CN105253956A - 一种反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法 - Google Patents

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俞永江
杜成琼
康权
童纯清
王金燕
陈湘斌
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Abstract

本发明公开了一种反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法，控制系统包括：风力发电机组；监测单元：用于实时采集风力发电机组的工作状态以及反渗透海水淡化装置的工作状态，并将采集到数据送入主控单元；风电控制器：将风力发电机组输出的交流电转换成直流电，并在主控单元的控制下，将转化后的直流电分别传输至驱动单元；驱动单元：用于驱动和调节反渗透海水淡化装置的取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机；主控单元：用于根据监测单元实时采集的数据，获得风电产量的动态变化信息，并实现对取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机的转速调节或循环切换。本发明提高反渗透海水淡化装置的使用安全性和可靠性。

Description

一种反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法。
背景技术
反渗透海水淡化装置结构如图1所示，其包括取水泵1、预处理装置2、中间水箱3、供水泵4、保安过滤器5、高压泵6、反渗透膜组件7。反渗透海水淡化装置主要依靠电力驱动，但在电网覆盖不到的海岛或边远地区，由于基本不具备提供充足电力的条件，更无多余能源用于海水淡化。随着可再生能源发电技术和反渗透技术的不断进步，就地利用当地优越的风力和海水等自然资源，开发建立以非并网风电为主的反渗透海水淡化耦合系统，可有效解决某些地区的能源和淡水供应问题，市场前景十分广阔。但风力发电、太阳能发电等可再生能源电力具有不稳定性、波动性和间歇性特点，这与反渗透海水淡化装置的能源稳定性要求矛盾。如何通过先进的控制方法实现耦合系统的高效运行和低成本应用，一直是新能源海水淡化的研究热点和难题。
传统的非并网风电海水淡化系统主要采用风力发电和蓄电池组相结合的供电结构，即风力发电机发出的交流电分别经整流设备、蓄电池组和逆变设备，最后供给海水淡化负载。该供电结构需要配备大容量储能电池组和逆变设备，现有控制系统主要根据蓄电池组的储能情况，通过调节或切换海水淡化负载泵来实现功率平衡，存在建设成本高、维护难度大、运行稳定性差等问题，且蓄电池充放电、逆变设备电能转换以及变频调速等过程存在多重能量损失，造成可再生能源电力利用效率低。因此，需要提供一种能量转换结构简单、高效利用风能的反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种反渗透海水淡化自适应控制系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种反渗透海水淡化自适应控制系统，包括：
风力发电机组：用于输出交流电；
监测单元：用于实时采集风力发电机组的工作状态以及反渗透海水淡化装置的工作状态，并将采集到的数据送入主控单元；
风电控制器：将风力发电机组输出的交流电转换成直流电，并在主控单元的控制下，将转化后的直流电传输至驱动单元；
驱动单元：用于驱动和反渗透海水淡化装置的取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机；
主控单元：用于根据监测单元实时采集的数据，获得风电产量的动态变化信息，并控制驱动单元对取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机进行转速调节或循环切换。
本发明的监测单元包括：
风电参数监测模块：包括用于采集风力发电机组侧、风电控制器侧及蓄电池侧的电压和电流的多个传感器；
装置工况监测模块：包括位于反渗透海水淡化装置管路上、用于测量浓盐水流量、产品水流量和产品水水质的多个传感器，以及分别用于测量低压管道和高压管道压力的传感器。本发明的监测单元结构简单，各传感器可以实时获取反渗透海水淡化装置的各种状态，从而可以更好地监控反渗透海水淡化装置的运行状态。
本发明的驱动单元包括分别与所述取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机连接的第一变频器、第二变频器和第三变频器；所述第一变频器、第二变频器和第三变频器的输入端接市电或柴油发电机。
本发明控制方法主要实现过程为：当风力发电机组的发电功率大于反渗透海水淡化装置额定功率，且不超过反渗透海水淡化装置用电负载的最大用电量时，主控单元控制风电控制器仅向驱动单元供电，第一变频器、第二变频器和第三变频器根据发电功率调节取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机的转速，实现风力发电机组最大功率输出；当发电功率超过反渗透海水淡化装置用电负载的最大用电量时，主控单元控制风电控制器向驱动单元供电，同时向蓄电池组充电，此时第一变频器、第二变频器和第三变频器分别驱动取水泵电机、供水泵电机、高压泵电机达到最大运行转速，并由蓄电池组吸收多余的电能；当风电产量持续减少，使得发电功率无法满足反渗透海水淡化装置的最小用电量时，主控单元控制风电控制器驱动第一变频器、第二变频器和第三变频器维持反渗透海水淡化装置最小出力；当发电功率持续小于反渗透海水淡化装置最小运行负载功率时，反渗透海水淡化装置由产水可调工作制投切到间歇式运行工作制，同时停止第二变频器和第三变频器，仅第一变频器工作，实现抽水蓄能；当发电功率小于第一变频器所需最小驱动功率，主控单元控制反渗透海水淡化装置停机。
本发明中，产水可调工作制对应第一变频器、第二变频器和第三变频器同时工作的状态；间歇式运行工作制对应第二变频器和第三变频器不工作，仅第一变频器工作的状态。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对风力发电机组输出功率和蓄电池状态的快速跟踪，并对反渗透海水淡化装置工作负荷的在线调节，实现了反渗透海水淡化装置的动态协调监测、控制和管理，提高了安全性和可靠性；本发明的控制系统将风力发电机组发出的交流电转换成直流电，并直接作为反渗透海水淡化装置的驱动能源，并配备仅需用于快速提供或吸收波动电能的蓄电池组，简化了电能转换中间环节，减小了传统离网型风电系统的蓄电池容量，提高了风电利用效率。本发明提出的控制方法可以时反渗透海水淡化装置实现产水可调工作制和间歇式工作制，通过反渗透海水淡化装置不同运行模式的自动投切，实现了发电功率和用电功率的动态平衡。
附图说明
图1为反渗透海水淡化装置结构示意图；
图2为本发明控制系统结构框图。
具体实施方式
如图2所示，本发明风机控制器令风力发电机组以最大输出功率运行，并将风机发出的三相交流电转化为直流电，分别传输至驱动单元和蓄电池组，驱动单元包括三个变频器，三个逆变器的三相交流输出接反渗透海水淡化装置的电机负载。主控单元根据显示单元的操作指令，向驱动单元变频器和风机控制器发送控制信号，同时根据监测单元实时采集的风力发电机组输出状态、当前蓄电池组蓄能状态和反渗透海水淡化装置的工作状态，通过主控单元对整个装置进行动态协调、控制和管理。
驱动单元的三个变频器吸收绝大部分风电能量，并通过主控单元的动态协调、控制和管理，保持发电功率和负载功率的动态平衡。蓄电池组的作用是负责快速提供或吸收波动的电能，维持直流电压稳定。此外，蓄电池组有欠压和过压保护功能，用于防止蓄电池组过充或过放。
本发明控制系统的主控单元为PLC控制器，显示单元为触摸屏。其中，主控单元的电源取自蓄电池组。
在整个装置运行中，控制系统分析判断风电产量的动态变化，从而对驱动单元第一变频器相连的取水泵电动机、第二变频器相连的供水泵电动机和第三变频器相连的高压泵电动机的转速进行实时调节，同时由蓄电池组快速提供或吸收波动的电能，保持发电功率与负载功率的动态平衡。
当风电产量在当前正常生产所需的负载功率范围内，主控单元令风电控制器仅向驱动单元供电，蓄电池组处于静止状态，此时第一变频器、第二变频器和第三变频器根据风电输出功率调节给定转速，实现风机最大功率输出。
当风电产量持续增加，使得发电功率超过海水淡化用电负载的最大用电量，主控单元令风电控制器向驱动单元供电，同时向蓄电池组充电。此时第一变频器、第二变频器和第三变频器控制相应电机达到最大运行转速，并由蓄电池组吸收多余的电能。
当风电产量持续减少，使得发电功率无法满足用电负载的最小用电量，主控单元令风电控制器向驱动单元供电，此时第一变频器、第二变频器和第三变频器维持海水淡化最小出力的运行转速。
当风电输出功率持续小于海水淡化最小运行负载功率，主控单元令将反渗透海水淡化装置从产水可调工作制投切到间歇式运行工作制，即停止驱动供水泵的第二变频器和驱动高压泵的第三变频器，仅由驱动取水泵的第一变频器工作实现抽水蓄能。
当风机的输出小于第一变频器所需最小驱动功率，主控单元令反渗透海水淡化装置停机。
本发明控制系统的驱动单元的第一变频器、第二变频器和第三变频器的直流输入由风电控制器或蓄电池组供电，其交流输入可以接入市电或柴油发电的三相交流电，并通过主控单元实现供电电源切换，满足不用场合的需求。

Claims (6)

1.一种反渗透海水淡化自适应控制系统，其特征在于，包括：
风力发电机组：用于输出交流电；
监测单元：用于实时采集风力发电机组的工作状态以及反渗透海水淡化装置的工作状态，并将采集到的数据送入主控单元；
风电控制器：将风力发电机组输出的交流电转换成直流电，并在主控单元的控制下，将转化后的直流电传输至驱动单元；
驱动单元：用于驱动和反渗透海水淡化装置的取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机；
主控单元：用于根据监测单元实时采集的数据，获得风电产量的动态变化信息，并控制驱动单元对取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机进行转速调节或循环切换。
2.根据权利要求1所述的反渗透海水淡化自适应控制系统，其特征在于，所述监测单元包括：
风电参数监测模块：包括用于采集风力发电机组侧、风电控制器侧及蓄电池侧的电压和电流的多个传感器；
装置工况监测模块：包括位于反渗透海水淡化装置管路上、用于测量浓盐水流量、产品水流量和产品水水质的多个传感器，以及分别用于测量低压管道和高压管道压力的传感器。
3.根据权利要求2所述的反渗透海水淡化自适应控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括分别与所述取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机连接的第一变频器、第二变频器和第三变频器；所述第一变频器、第二变频器和第三变频器的输入端接市电或柴油发电机。
4.根据权利要求3所述的反渗透海水淡化自适应控制系统，其特征在于，还包括与所述风电控制器连接的蓄电池组。
5.根据权利要求1所述的反渗透海水淡化自适应控制系统，其特征在于，所述主控单元与显示单元连接。
6.一种反渗透海水淡化自适应控制方法，其特征在于，该方法主要实现过程为：当风力发电机组的发电功率大于反渗透海水淡化装置额定功率，且不超过反渗透海水淡化装置用电负载的最大用电量时，主控单元控制风电控制器仅向驱动单元供电，蓄第一变频器、第二变频器和第三变频器根据发电功率调节取水泵电机、供水泵电机和高压泵电机的转速，实现风力发电机组最大功率输出；当发电功率超过反渗透海水淡化装置用电负载的最大用电量时，主控单元控制风电控制器向驱动单元供电，同时向蓄电池组充电，此时第一变频器、第二变频器和第三变频器分别驱动取水泵电机、供水泵电机、高压泵电机达到最大运行转速，并由蓄电池组吸收多余的电能；当风电产量持续减少，使得发电功率无法满足反渗透海水淡化装置的最小用电量时，主控单元控制风电控制器驱动第一变频器、第二变频器和第三变频器维持反渗透海水淡化装置最小出力；当发电功率持续小于反渗透海水淡化装置最小运行负载功率时，反渗透海水淡化装置由产水可调工作制投切到间歇式运行工作制，停止第二变频器和第三变频器，仅第一变频器工作，实现抽水蓄能；当发电功率小于第一变频器所需最小驱动功率，主控单元控制反渗透海水淡化装置停机。
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