CN102219318B - 独立风电驱动海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种独立风电驱动海水淡化装置及方法，步骤一，独立电网的建立，首先利用蓄电池的电能，通过双向逆变器建立起独立电网；步骤二，风电并网，各风力发电机发出电能通过风机控制器和并网逆变器并入独立电网；步骤三，负载连接，将供水泵、高压泵和反渗透膜组件等部件连接成独立膜组件，将各独立膜组件的负载电路并联再与动力系统的电力输出端连接；步骤四，系统协调动态控制。本发明解决了现有风电海水淡化系统必须使用大容量蓄电池来保证供电稳定的技术难题，提出了一种新的独立风电海水淡化模式，产水能耗比明显低于同类系统，在海水淡化领域具有广阔的发展空间和应用前景。

Description

独立风电驱动海水淡化装置及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，特别是一种采用风力发电机组为系统供电的反渗透海水淡化装置及方法。

背景技术

我国沿海地区有着丰富的海水资源，通过海水淡化充分利用海水资源是解决沿海、近海地区淡水资源短缺的主要途径。海水淡化，又称“海水脱盐”，就是从海水中获取淡水的技术。目前实际应用的海水淡化技术主要为蒸馏法和反渗透膜法两大类，蒸馏法海水淡化主要使用热能，反渗透膜法海水淡化主要使用电能。与蒸馏法相比，反渗透膜法淡化海水具有投资小、能耗低、占地少、建设周期短、操作简便、易于操控等优点，自从进入海水淡化技术市场以来，其工程应用一直呈上升趋势。反渗透膜法是采用选择性半透膜装置，当连通器盐水侧对液体压力大于渗透压时，盐水中的水分子将通过半透膜进人淡水侧而溶质仍被半透膜隔离于盐水侧，致使盐水浓度加大，这个过程与自然界正常渗透过程相反，称为反渗透。为使反渗透装置正常运行，盐水侧压力必须高于渗透压，并且压力要相对稳定，一般在4~6MPa范围内，这时膜允许海水中的水分子透过，而将绝大部分盐分子截住，从而得到淡水。

海水淡化是能量密集型产业，由于海水淡化技术主体工艺已经相对成熟，所以降低海水淡化成本的主要途径是将海水淡化和能源供应进行有效结合，实现能源的最优化利用。近年来，新能源尤其是风电的快速发展为海水淡化提供了新的思路，成为海水淡化发展的新的研究领域。

1999年，西班牙开展了独立风电海水淡化研究，并在加纳利群岛进行了现场试验，先后研究了风电独立运行海水淡化的可行性、最适合风电独立运行的海水淡化技术，通过试验证明反渗透技术最适合风电直接海水淡化。最近德国在将风电直接用于海水淡化方面做了一定的研究，结合其自有的风力发电机产品开发出了模块式的反渗透风电海水淡化系统，并在挪威Utsira岛试验性运行。我国中科院广州能源所正在进行风电－柴油－太阳能多种互补的海水淡化试验研究。根据国内外已有的研究成果，风电直接海水淡化在技术上完全可行，而且已有一些小型验证示范工程建成并运行良好。

目前，用于海水淡化的风力发电机组一般为离网型风电机组，功率一般在15 kW 以下。风力发电机通过叶轮将空气流动的动能转化为机械能，再通过发电机将叶轮机械能转化为电能。因为风能的自然特点是风速时常变化、 能量供应不稳定， 具有间歇性和 波动性，这与海水淡化装置对能量稳定供应的要求相矛盾，所以风力发电机输出的变化的交流电，必须经过适当的电能变换装置调节才能供给负载使用。一般情况下，当风速较大时，风力发电机发出的电能除供给负载外，多余的电能则经过蓄电池储存起来；当风速不足时，风力发电机发出的电能较小或不能发出电能，此时由蓄电池内电能给电能变换装置供电，经变换后供给负载；当风力发电机发出的电能远大于用户所需的电能，且在蓄电池电量已被充满的情况下，采用卸荷装置将多余的电能消耗掉。

传统独立风电系统，大多通过整流器将风力发电机发出交流电变换成直流电，再对蓄电池充电，最后再用逆变器将蓄电池的电能变换为交流电，供设备使用。在这个过程中，为了保证供电稳定，系统都配备大量的蓄电池，蓄电池不仅成本高昂、寿命有限、维护困难而且电能在蓄电池充放过程中损耗较大，损耗电能约占风力发电机发电的20%。所以在保证系统稳定的前提下，如何提高风电利用效率是研究独立风电海水淡化技术的关键所在。

发明内容

本发明提供一种独立风电驱动海水淡化装置及方法，要解决传统海水淡化产业的高耗能问题，并解决现有采用风电能源的海水淡化装置需大量使用蓄电池、电能损耗高、维护困难、成本高的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种独立风电驱动海水淡化装置，包括动力系统、海水淡水系统和控制系统。

所述动力系统包括风力发电机组、风机控制器、并网逆变器、双向逆变器、蓄电池和卸荷装置；由双向逆变器与蓄电池连接构成独立电网，各风力发电机分别经风机控制器和并网逆变器并入该独立电网，卸荷装置与风机控制器连接。

所述海水淡水系统由多支独立膜组件构成，每支独立膜组件主要由供水泵、高压泵和反渗透膜组件构成，各独立膜组件的负载电路相互并联再与动力系统的电力输出端连接。

所述控制系统包括以下部件：

用于监测风力发电机电力输出状态、蓄电池状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态的传感器，传感器分别连接于各风力发电机的电力输出端、动力系统的交流母线、蓄电池，以及海水淡化子系统的管路上。

用于对整个装置进行监测、管理和控制的PLC控制器。

用于对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制的分散控制设备。

用于传递和交换设备运行信息和指令的人机交互设备。

所述各独立膜组件的供水泵和高压泵的电动机分别经供水泵变频器和高压泵变频器与动力系统的电力输出端连接。

所述反渗透膜组件的浓水出口处安装有电动阀。

所述供水泵与高压泵之间的管路上依次连接有砂滤器、精滤器和保安过滤器。

所述传感器主要有位于风力发电机输出端用于监测风力发电机输出电压、电流和频率的传感器，位于蓄电池侧分别用于监测电压、电流和温度的传感器，位于电网交流母线上分别用于监测交流电压、电流、功率、相位角、频率的传感器，位于海水淡化子系统管路上分别用于监测浓盐水和淡水流量的传感器，以及分别用于监测低压管道和高压管道及膜壳内压力的传感器。

这种独立风电驱动海水淡化方法，步骤如下：步骤一，独立电网的建立，首先利用蓄电池的电能，通过双向逆变器建立起独立电网。

步骤二，风电并网，各风力发电机发出电能通过风机控制器和并网逆变器并入独立电网。

步骤三，负载连接，将供水泵、高压泵、反渗透膜组件等部件连接成独立膜组件，将各独立膜组件的负载电路并联再与动力系统的电力输出端连接。

步骤四，系统协调动态控制，控制系统通过传感器实时监测风力发电机电力输出状态、蓄电池状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态，通过PLC控制器对整个装置进行监测、管理和控制，通过分散控制设备对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制，通过人机交互设备传递和交换设备运行信息和指令。

在整个装置运行中，控制系统通过监测设备运行状态，分析判断整个电网系统的动态变化，从而对交流电网电能进行管理，并对海水淡化子系统的工作负荷进行实时调节；当风力发电机达到并入独立电网条件后，风力发电机发出的交流电通过风机控制器和并网逆变器并入独立电网，供负载使用，同时根据风力发电机的实时发电功率和蓄电池容量，对投入运行的独立膜组件支数进行控制，即投切操作，从而调节负载功率，保持发电用电功率总体平衡。

所述独立膜组件进行投切之前，优先采用变频器对供水泵和高压泵进行变频调节实现功率平衡，并通过变频器控制供水泵和高压泵进行软起和软停，同时通过传感器的信号检测和PLC控制器调节电动阀开度保证反渗透膜组件的压力可调，只有在动力系统与负载的功率差和蓄电池剩余电量达到设定值之后才对独立膜组件进行投切操作。

所述独立膜组件的投切顺序根据反渗透膜的工艺要求采用先投先切、先投后切或循环投切。

所述双向逆变器与蓄电池组建的电网在运行过程中分为独立运行模式和并网运行模式；在两种模式中，双向逆变器均保证交流电网的电压和频率基本恒定，并且在并网逆变模式中，通过电压外环、电流内环的双闭环控制，实时调节蓄电池充放电电流的大小和方向。

所述在整个装置运行中，采用以下措施对电网进行保护：A、设备与动力系统的保护，主要保护配置有：风力发电机出口的过电压保护、蓄电池的过电压保护、蓄电池低电压保护、蓄电池充电保护、供水泵电动机的保护、高压泵电动机的保护和系统过电流保护。

B、当风速高于风力发电机的切出风速时的保护，此时不设置单独保护，由控制系统进行负荷切除和系统停止操作。

本发明的有益效果如下：本发明提出基于独立电网的电能管理概念，通过双向逆变器和蓄电池建立起独立电网，并将风力发电机发出电能并入独立电网，海水淡化装置和其他用电设备可直接从独立电网取电，提高了风电利用率。在整个运行过程中，根据电网状态和蓄电池状态通过变频和膜组件的投切调节负载功率，使得发电用电功率总体平衡，从而蓄电池（或其他储能装置）只需保证电网建立和对风力发电机输出功率短周期波动的削峰填谷。因此，本发明的蓄电池容量可明显低于传统的离网风电系统，蓄电池（或其他储能装置）充放电电量只占风力发电机装机发电量10%左右。

双向逆变器可对蓄电池的电能进行管理，双向逆变器与蓄电池组建的电网在运行过程中可分为独立运行模式和并网运行模式。在两种模式中，双向逆变器都保证交流电网的电压和频率基本恒定。在并网逆变模式中，通过电压外环、电流内环的双闭环控制，实时调节蓄电池充放电电流的大小和方向，既保证了系统响应速度，又提高了系统稳定性，供电质量符合市电标准。

本发明的控制系统通过实时监测风力发电机输出状态、蓄电池状态、电网状态参数和海水淡化子系统的工作状态，根据各参数分析判断整个电网系统的动态变化，然后根据控制策略发出控制指令，对投入运行的膜组件支数、每支膜组件的工作状态进行控制，实现发电用电功率动态平衡。

本发明还对传统反渗透海水淡化装置结构进行了改造，一是在膜组件浓水出口安装电动阀，通过信号检测和PLC控制器调节电动阀开度保证膜组件压力可调；二是供水泵、高压泵电动机采用变频器进行变频控制。在大量实验和分析后得出可以通过对上述两者的协调控制实现在海水淡化装置负载功率变化时，而系统膜组件的压力保持稳定，从而保证了海水淡化装置的使用寿命。

在对独立膜组件进行投切控制之前，优先采用变频器控制实现发电用电功率平衡，只有在功率差达和蓄电池剩余电量到设定值后才进行投切操作，这样可以保证海水淡化子系统的负载功率具有较大的调节空间，使其对风电波动的特点更加适应，系统运行更加平稳，蓄电池容量也可以大大减小。采用变频调节的方式即可保证海水淡化系统的正常运行，又能够减小RO膜组件投切时的负荷冲击。

膜组件的投切顺序与控制策略可根据反渗透膜的工艺要求采用顺序投切、先投先切、先投后切、循环投切等控制策略，从而保证系统的平稳运行，提高设备的使用寿命。

本发明的优点如下：1、提出基于独立交流电网的电能管理概念。双向逆变器通过蓄电池电能建立的独立电网，能够在各运行工况下实现有效的电能管理，保证了系统的供电质量。

2、提出海水淡化装置变负荷运行技术。通过对传统的海水淡化反渗透装置进行改造，提高了海水淡化系统的适应能力，保证了系统的安全可靠运行。 

3、采用先进的协调控制策略，通过对风力发电机输出功率及蓄电池电量实现快速跟踪，并对海水淡化装置工作负荷进行实时调节，保证了系统的安全可靠运行。

4、在供电稳定前提下，蓄电池容量比传统独立风电系统明显下降，系统产水能耗比明显降低，使得系统成本大幅度缩减，市场竞争力提高。

5、本发明的核心技术电能管理技术具有很强的可移植性，可向其他高耗能行业（如电解铝、煤化工等）转移。

本发明解决了常规风电海水淡化系统必须使用大容量蓄电池来保证供电稳定的技术难题，提出了一种新的独立风电海水淡化模式，产水能耗比明显低于同类系统，在海水淡化领域具有广阔的发展空间和应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

 图１是本发明的电网连接图。

图2是独立反渗透膜组件的结构示意图。

附图标记：1－风力发电机、2－风机控制器、3－并网逆变器、4－双向逆变器、5－蓄电池、6－高压泵变频器、7－高压泵、8－反渗透膜组件、9－供水泵变频器、10－供水泵、11- PLC控制器、12-人机交互设备、13-砂滤、14-精滤、15-保安过滤器、16-电动阀、17-海水、18-浓盐水、19-淡水。

具体实施方式

实施例参见图1所示，这种独立风电驱动海水淡化装置，包括动力系统、海水淡水系统和控制系统。

所述动力系统包括风力发电机组、风机控制器2、并网逆变器3、双向逆变器4、蓄电池5、卸荷装置组成；由双向逆变器4与蓄电池5连接构成独立电网，各风力发电机1分别经风机控制器2和并网逆变器3并入该独立电网，卸荷装置与风机控制器2连接；

所述海水淡水系统由多支独立膜组件构成，每支独立膜组件主要由供水泵10、高压泵7、反渗透膜组件8构成，反渗透膜组件8的浓水出口处安装有电动阀16，在供水泵10与高压泵7之间的管路上依次连接有砂滤器13、精滤器14和保安过滤器15，各独立膜组件的负载电路相互并联再与动力系统的电力输出端连接，各独立膜组件的供水泵10和高压泵7的电动机分别经供水泵变频器9和高压泵变频器6与动力系统的电力输出端连接。

所述控制系统包括以下部件：

用于监测风力发电机1电力输出状态、蓄电池5状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态的传感器，所述传感器主要有位于风力发电机1输出端用于监测风力发电机输出电压、电流和频率的传感器，位于蓄电池5侧分别用于监测电压、电流和温度的传感器，位于电网交流母线上分别用于监测交流电压、电流、功率、相位角、频率的传感器，位于海水淡化子系统管路上分别用于监测浓盐水和淡水流量的传感器，以及分别用于监测低压管道和高压管道及膜壳内压力的传感器。

用于对整个装置进行监测、管理和控制的PLC控制器11。

用于对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制的分散控制设备。

用于传递和交换设备运行信息和指令的人机交互设备12，如触摸屏。

这种独立风电驱动海水淡化方法，步骤如下：步骤一，独立电网的建立，首先利用蓄电池5的电能，通过双向逆变器4建立起独立电网。

步骤二，风电并网，各风力发电机1发出电能通过风机控制器2和并网逆变器3并入独立电网。

步骤三，负载连接，将供水泵10、砂滤器13、精滤器14、保安过滤器15、高压泵7、反渗透膜组件8和电动阀16连接成独立膜组件，将各独立膜组件的负载电路并联再与动力系统的电力输出端连接。

步骤四，系统协调动态控制，控制系统通过传感器实时监测风力发电机电力输出状态、蓄电池状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态，通过PLC控制器11对整个装置进行监测、管理和控制，通过分散控制设备对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制，通过人机交互设备12传递和交换设备运行信息和指令。

在整个装置运行中，控制系统通过监测设备运行状态，分析判断整个电网系统的动态变化，从而对交流电网电能进行管理，并对海水淡化子系统的工作负荷进行实时调节；当风力发电机1达到并入独立电网条件后，风力发电机发出的交流电通过风机控制器2和并网逆变器3并入独立电网，供负载使用，同时根据风力发电机1的实时发电功率和蓄电池容量，对投入运行的独立膜组件支数进行控制，即投切操作，从而调节负载功率，保持发电用电功率总体平衡。

双向逆变器4与蓄电池组建的电网在运行过程中分为独立运行模式和并网运行模式；在两种模式中，双向逆变器4均保证交流电网的电压和频率基本恒定，并且在并网逆变模式中，通过电压外环、电流内环的双闭环控制，实时调节蓄电池5充放电电流的大小和方向。

当一定数量的独立膜组件投入后，风力发电机发出电能持续增加，使得电网出现功率不平衡时，系统通过多余电能的多少和当前蓄电池容量判断是否再投入一组膜组件。同样，当风力发电机发出电能持续减小，使得电网出现功率不平衡时，系统通过欠缺电能的多少和当前蓄电池容量判断是否切出一组膜组件。在独立膜组件进行投切之前，优先采用变频器对供水泵10和高压泵7进行变频调节实现功率平衡，并通过变频器控制供水泵和高压泵进行软起和软停，同时通过传感器的信号检测和PLC控制器11调节电动阀16开度保证反渗透膜组件8的压力可调，只有在动力系统与负载的功率差和蓄电池剩余电量达到设定值之后才对独立膜组件进行投切操作。独立膜组件的投切顺序根据反渗透膜的工艺要求采用先投先切、先投后切或循环投切。

在整个装置运行中，采用以下措施对电网进行保护：

A、设备与动力系统的保护，主要保护配置有：风力发电机1出口的过电压保护、蓄电池5的过电压保护、蓄电池低电压保护、蓄电池充电保护、供水泵10电动机的保护、高压泵7电动机的保护和系统过电流保护。

B、当风速高于风力发电机1的切出风速时的保护，此时不设置单独保护，由控制系统进行负荷切除和系统停止操作。

Claims (8)

1.一种独立风电驱动海水淡化装置，包括动力系统、海水淡水系统和控制系统，其特征在于：

所述动力系统包括风力发电机（1）、风机控制器（2）、并网逆变器（3）、双向逆变器（4）、蓄电池（5）和卸荷装置；由双向逆变器（4）与蓄电池（5）连接构成独立电网，各风力发电机（1）分别经风机控制器（2）和并网逆变器（3）并入该独立电网，卸荷装置与风机控制器（2）连接；

所述海水淡水系统由多支独立膜组件构成，每支独立膜组件主要由供水泵（10）、高压泵（7）和反渗透膜组件（8）构成，各独立膜组件的负载电路相互并联再与动力系统的电力输出端连接；

所述控制系统包括以下部件：

用于监测风力发电机（1）的电力输出状态、蓄电池（5）状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态的传感器，传感器分别连接于各风力发电机的电力输出端、蓄电池、动力系统的交流母线以及海水淡化子系统的管路上；

用于对整个装置进行监测、管理和控制的PLC控制器（11）；

用于对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制的分散控制设备；

用于传递和交换设备运行信息和指令的人机交互设备（12）；

在整个装置运行中，控制系统通过监测设备运行状态，分析判断整个电网系统的动态变化，从而对交流电网电能进行管理，并对海水淡化子系统的工作负荷进行实时调节；当风力发电机（1）达到并入独立电网条件后，风力发电机发出的交流电通过风机控制器（2）和并网逆变器（3）并入独立电网，供负载使用，同时根据风力发电机（1）的实时发电功率和蓄电池容量，对投入运行的独立膜组件支数进行控制，即投切操作，从而调节负载功率，保持发电用电功率总体平衡；

所述独立膜组件进行投切之前，优先采用变频器对供水泵（10）和高压泵（7）进行变频调节实现功率平衡，并通过变频器控制供水泵和高压泵进行软起和软停，同时通过传感器的信号检测和PLC控制器（11）调节电动阀（16）开度保证反渗透膜组件（8）的压力可调，只有在动力系统与负载的功率差和蓄电池剩余电量达到设定值之后才对独立膜组件进行投切操作；

所述双向逆变器（4）与蓄电池（5）组建的电网在运行过程中分为独立运行模式和并网运行模式；在两种模式中，双向逆变器（4）均保证交流电网的电压和频率基本恒定，并且在并网运行模式中，通过电压外环、电流内环的双闭环控制，实时调节蓄电池（5）充放电电流的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的独立风电驱动海水淡化装置，其特征在于：所述各独立膜组件的供水泵（10）和高压泵（7）的电动机分别经供水泵变频器（9）和高压泵变频器（6）与动力系统的电力输出端连接。

3.根据权利要求2所述的独立风电驱动海水淡化装置，其特征在于：所述反渗透膜组件（8）的浓水出口处安装有电动阀（16）。

4.根据权利要求1所述的独立风电驱动海水淡化装置，其特征在于：所述供水泵（10）与高压泵（7）之间的管路上依次连接有砂滤器（13）、精滤器（14）和保安过滤器（15）。

5.根据权利要求1所述的独立风电驱动海水淡化装置，其特征在于：所述传感器主要有位于风力发电机（1）输出端用于监测风力发电机输出电压、电流和频率的传感器，位于蓄电池（5）侧分别用于监测电压、电流和温度的传感器，位于电网交流母线上分别用于监测交流电压、电流、功率、相位角、频率的传感器，位于海水淡化子系统管路上分别用于监测浓盐水和淡水流量的传感器，以及分别用于监测低压管道和高压管道及膜壳内压力的传感器。

6.一种采用权利要求1～5任意一项所述装置的独立风电驱动海水淡化方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，独立电网的建立，首先利用蓄电池（5）的电能，通过双向逆变器（4）建立起独立电网；

步骤二，风电并网，各风力发电机（1）发出电能通过风机控制器（2）和并网逆变器（3）并入独立电网；

步骤三，负载连接，将供水泵（10）、高压泵（7）和反渗透膜组件（8）等部件连接成独立膜组件，将各独立膜组件的负载电路并联再与动力系统的电力输出端连接；

步骤四，系统协调动态控制，控制系统通过传感器实时监测风力发电机电力输出状态、蓄电池状态、电网状态和海水淡化子系统运行状态，通过PLC控制器（11）对整个装置进行监测、管理和控制，通过分散控制设备对海水淡化子系统的各独立膜组件进行就地参数监测和启停机流程控制，通过人机交互设备（12）传递和交换设备运行信息和指令。

7.根据权利要求6所述的独立风电驱动海水淡化方法，其特征在于：所述独立膜组件的投切顺序根据反渗透膜的工艺要求采用先投先切、先投后切或循环投切。

8.根据权利要求6所述的独立风电驱动海水淡化方法，其特征在于：所述在整个装置运行中，采用以下措施对电网进行保护：

A、设备与动力系统的保护，主要保护配置有：风力发电机（1）出口的过电压保护、蓄电池（5）的过电压保护、蓄电池（5）低电压保护、蓄电池（5）充电保护、供水泵（10）电动机的保护、高压泵（7）电动机的保护和系统过电流保护；

B、当风速高于风力发电机（1）的切出风速时的保护，此时不设置单独保护，由控制系统进行负荷切除和系统停止操作。

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