CN107827256A - 一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海水淡化系统，属于新能源领域，具体涉及一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统。该系统将智能微电网系统和海水淡化系统集成在便于组装、运输的集装箱上，利用先进的控制策略加小容量的储能，风光储互补智能微电网与海水淡化相结合，突破了新能源不稳定，对设备造成冲击等各种技术难题，为海水淡化设备提供稳定电源，使设备稳定工作。

Description

一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统
技术领域
本发明涉及一种海水淡化系统，属于新能源领域，具体涉及一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统。
背景技术
中国是世界上人均水资源最贫乏的国家之一，传统海水淡化是成熟行业，可以极大地缓解中国的缺水问题，但海水淡化是高能耗产业。目前很多偏远地区及远海岛屿无法由电网供电，无法为海水淡化设备提供稳定的电能。有些地区使用柴油发电机供电，不单成本高，而且会对周边造成大气污染和噪声污染。
对淡水资源短缺地区，尤其是岛屿和边远地区，电网基础薄弱，但这些地区一般具有丰富的风能、太阳能。目前，国家虽然在新能源开发与海水淡化产业方面投入较大的资金支持，但在将清洁的新能源与高能耗的海水淡化联合的技术上有所欠缺。
总体来看，现有技术一般存在以下缺点：
(1)现有技术一般是小容量的新能源，采用大容量的储能系统来降低控制系统的复杂性和保证系统的稳定性，投资成本太高。
(2)现有智能微电网一般采用单一的风力发电或者光伏发电，很难在多种新能源之间随意切换新能源发电方式。
(3)现有海水淡化一般都安置在厂房内，需要进行大量的土建施工，远海岛屿及偏远地区由于地理不便、交通滞后等各种原因，施工难度较大、施工周期长、投资成本高。
大容量的新能源并网运行是一项成熟的技术，但是，大容量新能源独立运行，是目前探索的热门课题，还没有成熟的经验和技术。对于小容量的新能源独立运行，可以采用较大容量的储能系统来降低控制系统的复杂性和保证系统的稳定性，对于较大容量的新能源-智能微电网系统采用同样比例的储能设备，在投资上是不适宜的，在技术上也不具有先进性；如果采用较小容量的储能设备，就必须使用较复杂的控制系统，以保证系统稳定的情况下，同时保证储能系统的使用寿命。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的新能源不稳定，对设备造成冲击的技术问题，提供了一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统。该系统将智能微电网系统和海水淡化系统集成在便于组装、运输的集装箱上，利用先进的控制策略加小容量的储能，风光储互补智能微电网与海水淡化相结合，突破了新能源不稳定，对设备造成冲击等各种技术难题，为海水淡化设备提供稳定电源，使设备稳定工作。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，包括：集装箱，所述集装箱内集成有海水淡化装置，以及为所述海水淡化装置提供能源的微电网，所述微电网包括：风力发电机组、和/或太阳能发电装置、和/或储能装置。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，所述海水淡化装置包括：依次连接的超滤水箱，一级反渗透提升泵，保安过滤器，一级反渗透高压泵，一级反渗透膜组件，一级淡水箱，二级反渗透高压泵，二级反渗透膜组件，二级淡水箱。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，微电网系统中母线电压采用AC400V；
其中，风力发电机组通过隔离变压器与母线连接；太阳能发是装置与锂电池并联后通过隔离变压器与母线相连接；
所述储能单元在微网中用于在一定范围内调节微电网的频率和电压、减少风机扰动对微电网造成的影响以提高系统的稳定性。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，所述微电网包括微电网运行模式切换控制装置，
其中，配置于微电网侧的智能终端基于GOOSE服务，实现断路器位置的状态监视、同期合闸、跳闸操作，并且采集常规互感器的模拟量，按DL/T860.92-2006规约转换成以太网数据通过光纤输出到过程层网络，模式切换控制装置通过SV过程层网络接收模拟量，开关量采用过程层GOOSE接入、开出模式。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，模式切换控制装置由CPU插件、过程层接口插件、站控层通讯插件、电源插件组成；CPU插件和过程层接口插件采用Freescale公司QorIQ TM系列P2020作为主处理器，CPU插件完成算法运算和逻辑判别功能；过程层接口插件通过多模光纤接受来自智能终端SV信号和GOOSE信息，经过预处理后与CPU插件通讯；通讯插件采用Freescale公司Power PC：MPC8377作为中央处理器，完成装置模型文件运行、MMS报文处理以及人机处理功能。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，模式切换控制装置和集中式保护装置、动态稳定装置共同构成微电网集中式保护与动态稳定控制柜，安置于电气集装箱，接入母线的电压、各支路电流、开关状态以及关键设备运行状态，并与PCS等设备进行快速连通。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，模式切换控制装置与微电网上级能量管理系统MEMS配合，由MEMS根据系统运行情况确定微电网的最佳运行模式，当需要进行运行模式切换时，为了保证切换的成功，MEMS需预计算切换后系统的发电与用电的平衡情况，在结束预控制后给装置下发模式切换指令，装置按照制定的切换策略，通过控制关键断路器的分、合闸来实现不同运行方式的切换，以及子微网储能PCS工作模式切换控制命令下发等。
优选的，上述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，在运行时，首先调节海水淡化负荷，其次调节储能系统；
定义第t小时风发电功率PWG-M(t)、光发电功率PPV-M(t)之和与常规负荷之间的功率差为微电网的净功率Pnet(t)：
Pnet(t)＝PWG-M(t)+PPV-M(t)-P1(t)；式中，P1(t)为第t小时微电网的常规负荷功率；
并且，当：
(1)净功率Pnet(t)小于海水淡化负荷功率下限Pdes-min(t)，即Pnet(t)＜Pdes-min(t)时，首先需解决用水需求：
此时，海水淡化负荷功率Pdes(t)＝Pdes-min(t)，储能电池放电功率Pbat(t)＝Pdes-min(t)-Pnet(t)；
具体到储能电池及柴机的功率分配上，根据储能电池的变流器额定容量、SOC状态及放电深度，确定可放电的最大功率；
(2)当净功率Pnet(t)在海水淡化负荷功率的上限Pdes-max(t)、下限Pdes-min(t)之间，即Pdes-min(t)＜Pnet(t)＜Pdes-max(t)，此时，根据下式确定可开启的海水淡化机组数量n；
n＝[Pnet(t)/Pdes]0≤n≤Ndes；
其中，Ndes为可开启的最大海水淡化机数，Pdes为单个机组额定功率；
基于下式计算海水淡化机组的运行功率：
Pdes(t)＝n Pdes；
若此时，储能电池满足充电条件，则基于下式计算充电功率：
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)；
若储能电池不满足充电条件，剩余电量将放弃；
(3)若净功率Pnet(t)大于海水淡化负荷功率的上限P des-max(t)，即Pnet(t)＞Pdes-max(t)，此时，为尽可能消纳可再生能源，海水淡化机组按功率上限运行，则有：
Pdes(t)＝Pdes-max(t)；
若储能电池满足充电条件时，基于下式计算充电功率：
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)；
若储能电池不满足充电条件时，剩余电量将放弃。
因此，本发明具有如下优点：
①优化了设备结构：风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统具有体积小、便于安装和运输、免调试、免维护等特点，特别适合缺水的沿海地区和岛屿地区。
②多容量自由选择：风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统可根据客户的具体要求来设计不同的容量，便于移植、便于组合，这样的特点可适应不同的客户需求。
③供水供电：风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统除了为用户提供清洁的淡水之外，还可以根据客户需求为客户提供一定的电能供应。
④高智能系统：风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统具有智能控制系统，可根据客户需求设置无线通信功能，将设备运行信息发到用户的手机上，便于用户及时掌握设备运行情况，从而实现设备的无人值守功能。
⑤系统易于组合和拆分：风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统既可作为一个整体设备为客户提供淡水和供电，也可以拆分为两个独立的系统：微电网系统可作为独立的产品用于无大电网覆盖的偏远地区供电；海水淡化系统可以用于有大电网覆盖的滨海缺水地区。
⑥风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化集成系统整体具有三防功能：防高温、防盐雾、防台风。
附图说明
附图1为本实施例的模式切换控制装置；
附图2是本实施例的电气系统图；
附图3是测控系统结构示意图；
附图4是风光储互补智能微电网集装箱示意图；
附图5是本实施例的海水淡化流程；
附图6是海水淡化集装箱示意图；
附图7是应用场景示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例首先建立了含风机、光伏、储能在内的风光储互补智能微电网模型,其次,在微电网稳定运行的基础上,考虑深度放电与浅度放电对储能电池损害的不同及负荷的可控性,根据储能电池在不同SOC、不同充放电功率情况下的寿命损耗,建立微电网经济运行模型,进而根据微电网经济运行目标得到长时间尺度下的能量管理方案。在此基础上,提出了风光储互补智能微电网多目标容量优化配置模型,建立系统投资运行成本和可再生能源利用比例的目标函数,构造微网、储能运行特点的约束条件,并采用自适应多目标差分进化算法进行求解。
本实施例的微电网运行模式切换控制装置整体方案上采用“集中处理”加“分散采集”结构，基于广域量测数据，以及GOOSE快速通信机制，来保证切换控制的快速性。就地配置的智能终端基于GOOSE服务，实现断路器位置的状态监视、同期合闸、跳闸等操作；同时采集常规互感器的模拟量，并按DL/T860.92-2006规约转换成以太网数据通过光纤输出到过程层网络。模式切换控制装置通过SV过程层网络接收模拟量，开关量采用过程层GOOSE接入、开出模式。
如图1所示，为本实施例的模式切换控制装置，该装置由CPU插件、过程层接口插件、站控层通讯插件、电源插件组成。CPU插件和过程层接口插件采用Freescale公司QorIQTM系列P2020作为主处理器，CPU插件完成算法运算和逻辑判别功能；过程层接口插件通过多模光纤接受来自智能终端SV信号和GOOSE信息，经过预处理后与CPU插件通讯。通讯插件采用Freescale公司Power PC：MPC8377作为中央处理器，完成装置模型文件运行、MMS报文处理以及人机处理功能。另外装置提供双电源插件，提高装置的可靠性。
模式切换控制装置和集中式保护装置、动态稳定装置共同构成微电网集中式保护与动态稳定控制柜，安置于电气集装箱，接入母线的电压、各支路电流、开关状态以及关键设备运行状态，并与PCS等设备进行快速连通。
PCS通过外部控制命令选择运行模式.此外,为满足主PCS在微电网运行模式无缝切换的要求,在VF控制中加入初相角逻辑,即在PCS由PQ运行转为VF运行的初始时刻,以当前时刻锁相环测量值作为初始电压相角,使切换过程中电压波形连续,有效减少了暂态过程,有利于系统运行模式的平滑过渡。
本实施例的系统主要有以下几种运行模式：
①常规风、光、储运行模式
②风、光互补运行模式
③储能电池+光伏运行模式
④储能电池+风机运行模式
如图2所示，为本发明风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化成套系统电气系统图，微电网系统中母线电压采用AC400V，所有分布式电源、储能单元、用电负荷都经分布式电源是微网中重要的组成部分，它通过能量管理系统调度控制。
变桨永磁直驱风力发电机组+光伏电池作为分布式电源。其中，风力发电机组通过隔离变压器与母线连接；光伏电池先与锂电池并联后通过隔离变压器与母线相连接。
储能单元在微网中充当着主电源一次频率调节单元、风力发电机调节单元、后备主电源等重要角色，可在一定范围内调节微电网的频率和电压、减少风机扰动对微电网造成的影响、从而大大提高系统的稳定性。
图3为本发明测控系统结构示意图，系统运行调度管理与控制设计为三层：调度管理层、协调控制层和就地控制层。
本实施例中，海水原水经保安过滤器后通过高压泵增压进入反渗透装置。从反渗透出来的高压水经过能量回收装置后通过循环增压泵重新进入反渗透装置，从而提高了效率，降低了能耗。
原海水→海水取水泵→预处理装置→一级保安过滤器→一级高压泵→SWRO装置(含能量回收一体装置)→一级产水箱→二级高压泵→BWRO装置→二级产水箱→后处理→居民生活用水。
由于新能源发电、储能电池及海水淡化负荷的功率在一定范围内都具有可调控性，综合考虑经济性及可再生能源利用率，在具体运行中，首先调节海水淡化负荷，其次调节储能系统。
定义第t小时风、光发电功率之和与常规负荷之间的功率差为微电网的净功率Pnet(t)。
Pnet(t)＝PWG-M(t)+PPV-M(t)-P1(t)；式中，P1(t)为第t小时微电网的常规负荷功率。
将净功率与海水淡化负荷功率的上下限进行比较，存在如下三种情况:
(1)净功率小于海水淡化负荷功率下限，即Pnet(t)＜Pdes-min(t)。此时，首先需解决用水需求，
因此，Pdes(t)＝Pdes-min(t)。由于净功率不足以支撑海水淡化机组的运行，需储能电池放电满足需求，Pbat(t)＝Pdes-min(t)-Pnet(t)。
具体到储能电池及柴机的功率分配上，根据储能电池的变流器额定容量、SOC状态及放电深度，确定可放电的最大功率。
(2)净功率在海水淡化负荷功率的上、下限之间，即Pdes-min(t)＜Pnet(t)＜Pdes-max(t)。此时，根据净功率水平可确定满足用水的下限要求，但仍需确定可开启的海水淡化机组数量n。
n＝[Pnet(t)/Pdes]0≤n≤Ndes
相应地，海水淡化机组的运行功率
Pdes(t)＝n Pdes
考虑到净功率还会有少量剩余，拟通过储能电池充电的形式消纳
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)。
若储能电池不满足充电条件，剩余电量将放弃。
(3)净功率大于海水淡化负荷功率的上限，即Pnet(t)＞P des-max(t)。此时，为尽可能消纳可再生能源，海水淡化机组按功率上限运行
Pdes(t)＝Pdes-max(t)
考虑到净功率同样也会有少量剩余，拟通过储能电池充电的形式消纳
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)
若储能电池不满足充电条件时，剩余电量将放弃。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，包括：集装箱，所述集装箱内集成有海水淡化装置，以及为所述海水淡化装置提供能源的微电网，所述微电网包括：风力发电机组、和/或太阳能发电装置、和/或储能装置。
2.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，所述海水淡化装置包括：依次连接的超滤水箱，一级反渗透提升泵，保安过滤器，一级反渗透高压泵，一级反渗透膜组件，一级淡水箱，二级反渗透高压泵，二级反渗透膜组件，二级淡水箱。
3.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，微电网系统中母线电压采用AC400V；
其中，风力发电机组通过隔离变压器与母线连接；太阳能发是装置与锂电池并联后通过隔离变压器与母线相连接；
所述储能单元在微网中用于在一定范围内调节微电网的频率和电压、减少风机扰动对微电网造成的影响以提高系统的稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，所述微电网包括微电网运行模式切换控制装置，
其中，配置于微电网侧的智能终端基于GOOSE服务，实现断路器位置的状态监视、同期合闸、跳闸操作，并且采集常规互感器的模拟量，按DL/T860.92-2006规约转换成以太网数据通过光纤输出到过程层网络，模式切换控制装置通过SV过程层网络接收模拟量，开关量采用过程层GOOSE接入、开出模式。
5.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，模式切换控制装置由CPU插件、过程层接口插件、站控层通讯插件、电源插件组成；CPU插件和过程层接口插件采用Freescale公司QorIQ TM系列P2020作为主处理器，CPU插件完成算法运算和逻辑判别功能；过程层接口插件通过多模光纤接受来自智能终端SV信号和GOOSE信息，经过预处理后与CPU插件通讯；通讯插件采用Freescale公司Power PC：MPC8377作为中央处理器，完成装置模型文件运行、MMS报文处理以及人机处理功能。
6.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，模式切换控制装置和集中式保护装置、动态稳定装置共同构成微电网集中式保护与动态稳定控制柜，安置于电气集装箱，接入母线的电压、各支路电流、开关状态以及关键设备运行状态，并与PCS等设备进行快速连通。
7.根据权利要求1所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，模式切换控制装置与微电网上级能量管理系统MEMS配合，由MEMS根据系统运行情况确定微电网的最佳运行模式，当需要进行运行模式切换时，为了保证切换的成功，MEMS需预计算切换后系统的发电与用电的平衡情况，在结束预控制后给装置下发模式切换指令，装置按照制定的切换策略，通过控制关键断路器的分、合闸来实现不同运行方式的切换，以及子微网储能PCS工作模式切换控制命令下发等。
8.根据权利要求6所述的一种风光储互补集装箱式智能微电网海水淡化系统，其特征在于，在运行时，首先调节海水淡化负荷，其次调节储能系统；
定义第t小时风发电功率PWG-M(t)、光发电功率PPV-M(t)之和与常规负荷之间的功率差为微电网的净功率Pnet(t)：
Pnet(t)＝PWG-M(t)+PPV-M(t)-P1(t)；式中，P1(t)为第t小时微电网的常规负荷功率；
并且，当：
(1)净功率Pnet(t)小于海水淡化负荷功率下限Pdes-min(t)，即Pnet(t)＜Pdes-min(t)时，首先需解决用水需求：
此时，海水淡化负荷功率Pdes(t)＝Pdes-min(t)，储能电池放电功率Pbat(t)＝Pdes-min(t)-Pnet(t)；
具体到储能电池及柴机的功率分配上，根据储能电池的变流器额定容量、SOC状态及放电深度，确定可放电的最大功率；
(2)当净功率Pnet(t)在海水淡化负荷功率的上限Pdes-max(t)、下限Pdes-min(t)之间，即Pdes-min(t)＜Pnet(t)＜Pdes-max(t)，此时，根据下式确定可开启的海水淡化机组数量n；
n＝[Pnet(t)/Pdes]0≤n≤Ndes；
其中，Ndes为可开启的最大海水淡化机数，Pdes为单个机组额定功率；
基于下式计算海水淡化机组的运行功率：
Pdes(t)＝nPdes；
若此时，储能电池满足充电条件，则基于下式计算充电功率：
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)；
若储能电池不满足充电条件，剩余电量将放弃；
(3)若净功率Pnet(t)大于海水淡化负荷功率的上限P des-max(t)，即Pnet(t)＞P des-max(t)，此时，为尽可能消纳可再生能源，海水淡化机组按功率上限运行，则有：
Pdes(t)＝Pdes-max(t)；
若储能电池满足充电条件时，基于下式计算充电功率：
Pbat(t)＝Pnet(t)-Pdes(t)；
若储能电池不满足充电条件时，剩余电量将放弃。
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