（哈电发电设备国家工程研究中心有限公司 哈尔滨 150040）
摘要：提出一种采用风电机组、储能系统和海水淡化装置组成微网型海水淡化系统的设计方案，利用风力发电技术、电力电子和储能技术、海水淡化技术、计算机及控制技术实现风电海水淡化系统的孤岛运行，为无电网海岛地区提供优质淡水和稳定电源，此设计方案可有效解决边远岛屿供水供电问题，改善岛屿的居住环境。
关键词：微电网；能量管理；风电；海水淡化
0引言
微电网是相对传统大电网的一个概念。微电网就是采用现代电力电子技术，新能源发电技术、计算机控制技术等新技术，将微电源、用电负荷、储能设备及控制装置等结合在一起，直接接入用户侧，向用户供给电能的小规模分散独立供电系统[1]。
本文立足于可独立运行的智能微电网系统，提出将微电网系统与海水淡化装置相结合的设计方案，实现系统的孤网运行，为没有电网的边远海岛地区提供优质的淡水和稳定电源，可有效解决偏远海岛的淡水供应和电力供应难题，极大改善海岛居民的居住环境和生活质量。
1系统整体设计
在此系统中，主要包括风电电源、储能系统、海水淡化装置、备用柴油发电机组和其他民用负荷几部分[2]。微电网采用三项380V交流方案，即发电设备、储能装置和用电负荷均接入380V交流母线上，如图1所示。
图1 微网系统整体构成图
其中，风力发电机组采用2台100kw永磁同步风电组，经AC-DC-AC全功率变流后，形成稳定的380V三项交流电接入微网系统，是此系统的主要供电电源。
储能系统主要包括蓄电池组，电池管理系统（BMS），双向逆变器（PCS）。当电源发电量大于用电负荷时，PCS将微网中多余电能整流后，给蓄电池组充电；当电源发电量小于用电负荷时，PCS将蓄电池组中电能逆变后向微网供应电能。通过PCS给电池充放电，维持风电设备和用电负荷的平衡，保证微电网电压基本恒定[3]。
海水淡化装置作为系统的用电负荷。海水淡化装置采用膜渗析法将海水转化为淡水，本系统海淡装置在常规海淡装置基础上进行改进，由于微网系统中风电波动较大，需要海淡负载功率具有较强的可调节性，因此，海淡负载中所有大功率电动机均采用变频启动，对电网电压波动具有很强的适应性，并可以变功率运行，有效解决了风电机组发电功率波动的问题。
柴油发电机组作为备用电源，系统正常运行时不启动。当蓄电池组电量放空，或由于台风等因素导致风电机组无法运行时，可利用柴油发电机组给电池充电，并给用电负荷供电。
2能量管理系统的设计
在此微电网系统中，由于发电设备为风力发电机组，发电功率受风速波动影响很大，输出功率有较大波动。而海水淡化装置中，电机、水泵等用电设备较多，投入切出时也会对微电网电压造成一定冲击，因此需要完善的能量管理系统（EMS）对发电机组、储能系统、用电负荷进行电能调度，实现用电负荷和发电设备间的平衡，以保证微网电压稳定，实现系统的连续稳定运行[4]。
为了更好的进行调度、管理与控制，能量管理系统将遵循分层控制、统一调度的原则。因此，其运行调度管理与控制可分为三层结构：就地控制层、网络通讯层和管理调度层，如图2所示。
图2 能量管理系统多层结构图
2.1就地控制层
就地控制层主要包含风电机组控制器、PCS控制器、BMS充电监控器、海水淡化控制器等。各就地控制装置直接采集各台发电设备各项参数，并通过网络通讯层向管理调度层发送数据，同时接受调度管理层下达的控制指令，负责控制微电网系统内部各个发电设备和的安全稳定工作，是整套控制系统的执行机构，以下为系统内主要就地控制部分。
1）风电机组控制器：
风电机组控制器集成于风电机组整机中，负责控制风电机组自身的运行。本系统要求风电机组控制系统具备TCP/IP通讯协议，可以和上位机（工控机）实现基于TCP/IP协议的数据传输（工业以太网或光缆），接受上位机的启停控制和能量调度。
2）PCS控制器：
PCS利用电池作为储能器件，建立电网基准电压，平抑电网波动，对电能削峰填谷。本系统中PCS控制器为采用TCP/IP通讯协议与上位机（工控机）实现总线通讯。
3）电池管理系统（BMS）控制器：
BMS控制器实时采集电池工作状态，包括电池的充/放电状态，电池电压、电流、容量等参数。本系统中，要求电池管理系统具备TCP/IP通讯协议，可以和上位机（工控机）实现基于TCP/IP协议的数据传输（工业以太网或光缆），向上位机传输各状态信号。
4）海水淡化控制器
海水淡化控制器集成于海淡设备中，负责控制海淡设备的运行。本系统要求海淡控制器具备TCP/IP通讯协议，可以和上位机（工控机）实现基于TCP/IP协议的数据传输（工业以太网或光缆），接受上位机的启停控制。
5）其他信号输入输出
在此系统中，某些采集点和控制点的输入、输出需采用模拟量或数字量输出/输入，可采用研华ADAM系列远程I/O模块，此系列模块可以通过以太网线连接上位机（工控机），将采集到的信号（模拟量、开关量均可）直接传入上位机，并根据上位机指令对外输出信号（模拟量、开关量均可）。此系列模块可采用菊花链式结构，扩展性强，组态灵活，直接作为上位机的输入输出硬件，完全可以取代PLC控制器的功能。由于本系统控制点大多采用通讯方式，硬结点输入输出较少，因此仅需工程实际需要采用若干研华ADAM模块即可。
2.2网络通讯层
网络通讯层是管理调度层和就地控制层的中间站，主要有以下的功能：
1）构建硬件通讯网络，该项目设备主要设备均采用TCP/IP通讯方式（以太网通讯），在距离较远的场合，例如风机到上位机之间需要采用光电转换设备。
2）接受管理调度层指令，并下发相应的控制命令到就地控制层的各个装置，如风电机组的启停、功率给定等指令。
3）接受就地控制层上传信息，并将其上传到上位机中，作为上位机逻辑判断、数学计算、状态分析的依据。其具体功能如图4所示。
图3网络通讯层功能示意图
由于系统内就地控制设备如风电机组、PCS、BMS、海淡控制器、通讯均采用TCP/IP通讯协议，物理线路采用以太网（长距离通讯需转成光缆进行通讯），整个系统通讯需要3台光电交换机，1台普通交换机组成局域网，实现设备之间的通讯连接。
2.3管理调度层
调度管理层是能量管理系统的核心运算部分，主要接受网络通讯层上传的监控信息，管理软件根据各项参数做出控制管理决策，调度各发电设备发电功率以平衡海淡装置负载用电功率，保持微电网系统电量供求平衡[5]。此外，调度管理层应具有完善的历史运行记录和故障记录，为运行维护人员的维护和检修工作提供详实可靠的依据。
其控制总体框架示意图如图3所示：
图4 调度管理层控制框架图
在本系统中，管理调度层选用一台工控机作为核心控制器，一台工业服务器用于历史记录的存储，工控机具备双100M网卡，与网络通讯层采用TCP/IP通讯方式。工控机可通过局域网直接访问服务器，实时向服务器的数据库软件存储数据。
3系统软件设计
能量管理软件采用Visual studio平台开发，主要功能如下：
1）提供右好的用户界面，供运行人员操作。
2）数据采集功能，包括风电机组、PCS、BMS、海淡设备等的参数采集。
3）实时监控功能，对系统内各目标设备下发遥控、遥调控制指令，显示分布式电源总发电量、用电量，储能系统电量信息等。
4）能量调度功能，根据负载功率、电池容量、实时风况，计算风电机组应发电量，并向发电设备下达功率指令。
5）在故障报警界面中，显示了系统所有当前故障报警信息。操作人员可在时间选择栏中选择查询时间段，再点击历史查询按钮，即可查询不同时间段内的故障报警历史记录。
6）历史数据
监控数据或运算产生的数据将进入历史数据库，供系统查询使用。该功能为历史查询提供了数据源，还为数据预测提供了参考源。
如图5为能量管理系统软件主界面。在此界面中，最上层为界面系统选项卡，点击不同选项卡可切换到不同界面中。第二层为当前运行模式显示栏，标志着系统当前所处工况。在主界面中，主要有两台风电机组运行状态监视、柴发机组运行状态监视、储能系统运行状态监视、海淡设备运行状态监视、其他负载及开关状态监视。此外，界面还包含了系统启动、停机、运行模式切换等功能按钮，操作人员可根据不同工况进行操作。
图5 能量管理系统主界面
4 结论
微网海水淡化系统将风力发电技术、电力电子技术、自动控制技术、海水淡化技术相结合，使系统实现孤网运行，向用户提供稳定的电力供应和淡水供给，有效解决了偏远沿海地区、海岛的水电供应问题，具有较高的实用价值和推广意义。
参考文献
[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，刘海涛，李蕊微.电网技术综述[J]．中国电机工程学报，2014,(1):57-58.
[2]王成山,武震,李鹏.微电网关键技术研究[J].电工技术学报, 2014,(2):38-39.
[3]武星，殷晓刚，宋昕,王景.中国微电网技术研究及其应用现状[J].高压电器, 2013,(9):143.
[4]刘文,杨慧霞,祝斌微.电网关键技术研究综述[J].电力系统保护与控制 2012,(14):40.
作者简介
吴光宇，（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师。工作于哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，从事发电设备控制系统研发工作。
论文作者:吴光宇
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：系统论文; 电网论文; 风电论文; 上位论文; 机组论文; 控制器论文; 管理系统论文; 《电力设备》2016年第5期论文;