條件

黃家灣水庫位于紫云縣境內，屬濕潤性北亞熱帶季風氣候地區(qū)，山岳型氣候特點。冬季春季干燥，夏季氣候濕潤，冬暖夏涼。根據紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫15.30℃，極端最高氣溫33.80℃(1988年5月6日)，極端最低氣溫-7.30℃(1977年2月9日)。紫云地區(qū)年平均相對濕度79%，全年無霜期為294.90 d；多年平均最大風速為12.80 m/s，大風日數8 d，以NE風為主。根據紫云縣氣象站1961—2018年資料統(tǒng)計，紫云縣年日照時數平均為1 308.50 h。

據紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均降水量1 274.70 mm，最大一日降水量143.20 mm(1968年7月13日)，日數179.40 d降水量≥0.10 mm，降水量≥10.00 mm日數36.20 d，日數3.70 d降水量≥50.00 mm，當地的年平均水面蒸發(fā)量1 298.90 mm。另據雞場、紫云、擺所雨量站資料分析，紫云地區(qū)多年平均面降水量1 258 mm。特征值見表1。

表1 紫云站主要氣象特征值表

2.2 能量采集系統(tǒng)分析

太陽能光伏發(fā)電是通過光生伏特效應由光伏半導體材料將太陽能轉換為電能。作為一種新型能源采集轉換設備，其關鍵核心為光伏電池板。從該項技術誕生以來，隨著技術的不斷進步與材料的優(yōu)化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的制造產業(yè)發(fā)展逐漸成熟，性能不斷提升，轉換效率極大提高，都驅使光伏發(fā)電系統(tǒng)的價格變得更加便宜。光伏電池板組件輸出功率取決于太陽光照強度、太陽能光譜分布和光伏電池溫度、陰影、晶體結構等多重因素。

光伏板作為關鍵部件，工程中采用的是單晶硅太陽能光伏電池板。單晶硅太陽能光伏電池板具有整體性能參數的特點，光電轉換效率為17%左右，最高的達到24%。在貴州光照時長較少、陰雨氣象情況較多的地區(qū)，多采用單晶硅太陽能電池板。并采用鋼化玻璃防水樹脂及鋼化玻璃進行封裝，堅固耐用，使用壽命正常情況下可以達到25 a。

風力發(fā)電機通過把風能轉換為機械能，再把機械能轉換為電能的形式進行發(fā)電。發(fā)出的電能經整流、變壓后向蓄電池供電。風力發(fā)電機的輸出功率取決于風速、大氣壓、水氣壓和氣溫等多項因素。葉片是整個風力發(fā)電機中捕捉風能，并將風能轉化為機械能的關鍵部分。正常工作狀態(tài)下的風力發(fā)電機，葉片主要受到來自風的壓力，并且受來自地球離心力的作用。常用的水平軸風機葉片細長且重量較大，其所受重力矩的變化比較復雜，尤其在較大風速時，葉片需能夠承受流動空氣的沖擊。

2.3 能量轉換分析

光伏電池組件適宜于溫度變化不大的區(qū)域，溫度較高時，工作效率會有所下降。從光伏溫度系數的概念來說，溫度每升高1℃，則功率減少0.35%。從項目的氣象條件看，其極端氣溫-7.30～33.80℃，年平均氣溫為15.30℃，一年當中溫差變化較小，很適宜光伏設備發(fā)電。紫云縣近5年來年平均日照時數為1 208.40 h，日平均日照時數為3.31 h，其保證率約為40%；2016年6月2日日照時數出現最大值，為12.40 h。平均每年有204.80 d的日照時數≥1 h，其保證率為56.10%。

根據當地日照情況計算，單塊光伏板全年平均發(fā)電量709°電，平均每天發(fā)電量1.94°電，而閘門和閥門系統(tǒng)配置的光伏板最少為2塊，多的可達4塊，足夠滿足設備的每日用電量需求。在11-3月期間光照差，但風力情況較好，正好實現互補特性，完全滿足使用要求。

紫云縣近5年來平均風速為2.20 m/s，主要為NE風，最大風速為20.60 m/s。紫云縣氣象站風速統(tǒng)計情況統(tǒng)計，風速≥1 m/s的情況保證率為72.50%。根據統(tǒng)計，紫云縣氣象站近5年來平均有效風力時數為10.75 h(風速≥2 m/s)，其保證率為44.80%。項目中年平均風速完全滿足。其年平均降水天數179 d，一般在陰雨天，氣壓變化大，風力條件還會更好，風力發(fā)電更為有利，與光伏發(fā)電互補，源源不斷為蓄電池組發(fā)電儲能。根據當地日照情況計算，葉輪直徑為1.30 m的300 W風機一年平均總發(fā)電量46.70 kW·h。

結合風光互補系統(tǒng)設計的行業(yè)經驗，可選擇設計風能和光能發(fā)電占比為2∶8，以光能發(fā)電為主，風能為輔作為系統(tǒng)的補充能源，主要彌補在夜間或連續(xù)陰雨天光照差情況下的一種補給，而且從氣象資源可知，紫云縣屬于季風性氣候，冬春季光照差，風力資源充沛，夏秋季光照好，風力資源相對匱乏，正好實現風光的季節(jié)性互補特性，加上風力和太陽能的黑夜和白天的互補，完全可滿足現場設備的使用要求。

3 工程運用分析

3.1 運行頻次

輸水工程上閥門及閘門等設備負荷較小，運行次數不頻繁。其中節(jié)制閘、分水閥、工作閥運行次數較多，這些對水量進行控制、分配和調控的閘門及閥門一個月能運行10次以上算是比較多的。對考慮檢修維護時使用，即節(jié)制閘、退水閘、檢修閘門和放水閥依據SL722-2015規(guī)定，考慮為每半年使用一次。風光互補發(fā)電及儲備電能滿足使用頻次，保證電能，同時還能兼顧設置有閘門、閥門點位的其他用電設備的電力供應，比如：監(jiān)測水量設備、安全監(jiān)測設備、水情雨情監(jiān)測設備及視頻監(jiān)控設備等。綜上所述，項目采用風光互補發(fā)電具備可行性，并且風光發(fā)電已是非常成熟的技術，廣泛應用于其他民生工程領域，其可靠性可以保障。

3.2 可運用分析

目前風光互補發(fā)電系統(tǒng)在國內外用于水利工程非常少，以往的水利工程受到地理環(huán)境的制約，為建設基礎電力供應設備需要投入大量的時間與資金。閘(閥)門啟閉的動力來源若采用電網線路架設長度較長，電力線路所經之處占用的土地較多，賠付費用較高，其本身線路供電造價高，后期投入運行后維修費用及電費高，增加了運營成本；對于輸水項目而言，后期的運行管理是一項龐大而復雜的系統(tǒng)工程，具有輸水線路長、分布方位廣、控制點位多及位置分布分散等諸多特點，而且各條線路各個點位相互影響、相互制約，要使這個龐大而負責的系統(tǒng)能都發(fā)揮本身的功能與作用，能夠有效運作、相互協(xié)調，就必須依賴現代化信息技術對輸水工程進行信息化管理，對其進行更為有效的管控。另外，由于在黃家灣當地的降雨情況存在突發(fā)性與區(qū)域性的特點，在每年汛期如何減輕運行管理人員的勞動強度、提高工作效率也是一個很突出的問題，建設一套輸水工程測控系統(tǒng)也是很有必要的。因此，利用新技術提升輸水工程的供電和管理已經到了迫在眉睫的階段，而風光互補自供電智能測控系統(tǒng)研究有可能是有效解決上述長距離輸水工程中供電需求與后期運行管理諸多問題的有效方案。同時該方案也符合建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的時代發(fā)展需要。

4 結論

隨著水利工程的發(fā)展，對于水利自動化要求在不斷提高。對遠離電網覆蓋地區(qū)的管道供水、渠道供水運行控制的設備及信息采集，都需要低成本、可靠性的獨立供電系統(tǒng)。輸水工程上的閘(閥)門等設備具有負荷較小、運行次數不多的特點，風光互補自供電智能測控系統(tǒng)可以滿足設備的用電要求，可靠性高，而且成本較低，能夠在一定程度上解決電網覆蓋不到的偏遠地區(qū)供電難的問題。若對風光互補自供電智能測控系統(tǒng)在輸水工程中的應用研究成功，將有效彌補輸水工程建設及管理上的一個短板，推進綠色生態(tài)發(fā)展，尋求更好的工程質量效益。由此產生的社會、經濟、環(huán)境及生態(tài)效益不言而喻。①風光互補直流智能測控系統(tǒng)解決方案實現了風能和太陽能互補發(fā)電，所以無須外接供電，而且免除了建設變電站、架設高低壓線及配電系統(tǒng)等工程，根據投資對比表分析，采用直流閥門電裝風光互補自供電智能測控系統(tǒng)比交流供電系統(tǒng)方案在資金投入方面更少。同時征地移民范圍更少，可有效減少征地移民方面的工作問題。②風光互補直流系統(tǒng)可以實現獨立自供電系統(tǒng)，可以免除在受到自然災害導致的集體斷電風險。工程的安全可靠性及保證性更高。③風光互補技術應用前景廣闊，根據現場具體情況及工程需求可隨時投入使用。具有安裝簡便、施工簡易、運行安全、維護方便、綠色生態(tài)等特點，后期年運行維修保養(yǎng)費用極大降低。④風光互補自供電智能測控系統(tǒng)方案也可以實現對管線閥門的遠程控制和水位、流量、閥門的運行狀態(tài)以及現場圖片等信息的采集和接收，滿足運行管理要求，并且實現了晝夜和季節(jié)性互補，性能更為穩(wěn)定可靠，性價比更高。⑤風光互補直流智能測控系統(tǒng)不僅解決了供電問題，而且兼顧有自動化信息化功能，為以后整個灌區(qū)大信息化系統(tǒng)提供便利。