CN102030391B - 风力发电反渗透法海水淡化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明风力发电反渗透法海水淡化系统包括：风力发电机组、风电海水淡化驱动器和包含第一电动机驱动的原水泵和第二电动机驱动的增压泵的反渗透法海水淡化装置。风电海水淡化驱动器包括将交流电转换为直流电的整流滤波模块、用于控制风力发电机组转速与整流滤波模块直流电压的电阻制动模块、连接原水泵第一电机的第一变频器、连接增压泵第二电机的第二变频器以及主控模块。主控单元被设置为控制变频器输出频率令风力发电机组以最大输出功率运行，当风力电能不满足系统用电需求时令市电或柴电补充供电，否则优先消耗风电，控制电阻制动模块可变消耗直流电能以限制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压，使系统效率高适应强无需蓄电池而节约成本。

Description

风力发电反渗透法海水淡化系统
技术领域
本发明涉及风力发电和海水淡化处理技术，特别是涉及一种利用风力发电和反渗透法技术实现海水淡化的系统。 
背景技术
淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，是一切生命之源。很多偏远地区、海岛淡水资源天然匮乏，只能利用苦咸水或海水经过淡化处理获取淡水。 
多数成熟的淡化处理技术依赖电能驱动。偏远地区或海岛无法引入公共电网或引入电网成本太高，而采用柴油发电不仅成本高，油料运输还非常困难，维护工作量大，可靠性差，对环境并不友好。因此，风力发电就成为替代常规能源发电的重要方式之一。随着风力发电技术的逐渐成熟与应用经验的不断积累，风力发电的应用方式也逐步拓宽，与其它下游技术相结合的风力发电应用将创造更大的价值。 
风能海水淡化技术的关键是选择适合风力发电的海水淡化方法，由海水淡化技术的特性、风力发电技术的特性和使用场地的环境条件等决定。反渗透法是最适合风能海水淡化技术的方法之一，目前应用也非常广泛。反渗透法单位能耗低，系统结构简洁，适用于各种规模。如前所述的偏远地区、海岛，淡水资源天然匮乏，又无法引入公共电网，而一般风能资源又较为丰富，因此将风力发电与反渗透法海水淡化相结合生产淡水具有非常重要的现实意义。 
因此，确实需要一种结构简单可靠能够高效利用风能的反渗透法海水淡化系统。 
发明内容
本发明的目的是提供一种令系统负载功率与风力发电机最大输出功率实现实时匹配的风力发电反渗透法海水淡化系统。 
为实现上述目的，本发明提供了一种风力发电反渗透法海水淡化系统，包括风力发电机组、风电海水淡化驱动器、以及反渗透法海水淡化装置。其中，该反渗透法海水淡化装置包含驱动由第一电动机驱动的原水泵和由第二电动机驱动的增压泵；该风电海水淡化驱动器包括整流滤波模块、电阻制动模块、驱动原水泵的第一变频器、驱动增压泵的第二变频器以及一主控模块。整流滤波模块将风力发电机组的交流电转换为直流电并传输至第一、二变频器。电阻制动模块包括串联的功率电阻和功率管，电阻制动模块由主控模块控制而可变地消耗直流电能，从而控制风力发电机组转速和整流滤波模块的直流电压。第一和第二变频器均由主控模块控制令风力发电机组以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率。主控模块被设置为根据风力发电机组的最大功率曲线来计算变频器的输出频率。其中，最大输出功率由风力发电机组的输出交流电的频率确定。 
有利的是，本发明的风电反渗透法海水淡化系统的风力发电机组为三相永磁直接驱动同步发电机，通过测量风力发电机组输出的交流电频率可计算风力发电机组的转速，因此风力发电机组最大输出功率可由交流电的频率确定。 
进一步有利的是，本发明的风电反渗透法海水淡化系统的第一和第二变频器的输入还连接市电或柴油发电机，并且由主控模块控制令系统仅在风力电能不满足系统用电需求的情况下由市电或柴电补充供电，否则优先消耗风电。 
通过上述技术方案使本发明取得的技术优势在于，适应性强，效率高，风力发电机组始终工作于最大输出功率状态，从而海水淡化效率最高；节约成本，无中间储能环节，即不需要配置蓄电池组。 
附图说明
图1为根据本发明的风电反渗透法海水淡化系统原理框图。 
图2为根据本发明的反渗透法海水淡化装置示意图。 
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式。 
如图1所示，根据本发明所提供的一种风电反渗透法海水淡化系统，包括风力发电机组1、风电海水淡化驱动器2和反渗透法海水淡化装置3。其中，风力发电机组1的三相输出接风电海水淡化驱动器2三相输入，风电海水淡化驱动器2变频驱动输出接反渗透法海水淡化装置3驱动电动机输入，风电海水淡化驱动器2的控制输出接反渗透法海水淡化装置3的控制输入，风电海水淡化驱动器2信号输入接反渗透法海水淡化装置3的信号输出。 
根据本发明较佳实施例的风力发电机组1为三相永磁直接驱动风力发电机组，整机采用防腐蚀处理，能够适应恶劣环境条件。三相永磁直接驱动风力发电机组的容量选择灵活，发电效率高，可靠性高，维护量低。 
根据本发明较佳实施例的风电海水淡化驱动器2包括整流滤波模块21、耦接整流滤波模块21的电阻制动模块22、耦接整流滤波模块21用于驱动原水泵电机的第一变频器23、耦接整流滤波模块21用于驱动增压泵电机的第二变频器24、以及主控模块25。其中，整流滤波模块21整流滤波模块21包含整流桥211和滤波电容212，将风力发电机组1的交流电转换为直流电并传输至第一变频器23和第二变频器24。电阻制动模块22包含串联的功率电阻221和功率管222，用于消耗直流电能，其驱动极连接主控模块25，因而，功率管222由主控模块25控制而令电阻制动模块22可变地消耗直流电能，从而控制风力发电机组1的转速和整流滤波模块21输出的直流电压。 
图1中示例的反渗透法海水淡化装置3采用典型的反渗透法海水淡化工艺，主要包括原水泵301、驱动原水泵的第一电动机302、增压泵303和驱动增压泵303的第二电动机304。第一电动机302和第二电动机304分别连接风电海水淡化驱动器2的第一变频器23和第二变频器24。 
更具体地，风力发电机组1三相输出接整流滤波模块21的三相输入，整流滤波模块21的直流输出接第一变频器23和第二变频器24的直流输入；市电或柴油发电的三相输入接第一变频器23和第二变频器24的三相输入。同时，第一变频器23和第二变频器24的三相输出分别接反渗透法海水淡化装置3的第一电动机302和第二电动机306的三相输入。主控模块25的功率管驱动输出接电阻制动模块的功率管驱动极；主控模块25的模拟量输出接第一和第二变频器23、24的频率设定输入；主控模块25的启停控制输出接第一变频器23和第二变频器24的启停控制输入，控制原水泵301和增压泵的启停。驱动原水泵的第一变频器23和驱动增压泵的第二变频器24为市售通用变频器，可通过模拟量设定输出频率。 
根据本发明系统的反渗透法海水淡化装置3采用典型的反渗透法海水淡化工艺，如图2所示，其主要构成除了原水泵301和驱动原水泵的第一电动机302，增压泵303和驱动增加泵的第二电动机304之外，还包括石英砂过滤器305、精密过滤器306、反渗透膜组件307、产水电磁阀308、排水电磁阀309、原水泵进水压力控制器310、高压泵进水压力控制器311和浓水出水压力控制器312。其中，石英砂过滤器305连接在原水泵301之后，石英砂过滤器305的下游连接精密过滤器306，精密过滤器306的下游连接增压泵303，增压泵303再连接反渗透膜组件307，反渗透膜组件307的产水侧通过产水电磁阀308连接产水池，其排水侧通过排水电磁阀309连接排水池，而反渗透膜组件307的浓水侧连接浓水池。原水泵301和石英砂过滤器305之间、精密过滤器306和增压泵303之间、反渗透膜组件307和浓水池之间分别装设有压力控制器310、311、312。 
原水泵301由第二电动机302驱动，增压泵303由第二电动机304驱动。第一电动机302和第二电动机304由风电海水淡化驱动器2变频驱动，产水电磁阀308和排水电磁阀309控制输入接风电海水淡化驱动器2控制输出，控制原水泵进水的第一压力控制器310、控制高压泵进水的第二压力控制器311和控制浓水出水压力的第三控制器312分别接风电海水淡化驱动器2信号输入。 
电阻制动模块22在主控模块25的控制下工作于脉冲宽度调制模式，通过主控模块25输出的模拟信号动态调制功率管222的占空比即脉冲宽度，从而令电阻制动模块22可变地消耗直流电能，以控制风力发电机组转速和整流滤波模块的直流电压，继而实时控制风力发电机组1转矩与转速的线性调节。风电海水淡化驱动器2能够快速响应风力发电机组1的运行控制需求，即使反渗透法海水淡化装置3突然退出运行，风电海水淡化驱动器2也能够独立控制风力发电机组1减速直至停机，保证风力发电机组1的安全运行。 
主控模块25还包含一信号输入端口，通过该端口输入检测到的整流滤波模块21的电流输入和输出。主控模块25根据风力发电机组1输出的交流电频率可计算出风力发电机组1的转速，因此风力发电机组1的最大输出功率可以由交流电的频率来确定。主控模块25被设置为根据风力发电机组1的最大输出功率曲线来计算变频器23的输出频率，而变频器23则在主控模块25的控制下令风力发电机组1以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率。 
根据本发明所提供的这种风电反渗透法海水淡化系统的第一和第二变频器23和24的输出频率为，比较风力发电机组1的对应于整流滤波模块21输入交流电频率的转速（n）与对应于风速的最佳转速（n SV ），若n < n SV ，则根据原水泵301、增压泵303的转速流量特性来同步减小驱动原水泵的第一变频器23和驱动增压泵的第二变频器24的输出频率，使得原水泵301、增压泵303的流量等比例减小；若n > n SV ，则根据原水泵301、增压泵303的转速流量特性来同步增大驱动原水泵的第一变频器23和驱动增压泵的第二变频器24的输出频率，使得原水泵301、增压泵303的流量等比例增大；若n = n SV ，则第一变频器23和第二变频器24的输出频率保持不变。 
本发明的优势在于： 
1）采用风电海水淡化驱动器，通过计算风力发电机组的最大机械功率，进而确定变频器的最佳输出频率，使得风力发电机组始终工作于最大输出功率状态。一方面能够满足反渗透法海水淡化装置的驱动控制需求，同时可以控制风力发电机组最大功率跟踪和安全运行；
2）风力发电变频驱动淡化装置，无需蓄电池组，无中间储能环节，即不需要配置蓄电池组，节约成本；
3）系统容量可根据实际需要灵活选择，风力发电机组可并联，适用于各种规模；
4）系统结构简单可靠，可直接接入市电或柴油发电，无需额外增加设备，系统具有很好的扩展性；
5）配置一定容量的蓄电池组和充电设备，即可实现离网供电。
尽管上面通过举例说明，已经描述了本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，而是由所附的权利要求给出的所有技术特征及其等同技术特征来定义。本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓前提下，任何修改和变化可能仍落在本发明权利要求的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种风力发电反渗透法海水淡化系统，包括一风力发电机组（1）、以及一反渗透法海水淡化装置（3），所述反渗透法海水淡化装置（3）包含原水泵（301）和驱动原水泵的第一电动机（302）、增压泵（303）和驱动增压泵（303）的第二电动机（304），其特征在于还包括一风电海水淡化驱动器（2），
所述风电海水淡化驱动器（2）包括一整流滤波模块（21）、一耦接于整流滤波模块（21）电阻制动模块（22）、一耦接于整流滤波模块（21）用于驱动原水泵的第一变频器（23）、一耦接于整流滤波模块（21）用于驱动增压泵的第二变频器（24）、以及一主控模块（25），其中
所述整流滤波模块（21）将风力发电机组（1）的交流电转换为直流电并传输至第一和第二变频器（23、24）；
所述电阻制动模块（22）由主控模块（25）控制而可变地消耗直流电能，从而控制风力发电机组转速和整流滤波模块的直流电压；
所述第一和第二变频器（23、24）由主控模块（25）控制令风力发电机组（1）以最大输出功率运行的方式而输出变化的频率；
所述主控模块（25）被设置为根据风力发电机组（1）的最大功率曲线来计算第一变频器（23）的输出频率。
2.根据权利要求1所述的风力发电反渗透法海水淡化系统，其特征在于所述最大输出功率由风力发电机组输出的交流电频率确定。
3.  根据权利要求1所述的风力发电反渗透法海水淡化系统，其特征在于所述第一和第二变频器（23、24）的输入还连接市电或柴油发电机（4），并且由所述主控模块（25）控制令系统仅在风力电能不满足系统用电需求的情况下由市电或柴电供电，否则令系统优先消耗风力电能。
4.  根据权利要求1所述的风力发电反渗透法海水淡化系统，其特征在于所述整流滤波模块（21）包括一三相整流桥（211）和一滤波电容（212）。
5.  根据权利要求1所述的风力发电反渗透法海水淡化系统，其特征在于所述电阻制动模块（22）包括串联的功率电阻（221）和功率管（222），该功率管（222）的驱动极由所述主控模块（25）控制工作于脉冲宽度调制方式，从而令电阻制动模块（22）可变地消耗直流电能以控制风力发电机组转速和整流滤波模块直流电压。
6.  根据权利要求1所述的风力发电反渗透法海水淡化系统，其特征在于所述风力发电机组（1）为三相永磁直接驱动风力发电机组。
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