黄家湾灌区风光互补供电系统配置

易吉林，谢晨希，王梦琦

（1.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550002；2.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

1 概况

黄家湾灌区用水全部从黄家湾水库取水，沿干渠自流，沿程设支渠及斗渠分流，解决城乡生活和工业供水及农业灌溉用水问题。

黄家湾水利枢纽工程解决输水工程闸（阀）门数量众多、运行管理复杂、交通不便等问题。若采用电网线路架设作为输水工程管道线路上闸（阀）门启闭和各类监测仪器的电力来源，就需要花费大量人力物力及财力去建设电力供应基础设施和长距离的输电线路架设工作。首先，施工环境复杂、施工时间长、还需要占用大量土地；其次，在工程运行管理期，整套供电系统需要定时进行维护检修以保证其稳定性，从而增加工程的运行管理成本。

风光互补系统通过单个点位采集风能和太阳能发电，无需外接供电，工程建设方就不需要建设变电站、架设高低压线路、配电系统等工程。不但缩短了工程建设工期、降低了资金投入还减少了工程占用土地面积，而且兼有自动化信息化功能，实现管控、工程项目闸控等设备无人值守、少人值守，为以后整个输水工程的大信息化系统提供便利基础。

2 风光互补直流智能测控系统组成

2.1 太阳能光伏电池板及光伏控制系统

太阳能光伏电池板通过半导体p-n 结的光生伏打效应将太阳能转换为电能。当太阳能板受到光照时，其中的电荷分布状态就会发生变化，从而产生电流与电动势。通过在太阳能光伏电池板两侧引出电极接上负荷后，就会在外电路中产生光生电流，获得功率输出。在工作环境情况下，光伏控制器均可以通过MPPT控制算法有效快速地追踪到光伏阵列的最大功率，将太阳能电池板获取的能量最大化。显著提高太阳能系统能量利用率；太阳能光伏板采用转换效率较高的单晶硅太阳能电池板阵列。太阳能电池板根据年平均日照时间、安装环境、气象条件及负载和电池组大小等参数进行容量设计，可保证太阳能电池板、储能电池组和负载设备等匹配良好。通过将若干太阳能电池板以串联或并联的型式连接组成太阳能光伏方阵，由光伏控制器把采集的太阳能转换的电能稳流稳压成直流电，再将其输入蓄电池中储存。

2.2 风力发电机及风电控制系统

风力发电机是将风能转换为非稳压形式的电能，当风力达到2～3级或以上时，发电机进入工作状态。风力发电机的发电效益极大程度上取决于发电机安装位置的风力情况，在安装实地进行气象测量得到风速持续曲线。随着风速的增高输出功率也随之增大，而当风速持续升高，系统可以通过调节叶片间距或其他方法将输出功率稳定在额定值进行工作。再通过风电控制器稳流稳压后，转化为直流电给蓄电池充电储能。风电控制器专为风力发电机控制和蓄电池充电而设计，智能监测风力发电机所发的电能并对其进行调节和控制，采用PWM 无极卸载方式控制风机对蓄电池进行智能充电及保护。风力发电机采用启动风速低的无齿轮、直驱式、低转速稀土永磁转子发电机，最大功率跟踪智能型微处理风能控制器，有效调节电流电压，性能要求符合国家及行业相关规定。功率选择依据年平均风能气象条件及负载和电池组大小等参数进行容量设计，保证风力发电机、蓄电池和负载等匹配良好。

2.3 储能蓄电池及BMS电池管理系统

蓄电池组结合BMS 电池管理系统进行储存和调节电能，实时监测调控各电池电量及充电循环次数、充电时间等。同时具有充放电多重保护、短路保护、电池均衡、休眠模式等功能，有效调节太阳能和风能之间的协作互补，保证电池和负载之间电能的储备及匹配。当太阳能或者风力充足时，产生的电能均通过蓄电池储存起来，满电量时切断充电回路，保护电池组。通过蓄电池进行供电（比如电动阀门、水位计、流量计、监测系统、远程通信系统、照明系统）；当电池组电量下降时，风能和太阳能自动浮充，保证电池组电量稳定。电池组优先采用太阳能专用胶体蓄电池与三元锂电池。

BMS电池管理系统可有效保障各蓄电池的长久安全使用，时刻监控各电池的使用状态，通过控制箱人机交互界面直观显示实时电量及充电循环次数、充电时间、低电量报警等状态参数，具备充放电多重保护、短路保护、电池均衡、低功耗输出、休眠模式等功能。当光照风力强度与供电设备负荷大小等外部工作环境发生变化时，系统也会对蓄电池的工作状态进行相应的切换与调整。满足现场各种情况，保证整个系统工作的稳定性、安全性、连续性。

2.4 PLC综合控制箱

风光互补供电系统通过PLC 综合控制箱控制能量采集与转换模块达到能量采集的最大化，同时还对整套系统进行全面的监控管理，是整套系统的核心。风光互补系统通过太阳能板和风机进行能量的收集，所以系统的发电效率会随着实时环境气候发生变化。当系统处于非正常运行工况时，控制系统会随之做出调整。当实时风速超过设计风速，系统将控制风机停止工作，保证设备安全。当实时风能与光能充足，系统发电量大于负载耗电量和蓄电池充电量时，控制系统会接通卸荷器电路，消耗多余发电量；当工作状态发生异常，线路短路，控制器会切断充电电路，保护系统安全。系统还会检测工作点输出电流和电压值，来判断当前工作状态并影响输出电流来实时调节。

2.5 直流电机及控制系统

直流电动电装为全智能型非侵式，防护等级IP68；采用专用永磁无刷直流电机，矢量控制，具有优良的伺服特性－无级调速功能，实现输出转速的任意调整。直流电装电源工作电压范围大，可在额定电压±20%波动范围下正常工作，通过人机交互界面设置电机转速及电流来改变输出力矩的大小，并且开向和关向均可独立设置不同的过扭矩保护值（超载荷保护值），满足不同工作情况的要求。

2.6 流量、液位采集系统

流量、液位采集系统流量计通过PLC编程控制箱进行供电并双向传输信号，经无线通信系统将数据传输至远控云平台进行实时监测。流量计可依据实际应用场合选用电磁流量计、雷达流量计或超声波流量计。

2.7 无线通信及远程管控系统

黄家湾水利枢纽工程项目位置为偏远山区，河流流向跨度较大，河流沿线更是人迹罕至，人工采集数据和智能化控制难度较大，其中包括电站、闸、泵等自动控制、水量监测、工程安全监测、水雨情监测、视频监视等。

在水利信息网系统中，网络传输作为数据采集与应用支撑、数据中心、应用服务的核心枢纽，为水利信息数据提供高速传输通道，其中网络传输又分为无线网络和有线网络。

2.8 安防报警及视频监控

安防报警系统及视频监控系统用于保证灌区设施运行设备安全。安防报警系统采用红外、微波、移动侦测等三种方式保障采集信号的准确性，通过PLC综合控制箱对安防报警系统及视频监控系统进行供电。

监控系统为适应工况，采用自适应能力较强系统，即使网络环境丢包率达到20%时，仍然能够进行监事视频传输。

3 结语

随着风光互补直流发电设备及控制系统在国内的飞速发展与技术成熟，采用风能和太阳能相结合进行发电的形式可以充分利用各种能源，实现了能量的互补，环保绿色。使得研究风光互补供电系统对闸门、阀门进行供电也更有意义。

风光互补直流智能测控系统可以解决输水灌区用电设备的设备用电问题，还能兼具信息化自动化功能。为智慧水务运行管理、监测、控制提供硬件基础。对于水库管理者而言，可以在远端实现对整个输水系统的渠道、管线上闸门、阀门等控制单元进行远程控制及监控，还能实时查询监测渠道、管线的水位、流量及实地视频信号。不仅提高了用电设备供电的安全可靠性。为输水工程的安全平稳运行提供了相应的保障，同时有效地降低了建设和运营成本，提高了工程建设进度。为建立工程信息综合查询、工程用水分析系统提供基础数据，将设备控制、水量测量、远程通信、工况监控等功能于一体，通过对设备的远程控制，结合量水设备对水量进行实时控制与监测，对工程用水进行更高效管理，进而达到可控调水，降低人工管理成本。由于无需外接供电，工程的征地移民范围减小，可有效减少征地移民方面的工作问题。而风能光能作为可再生能源绿色环保、节能节约，由此产生的环境、生态效益不言而喻。