專利名稱：獨立風電驅動海水淡化裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海水淡化技術領域，特別是一種采用風力發(fā)電機組為系統(tǒng)供電的反滲透海水淡化裝置。
背景技術：
我國沿海地區(qū)有著豐富的海水資源，通過海水淡化充分利用海水資源是解決沿海、近海地區(qū)淡水資源短缺的主要途徑。海水淡化，又稱“海水脫鹽”，就是從海水中獲取淡水的技術。目前實際應用的海水淡化技術主要為蒸餾法和反滲透膜法兩大類，蒸餾法海水淡化主要使用熱能，反滲透膜法海水淡化主要使用電能。與蒸餾法相比，反滲透膜法淡化海水具有投資小、能耗低、占地少、建設周期短、操作簡便、易于操控等優(yōu)點，自從進入海水淡化技術市場以來，其工程應用一直呈上升趨勢。反滲透膜法是采用選擇性半透膜裝置，當連通器鹽水側對液體壓力大于滲透壓時，鹽水中的水分子將通過半透膜進人淡水側而溶質仍被半透膜隔離于鹽水側，致使鹽水濃度加大，這個過程與自然界正常滲透過程相反，稱為反滲透。為使反滲透裝置正常運行，鹽水側壓力必須高于滲透壓，并且壓力要相對穩(wěn)定，一般在4 6MPa范圍內，這時膜允許海水中的水分子透過，而將絕大部分鹽分子截住，從而得到淡水。海水淡化是能量密集型產(chǎn)業(yè)，由于海水淡化技術主體工藝已經(jīng)相對成熟，所以降低海水淡化成本的主要途徑是將海水淡化和能源供應進行有效結合，實現(xiàn)能源的最優(yōu)化利用。近年來，新能源尤其是風電的快速發(fā)展為海水淡化提供了新的思路，成為海水淡化發(fā)展的新的研究領域。1999年，西班牙開展了獨立風電海水淡化研究，并在加納利群島進行了現(xiàn)場試驗， 先后研究了風電獨立運行海水淡化的可行性、最適合風電獨立運行的海水淡化技術，通過試驗證明反滲透技術最適合風電直接海水淡化。最近德國在將風電直接用于海水淡化方面做了一定的研究，結合其自有的風力發(fā)電機產(chǎn)品開發(fā)出了模塊式的反滲透風電海水淡化系統(tǒng)，并在挪威Utsira島試驗性運行。我國中科院廣州能源所正在進行風電一柴油一太陽能多種互補的海水淡化試驗研究。根據(jù)國內外已有的研究成果，風電直接海水淡化在技術上完全可行，而且已有一些小型驗證示范工程建成并運行良好。目前，用于海水淡化的風力發(fā)電機組一般為離網(wǎng)型風電機組，功率一般在15 kff 以下。風力發(fā)電機通過葉輪將空氣流動的動能轉化為機械能，再通過發(fā)電機將葉輪機械能轉化為電能。因為風能的自然特點是風速時常變化、能量供應不穩(wěn)定，具有間歇性和波動性，這與海水淡化裝置對能量穩(wěn)定供應的要求相矛盾，所以風力發(fā)電機輸出的變化的交流電，必須經(jīng)過適當?shù)碾娔茏儞Q裝置調節(jié)才能供給負載使用。一般情況下，當風速較大時， 風力發(fā)電機發(fā)出的電能除供給負載外，多余的電能則經(jīng)過蓄電池儲存起來；當風速不足時， 風力發(fā)電機發(fā)出的電能較小或不能發(fā)出電能，此時由蓄電池內電能給電能變換裝置供電， 經(jīng)變換后供給負載；當風力發(fā)電機發(fā)出的電能遠大于用戶所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿的情況下，采用卸荷裝置將多余的電能消耗掉。
3[0006]傳統(tǒng)獨立風電系統(tǒng)，大多通過整流器將風力發(fā)電機發(fā)出交流電變換成直流電，再對蓄電池充電，最后再用逆變器將蓄電池的電能變換為交流電，供設備使用。在這個過程中，為了保證供電穩(wěn)定，系統(tǒng)都配備大量的蓄電池，蓄電池不僅成本高昂、壽命有限、維護困難而且電能在蓄電池充放過程中損耗較大，損耗電能約占風力發(fā)電機發(fā)電的20%。所以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，如何提高風電利用效率是研究獨立風電海水淡化技術的關鍵所在。

實用新型內容本實用新型提供一種獨立風電驅動海水淡化裝置，要解決傳統(tǒng)海水淡化產(chǎn)業(yè)的高耗能問題，并解決現(xiàn)有采用風電能源的海水淡化裝置需大量使用蓄電池、電能損耗高、維護困難、成本高的技術問題。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是這種獨立風電驅動海水淡化裝置，包括動力系統(tǒng)、海水淡水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述動力系統(tǒng)包括風力發(fā)電機組、風機控制器、并網(wǎng)逆變器、雙向逆變器、蓄電池和卸荷裝置；由雙向逆變器與蓄電池連接構成獨立電網(wǎng)，各風力發(fā)電機分別經(jīng)風機控制器和并網(wǎng)逆變器并入該獨立電網(wǎng)，卸荷裝置與風機控制器連接。所述海水淡水系統(tǒng)由多支獨立膜組件構成，每支獨立膜組件主要由供水泵、高壓泵和反滲透膜組件構成，各獨立膜組件的負載電路相互并聯(lián)再與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接。所述控制系統(tǒng)包括以下部件用于監(jiān)測風力發(fā)電機電力輸出狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)和海水淡化子系統(tǒng)運行狀態(tài)的傳感器，傳感器分別連接于各風力發(fā)電機的電力輸出端、動力系統(tǒng)的交流母線、蓄電池，以及海水淡化子系統(tǒng)的管路上。用于對整個裝置進行監(jiān)測、管理和控制的PLC控制器。用于對海水淡化子系統(tǒng)的各獨立膜組件進行就地參數(shù)監(jiān)測和啟停機流程控制的分散控制設備。用于傳遞和交換設備運行信息和指令的人機交互設備。所述各獨立膜組件的供水泵和高壓泵的電動機分別經(jīng)供水泵變頻器和高壓泵變頻器與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接。所述反滲透膜組件的濃水出口處安裝有電動閥。所述供水泵與高壓泵之間的管路上依次連接有砂濾器、精濾器和保安過濾器。所述傳感器主要有位于風力發(fā)電機輸出端用于監(jiān)測風力發(fā)電機輸出電壓、電流和頻率的傳感器，位于蓄電池側分別用于監(jiān)測電壓、電流和溫度的傳感器，位于電網(wǎng)交流母線上分別用于監(jiān)測交流電壓、電流、功率、相位角、頻率的傳感器，位于海水淡化子系統(tǒng)管路上分別用于監(jiān)測濃鹽水和淡水流量的傳感器，以及分別用于監(jiān)測低壓管道和高壓管道及膜殼內壓力的傳感器。本實用新型的有益效果如下本實用新型提出基于獨立電網(wǎng)的電能管理概念，通過雙向逆變器和蓄電池建立起獨立電網(wǎng)，并將風力發(fā)電機發(fā)出電能并入獨立電網(wǎng)，海水淡化裝置和其他用電設備可直接從獨立電網(wǎng)取電，提高了風電利用率。在整個運行過程中，根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)和蓄電池狀態(tài)通過
4變頻和膜組件的投切調節(jié)負載功率，使得發(fā)電用電功率總體平衡，從而蓄電池(或其他儲能裝置)只需保證電網(wǎng)建立和對風力發(fā)電機輸出功率短周期波動的削峰填谷。因此，本實用新型的蓄電池容量可明顯低于傳統(tǒng)的離網(wǎng)風電系統(tǒng)，蓄電池(或其他儲能裝置)充放電電量只占風力發(fā)電機裝機發(fā)電量10%左右。雙向逆變器可對蓄電池的電能進行管理，雙向逆變器與蓄電池組建的電網(wǎng)在運行過程中可分為獨立運行模式和并網(wǎng)運行模式。在兩種模式中，雙向逆變器都保證交流電網(wǎng)的電壓和頻率基本恒定。在并網(wǎng)逆變模式中，通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，實時調節(jié)蓄電池充放電電流的大小和方向，既保證了系統(tǒng)響應速度，又提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，供電質量符合市電標準。本實用新型的控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測風力發(fā)電機輸出狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)和海水淡化子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)各參數(shù)分析判斷整個電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，然后根據(jù)控制策略發(fā)出控制指令，對投入運行的膜組件支數(shù)、每支膜組件的工作狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)發(fā)電用電功率動態(tài)平衡。本實用新型還對傳統(tǒng)反滲透海水淡化裝置結構進行了改造，一是在膜組件濃水出口安裝電動閥，通過信號檢測和PLC控制器調節(jié)電動閥開度保證膜組件壓力可調；二是供水泵、高壓泵電動機采用變頻器進行變頻控制。在大量實驗和分析后得出可以通過對上述兩者的協(xié)調控制實現(xiàn)在海水淡化裝置負載功率變化時，而系統(tǒng)膜組件的壓力保持穩(wěn)定，從而保證了海水淡化裝置的使用壽命。在對獨立膜組件進行投切控制之前，優(yōu)先采用變頻器控制實現(xiàn)發(fā)電用電功率平衡，只有在功率差達和蓄電池剩余電量到設定值后才進行投切操作，這樣可以保證海水淡化子系統(tǒng)的負載功率具有較大的調節(jié)空間，使其對風電波動的特點更加適應，系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，蓄電池容量也可以大大減小。采用變頻調節(jié)的方式即可保證海水淡化系統(tǒng)的正常運行，又能夠減小RO膜組件投切時的負荷沖擊。膜組件的投切順序與控制策略可根據(jù)反滲透膜的工藝要求采用順序投切、先投先切、先投后切、循環(huán)投切等控制策略，從而保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，提高設備的使用壽命。本實用新型的優(yōu)點如下1、提出基于獨立交流電網(wǎng)的電能管理概念。雙向逆變器通過蓄電池電能建立的獨立電網(wǎng)，能夠在各運行工況下實現(xiàn)有效的電能管理，保證了系統(tǒng)的供電質量。2、提出海水淡化裝置變負荷運行技術。通過對傳統(tǒng)的海水淡化反滲透裝置進行改造，提高了海水淡化系統(tǒng)的適應能力，保證了系統(tǒng)的安全可靠運行。3、采用先進的協(xié)調控制策略，通過對風力發(fā)電機輸出功率及蓄電池電量實現(xiàn)快速跟蹤，并對海水淡化裝置工作負荷進行實時調節(jié)，保證了系統(tǒng)的安全可靠運行。4、在供電穩(wěn)定前提下，蓄電池容量比傳統(tǒng)獨立風電系統(tǒng)明顯下降，系統(tǒng)產(chǎn)水能耗比明顯降低，使得系統(tǒng)成本大幅度縮減，市場競爭力提高。5、本實用新型的核心技術電能管理技術具有很強的可移植性，可向其他高耗能行業(yè)(如電解鋁、煤化工等)轉移。本實用新型解決了常規(guī)風電海水淡化系統(tǒng)必須使用大容量蓄電池來保證供電穩(wěn)定的技術難題，提出了一種新的獨立風電海水淡化模式，產(chǎn)水能耗比明顯低于同類系統(tǒng)，在海水淡化領域具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型的電網(wǎng)連接圖。圖2是獨立反滲透膜組件的結構示意圖。附圖標記1 一風力發(fā)電機、2 —風機控制器、3 —并網(wǎng)逆變器、4 一雙向逆變器、 5 一蓄電池、6 —高壓泵變頻器、7 —高壓泵、8 —反滲透膜組件、9 一供水泵變頻器、10 —供水泵、11- PLC控制器、12-人機交互設備、13-砂濾、14-精濾、15-保安過濾器、16-電動閥、 17-海水、18-濃鹽水、19-淡水。
具體實施方式
實施例參見
圖1所示，這種獨立風電驅動海水淡化裝置，包括動力系統(tǒng)、海水淡水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述動力系統(tǒng)包括風力發(fā)電機組、風機控制器2、并網(wǎng)逆變器3、雙向逆變器4、蓄電池5、卸荷裝置組成；由雙向逆變器4與蓄電池5連接構成獨立電網(wǎng)，各風力發(fā)電機1分別經(jīng)風機控制器2和并網(wǎng)逆變器3并入該獨立電網(wǎng)，卸荷裝置與風機控制器2連接。所述海水淡水系統(tǒng)由多支獨立膜組件構成，每支獨立膜組件主要由供水泵10、高壓泵7、反滲透膜組件8構成，反滲透膜組件8的濃水出口處安裝有電動閥16，在供水泵10 與高壓泵7之間的管路上依次連接有砂濾器13、精濾器14和保安過濾器15，各獨立膜組件的負載電路相互并聯(lián)再與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接，各獨立膜組件的供水泵10和高壓泵7的電動機分別經(jīng)供水泵變頻器9和高壓泵變頻器6與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接。所述控制系統(tǒng)包括以下部件用于監(jiān)測風力發(fā)電機1電力輸出狀態(tài)、蓄電池5狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)和海水淡化子系統(tǒng)運行狀態(tài)的傳感器，所述傳感器主要有位于風力發(fā)電機1輸出端用于監(jiān)測風力發(fā)電機輸出電壓、電流和頻率的傳感器，位于蓄電池5側分別用于監(jiān)測電壓、電流和溫度的傳感器，位于電網(wǎng)交流母線上分別用于監(jiān)測交流電壓、電流、功率、相位角、頻率的傳感器，位于海水淡化子系統(tǒng)管路上分別用于監(jiān)測濃鹽水和淡水流量的傳感器，以及分別用于監(jiān)測低壓管道和高壓管道及膜殼內壓力的傳感器。用于對整個裝置進行監(jiān)測、管理和控制的PLC控制器11。用于對海水淡化子系統(tǒng)的各獨立膜組件進行就地參數(shù)監(jiān)測和啟停機流程控制的分散控制設備。用于傳遞和交換設備運行信息和指令的人機交互設備12，如觸摸屏。應用該裝置的獨立風電驅動海水淡化方法，步驟如下步驟一，獨立電網(wǎng)的建立，首先利用蓄電池5的電能，通過雙向逆變器4建立起獨立電網(wǎng)。步驟二，風電并網(wǎng)，各風力發(fā)電機1發(fā)出電能通過風機控制器2和并網(wǎng)逆變器3并入獨立電網(wǎng)。步驟三，負載連接，將供水泵10、砂濾器13、精濾器14、保安過濾器15、高壓泵7、反滲透膜組件8和電動閥16連接成獨立膜組件，將各獨立膜組件的負載電路并聯(lián)再與動力系
6統(tǒng)的電力輸出端連接。步驟四，系統(tǒng)協(xié)調動態(tài)控制，控制系統(tǒng)通過傳感器實時監(jiān)測風力發(fā)電機電力輸出狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)和海水淡化子系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過PLC控制器11對整個裝置進行監(jiān)測、管理和控制，通過分散控制設備對海水淡化子系統(tǒng)的各獨立膜組件進行就地參數(shù)監(jiān)測和啟停機流程控制，通過人機交互設備12傳遞和交換設備運行信息和指令。在整個裝置運行中，控制系統(tǒng)通過監(jiān)測設備運行狀態(tài)，分析判斷整個電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，從而對交流電網(wǎng)電能進行管理，并對海水淡化子系統(tǒng)的工作負荷進行實時調節(jié)； 當風力發(fā)電機1達到并入獨立電網(wǎng)條件后，風力發(fā)電機發(fā)出的交流電通過風機控制器2和并網(wǎng)逆變器3并入獨立電網(wǎng)，供負載使用，同時根據(jù)風力發(fā)電機1的實時發(fā)電功率和蓄電池容量，對投入運行的獨立膜組件支數(shù)進行控制，即投切操作，從而調節(jié)負載功率，保持發(fā)電用電功率總體平衡。雙向逆變器4與蓄電池組建的電網(wǎng)在運行過程中分為獨立運行模式和并網(wǎng)運行模式；在兩種模式中，雙向逆變器4均保證交流電網(wǎng)的電壓和頻率基本恒定，并且在并網(wǎng)逆變模式中，通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，實時調節(jié)蓄電池5充放電電流的大小和方向。當一定數(shù)量的獨立膜組件投入后，風力發(fā)電機發(fā)出電能持續(xù)增加，使得電網(wǎng)出現(xiàn)功率不平衡時，系統(tǒng)通過多余電能的多少和當前蓄電池容量判斷是否再投入一組膜組件。 同樣，當風力發(fā)電機發(fā)出電能持續(xù)減小，使得電網(wǎng)出現(xiàn)功率不平衡時，系統(tǒng)通過欠缺電能的多少和當前蓄電池容量判斷是否切出一組膜組件。在獨立膜組件進行投切之前，優(yōu)先采用變頻器對供水泵10和高壓泵7進行變頻調節(jié)實現(xiàn)功率平衡，并通過變頻器控制供水泵和高壓泵進行軟起和軟停，同時通過傳感器的信號檢測和PLC控制器11調節(jié)電動閥16開度保證反滲透膜組件8的壓力可調，只有在動力系統(tǒng)與負載的功率差和蓄電池剩余電量達到設定值之后才對獨立膜組件進行投切操作。獨立膜組件的投切順序根據(jù)反滲透膜的工藝要求采用先投先切、先投后切或循環(huán)投切。在整個裝置運行中，采用以下措施對電網(wǎng)進行保護A、設備與動力系統(tǒng)的保護，主要保護配置有風力發(fā)電機1出口的過電壓保護、蓄電池5的過電壓保護、蓄電池低電壓保護、蓄電池充電保護、供水泵10電動機的保護、高壓泵7電動機的保護和系統(tǒng)過電流保護。B、當風速高于風力發(fā)電機1的切出風速時的保護，此時不設置單獨保護，由控制系統(tǒng)進行負荷切除和系統(tǒng)停止操作。
權利要求1.一種獨立風電驅動海水淡化裝置，包括動力系統(tǒng)、海水淡水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述動力系統(tǒng)包括風力發(fā)電機(1)、風機控制器(2)、并網(wǎng)逆變器(3)、雙向逆變器(4)、 蓄電池(5 )和卸荷裝置；由雙向逆變器(4 )與蓄電池(5 )連接構成獨立電網(wǎng)，各風力發(fā)電機 (1)分別經(jīng)風機控制器(2 )和并網(wǎng)逆變器(3 )并入該獨立電網(wǎng)，卸荷裝置與風機控制器(2 ) 連接；所述海水淡水系統(tǒng)由多支獨立膜組件構成，每支獨立膜組件主要由供水泵(10)、高壓泵(7)和反滲透膜組件(8)構成，各獨立膜組件的負載電路相互并聯(lián)再與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接；所述控制系統(tǒng)包括以下部件用于監(jiān)測風力發(fā)電機(1)的電力輸出狀態(tài)、蓄電池(5)狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)和海水淡化子系統(tǒng)運行狀態(tài)的傳感器，傳感器分別連接于各風力發(fā)電機的電力輸出端、蓄電池、動力系統(tǒng)的交流母線以及海水淡化子系統(tǒng)的管路上；用于對整個裝置進行監(jiān)測、管理和控制的PLC控制器(11)；用于對海水淡化子系統(tǒng)的各獨立膜組件進行就地參數(shù)監(jiān)測和啟停機流程控制的分散控制設備；用于傳遞和交換設備運行信息和指令的人機交互設備(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的獨立風電驅動海水淡化裝置，其特征在于所述各獨立膜組件的供水泵(10)和高壓泵(7)的電動機分別經(jīng)供水泵變頻器(9)和高壓泵變頻器(6)與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的獨立風電驅動海水淡化裝置，其特征在于所述反滲透膜組件(8 )的濃水出口處安裝有電動閥(16 )。
4.根據(jù)權利要求1所述的獨立風電驅動海水淡化裝置，其特征在于所述供水泵(10) 與高壓泵(7)之間的管路上依次連接有砂濾器(13)、精濾器(14)和保安過濾器(15)。
5.根據(jù)權利要求1所述的獨立風電驅動海水淡化裝置，其特征在于所述傳感器主要有位于風力發(fā)電機(1)輸出端用于監(jiān)測風力發(fā)電機輸出電壓、電流和頻率的傳感器，位于蓄電池(5)側分別用于監(jiān)測電壓、電流和溫度的傳感器，位于電網(wǎng)交流母線上分別用于監(jiān)測交流電壓、電流、功率、相位角、頻率的傳感器，位于海水淡化子系統(tǒng)管路上分別用于監(jiān)測濃鹽水和淡水流量的傳感器，以及分別用于監(jiān)測低壓管道和高壓管道及膜殼內壓力的傳感器。
專利摘要一種獨立風電驅動海水淡化裝置，包括動力系統(tǒng)、海水淡水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，動力系統(tǒng)先由雙向逆變器與蓄電池連接構成獨立電網(wǎng)，各風力發(fā)電機分別經(jīng)風機控制器和并網(wǎng)逆變器并入該獨立電網(wǎng)，卸荷裝置與風機控制器連接；海水淡水系統(tǒng)由多支獨立膜組件構成，每支獨立膜組件主要由供水泵、高壓泵和反滲透膜組件構成，各獨立膜組件的負載電路相互并聯(lián)再與動力系統(tǒng)的電力輸出端連接；控制系統(tǒng)包括傳感器、PLC控制器、分散控制設備和人機交互設備。本實用新型解決了現(xiàn)有風電海水淡化系統(tǒng)必須使用大容量蓄電池來保證供電穩(wěn)定的技術難題，提出了一種新的獨立風電海水淡化模式，產(chǎn)水能耗比明顯低于同類系統(tǒng)，在海水淡化領域具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。
文檔編號F03D9/00GK202011766SQ20112010963
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權日2011年4月14日
發(fā)明者馮賓春, 張子皿, 張金接, 王春, 符平, 莫為澤, 袁恩來 申請人:中國水利水電科學研究院