微電網負荷動態分配在新能源海水淡化系統中的應用

戴光標,許衛國,李 虎

(江蘇豐海新能源淡化海水發展有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

隨著2017年12月由國家發改委和國家海洋局聯合提出的《海島海水淡化工程實施方案》，海水淡化將在2020年成為嚴重缺水海島地區的主要供水方式之一[1]。實施方案中明確指出，將通過3年～5年的時間，在遼寧、山東、浙江、福建、海南等沿海城市重點推進100個左右海水淡化工程(建設規模在50 m3/d ～1 000 m3/d)的建設和升級改造，以有效緩減海島居民的用水問題和滿足不斷提高的生活、生產用水需求。

針對海島淡水可用量少、資金少、電力少、取海水方便的情況，海水淡化與可再生能源結合，可以緩解海島用水難問題。由于微電網相比大電網存在天然優勢，其規模遠小于大電網，電源、負荷數量有限，網架結構簡單，因而容易對微電網進行監視和控制。新能源微電網系統通過光伏發電或風力發電，配合儲能系統和電池系統，可為海水淡化設備以及當地居民提供穩定的電能。

1 新能源微電網系統負荷分配存在的問題

新能源微電網系統具有能效高、污染小等優點，但是因為風力發電、光伏發電等新型能源的波動性、間隙性等特點需要配備一定容量的儲能系統，發揮抑制波動的作用，在一定程度上增強微電網系統的穩定性。一般在微電網開機后需要先利用光伏發電給儲能電池充電，在儲能系統中當電池的SOC(剩余電量)大于設定值(比如50%)后，由運行人員結合時間和觀察光照強度達到一定的程度，才開啟微電網海水淡化系統，生產合格的飲用水或者瓶裝水供給當地居民飲用。當儲能電池的SOC值小于設定值(比如30%)時關閉海水淡化系統，避免因電量不足導致跳閘或者設備損壞。

如果允許啟動系統的電池SOC值設定的高，比如設定為50%或者以上，在沒有用電負荷的情況下，光伏全額發電，只給儲能電池系統充電，SOC從15%(前一天預留的電池SOC)到50%至少需要半小時。由于早上陽光的光照強度由低到高逐漸變化，光伏發電功率也是由低到高，因此為儲能電池系統充電需要的時間會更長。

如果允許啟動系統的電池SOC值設定的較低，比如設定為20%，則必須等到光伏發電量和儲能系統的電量大于設備耗電量后才能啟動系統。由于只能憑運行人員經驗來判斷光照強度足夠才啟動系統，這個時間很不精確，如果在早晨啟動系統的過程中，突然遇到連續烏云導致光伏發電系統發電量下降，此時發電量和儲能電量小于海水淡化設備的耗電量，系統很快就由于電量不足而停機。

傍晚時也是如此，光照強度逐漸降低，光伏發電量逐漸下降，當電池SOC低于設定值時(假設設定值為40%)，需要按照工藝要求停止系統，進入海水淡化設備的停機沖洗過程，直到設備完全停止，預留部分電池容量給第二天設備做控制電源，啟動設備。

總之，啟動微電網系統的電池SOC值設定的高，給電池系統充電時間加長，海水淡化設備的生產時間就會減少，降低產水量。啟動微電網系統的電池SOC值設定的較低，會增加設備意外跳閘停機的風險。而且光照強度由運行人員目測，無具體數值指示，對于相同天氣條件，不同的運行人員啟動系統的時間也偏差很大，增加了設備頻繁啟停或者跳閘的風險，降低產水量，造成能源浪費。

2 負荷動態調整的微電網方案

為了解決以上問題，本文介紹一種微電網負荷動態分配方法，能夠在不提高微電網系統配置的情況下，通過采集日期、時間數據，配合采集的光照強度和儲能電池的SOC值等，實時檢測光伏系統發電功率，調整、優化海水淡化系統的分級配置，及時補充儲能系統的存儲電量，以預防系統負荷突然增加導致系統停機或者崩潰，達到延長海水淡化設備的工作時間，提高產水量及經濟性。

本文以配置同等功率的光伏(裝機總量100 kWp)和儲能逆變(100 kWp)、電池(1C)容量(100 kWp)的新能源海水淡化系統為例進行微電網負荷動態分配。海水淡化系統配置3級反滲透系統，其中一級反滲透用電功率為20 kW，二級反滲透用電功率為13 kW,三級反滲透用電功率為8 kW。

利用北斗或者GPS采集日期、時間數據，區分春夏秋冬四季。在早晨，相同時間，不同季節，光照強度也不同。早晨啟動微電網系統的時間和傍晚關閉微電網系統的時間可以根據四個季節的實際情況做調整。

光照強度采用照度計實時監測，并輸出照度值給能量管理系統EMS,EMS根據分級設備用電需求劃分不同的照度區間。4級光照強度劃分如下：

(1) 1級光照強度：光伏發電功率在10 kWh ～20 kWh，只能給儲能電池充電。

(2) 2級光照強度：光伏發電功率在20 kWh ～40 kWh，滿足一級反滲透運行。

(3) 3級光照強度：光伏發電功率在40 kWh ～60 kWh，滿足一、二級反滲透同時運行。

(4) 4級光照強度：光伏發電功率在60 kWh ～100 kWh，滿足一、二、三級反滲透同時運行。

根據海水淡化3級反滲透系統和照明系統及居民用電情況設置用電設備，其中一級反滲透設備為1級設備，二級反滲透設備為2級設備，三級反滲透設備為3級設備，照明系統、居民用電均為4級設備。空調系統因為需要給集裝箱內的微電網設備降溫，可以根據溫度單獨設置。

(1) 早晨7點，設備啟動以后，在光照強度低于2級時，光伏系統發電功率不足以啟動海淡設備，此時僅啟動電池系統、PCS (Personal Communications Service，電能控制系統)為電池充電，提高電池SOC值,為后續海水淡化設備運行準備一定的電量。

(2) 早晨7點半，檢測3 min內光照強度持續處于2級，判斷出天氣良好，光照穩定，準備運行。檢測儲能電池SOC大于20%，則優先運行1級設備，2級、3級、4級設備不啟動，此時，光伏發電主要用于一級反滲透產水，隨著時間的推移，光照強度逐漸增加，多余電量給儲能電池充電，提高電池系統SOC值，偶爾天空有云層飄過，光伏發電量瞬時下降，儲能系統可以提供電能補充，維持系統穩定運行。

(3) 當時間到達8點半，而且光照強度在3 min內持續處于3級時，光伏發電量大于40 kWh，再啟動二級反滲透系統，根據溫度情況，可以打開空調用電，啟動空調，給集裝箱內設備散熱降溫，防止系統因為高溫報警而停機。

(4) 當時間到達9點半，而且光照強度在3 min內持續大于4級時，光伏發電量大于60 kWh，則可以啟動三級反滲透系統。反滲透系統全額運行，生產飲用水，同時打開居民用電等。

(5) 在系統分級啟動過程中，如果天氣良好，光照充足，光照強度連續5 min內都大于4級，且電池SOC值大于40%，則取消分級啟動，根據生產需求、用電需求，可以啟動所有用電設備，系統滿負荷運行。

(6) 在正常運行時，如果遇到天氣不太好，烏云較多，導致光照強度持續下降，光照強度持續處于1級，則按照電池SOC的區間值來降低負荷運行。當電池SOC小于50%時停止三級反滲透的設備，僅保留一級、二級反滲透運行，降低用電量；當電池SOC小于35%時且光照強度依然處于1級狀態，再停止二級反滲透設備，僅保留一級反滲透運行，降低用電量；當電池SOC小于20%時且光照強度處于1級狀態，再停止一級反滲透設備，此時所有用電設備全部關閉，光伏發電只維持控制系統運行及給儲能電池充電；如果光照強度恢復，持續處于4級光照強度10 min以上，則取消降低負荷運行，繼續滿負荷運行，以提高產水量。

(7) 當運行到下午5點時，光照強度持續緩慢降低，可以采用相同的辦法，根據光照強度的等級和電池SOC值，逐級停止4、3、2、1級設備，至所有用電設備全部關閉。此時，光照強度處于1級，光伏發電可以給儲能電池充電，以備次日早晨啟動系統使用。

3 結束語

負荷動態調整的微電網控制方案對于相同條件(風力發電量、光伏發電量)下的微電網新能源海水淡化系統，將用電負荷隨著光照強度、電池系統SOC值的變化做相應調整，實現分級啟停，動態調整，延長海水淡化設備的工作時間，避免頻繁啟停機造成的能源浪費，這對于提高產水水量和降低項目的投資、運行和維護成本有著深遠的影響。

隨著科學技術和民眾認識的提高，海水淡化逐漸被認知和接受，新能源微電網海水淡化技術也逐漸成為解決淡水資源匱乏的主要手段之一，對于島嶼等偏僻地區，也將成為解決島民用水困難的主要途徑。