劉曉建，劉富堂，宋艷艷

（蒙陰縣水利局，山東 蒙陰 276200）

蒙陰縣是典型的山區(qū)縣，總面積1 601.6 km2，山丘區(qū)面積占總面積的94%。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，冬季風(fēng)為西北風(fēng)，從10月中旬開始到12月達(dá)到全盛期，至4月中旬消失。夏季風(fēng)為東南風(fēng)，從6月中旬開始，7月進(jìn)入極盛期，9月初結(jié)束。蒙陰縣屬太陽能資源較豐富區(qū)域，年總輻射量504.2 kJ/cm2，年平均日照數(shù)2 469.4 h,平均峰值日照射數(shù)4.14 h，日照率55.7%。

1 工程概況

蒙陰縣蘇家溝風(fēng)光互補(bǔ)供電提水蓄能節(jié)水灌溉工程，是一處集清潔能源開發(fā)、高效節(jié)水灌溉建設(shè)于一體的現(xiàn)代水利示范工程，是水利生態(tài)文明建設(shè)與水利科技示范重點(diǎn)項(xiàng)目。該風(fēng)光互補(bǔ)供電提水蓄能系統(tǒng)，主要由點(diǎn)源、提水設(shè)備、輸水管道和高位蓄水池等組成，將太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地組成一個(gè)系統(tǒng)，有效利用太陽能和風(fēng)能在能量及時(shí)間上的互補(bǔ)性，最大限度地利用太陽能和風(fēng)能進(jìn)行提水蓄能。該工程實(shí)施節(jié)水灌溉面積達(dá)573 hm2，其中包括蘋果 260 hm2、蜜桃 186 hm2、雜果 127 hm2。

2 工程總體設(shè)計(jì)

該工程建設(shè)內(nèi)容主要由3部分組成：一是電源系統(tǒng)，即風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，有弦弧式垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池方陣、匯流保護(hù)裝置、太陽能及風(fēng)能充放電控制器、超級(jí)能量采集器、太陽能專用蓄電池組、控制柜等組成；二是提水系統(tǒng)，有離網(wǎng)型光伏逆變電源和高性能潛水泵或離心泵、水泵控制器、控制柜等組成；三是輸水管道系統(tǒng)，主要有PE管輸水管道、高位蓄水池、單相閥等組成。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：1）提水高差78 m，最大提水量約20 m3/h,一般日均提水量100 m3。2）蓄電系統(tǒng)儲(chǔ)能達(dá)到13.2 kW·h，系統(tǒng)平均無故障時(shí)間大于1萬h。3）抽水蓄能高位水池容積大于1 000 m3。

3 主要設(shè)備性能要求

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

根據(jù)項(xiàng)目工程區(qū)域內(nèi)的風(fēng)能資源，選用當(dāng)前水平軸風(fēng)力發(fā)電最新技術(shù)機(jī)型，其具有啟動(dòng)風(fēng)速低、自動(dòng)對(duì)風(fēng)向等優(yōu)點(diǎn)。由3個(gè)風(fēng)葉、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾翼?xiàng)U、尾翼、充電控制器和卸荷裝置等構(gòu)成。風(fēng)輪直徑為4.2 m，啟動(dòng)風(fēng)速小于3 m/s，安全風(fēng)速大于25 m/s，輸出額定交流電壓220 V，額定功率為2 000 W。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由4臺(tái)2 000 W水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，形成一小型風(fēng)力發(fā)電場，與太陽能方陣互補(bǔ)發(fā)電，滿足提水蓄能灌溉的需要。

3.2 太陽能電池方陣

太陽能電池的輸出伏安（V-I）特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。在光伏系統(tǒng)中，負(fù)載的匹配特性決定了系統(tǒng)的工作特性和太陽能電池的利用效率。為確保太陽能電池供電系統(tǒng)得到最大功率，根據(jù)最大功率（MPPT）跟蹤法，必須跟蹤日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負(fù)載阻抗的大小，從而達(dá)到陣列與負(fù)載的最佳匹配。

對(duì)太陽能電池陣列而言，應(yīng)按照負(fù)載的用電量及技術(shù)要求，確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)是由太陽能電池陣列的電壓決定，并應(yīng)考慮蓄電池的浮式充電、線路損耗壓降等。蓄電池的容量決定了其最大充電電流，該數(shù)值再結(jié)合負(fù)載電流，可決定太陽能電池的并聯(lián)數(shù)量。

蒙陰縣屬太陽能資源較豐富的區(qū)域。根據(jù)近20年氣象資料統(tǒng)計(jì)，蒙陰縣6—10月份期間連續(xù)陰雨天數(shù)為4 d，陰雨天與晴天的比例約為4∶3。由于采用風(fēng)光互補(bǔ)供電方式，光能和風(fēng)能的貢獻(xiàn)比例設(shè)計(jì)為7∶3。太陽能電池組件的功率通過計(jì)算可得為84.2 W。

根據(jù)蒙陰區(qū)域內(nèi)平均日照強(qiáng)度和日照量，按日累計(jì)提水量100 m3，最大提水流量20 m3/h和揚(yáng)程78 m的設(shè)計(jì)要求，該工程選用高效270 W轉(zhuǎn)換效率為15.2%的多晶硅太陽能電池組件40只，組成太陽能電池方陣，方陣二組尺寸均為20.0 m×2.0 m×0.04 m,額定工作電壓360 V，額定工作電流30 A。

3.3 充電控制器和匯流控制保護(hù)裝置

1）風(fēng)電控制器?？刂颇K由微電腦控制，采用低損耗器件和靜態(tài)開關(guān)技術(shù)，具有獨(dú)特的前級(jí)斬波卸荷功能、分級(jí)卸荷功能和超速自動(dòng)剎車功能，使發(fā)電機(jī)和后續(xù)電路及負(fù)載得到多重保護(hù)。其特別設(shè)計(jì)了同時(shí)具備BUCK和BOOST兩種功能的穩(wěn)壓電路，可在5～75V的超寬電壓范圍內(nèi)輸出與系統(tǒng)相匹配的電壓值，即使風(fēng)機(jī)在較低或超高的風(fēng)速下，都可以為蓄電池進(jìn)行充電，使風(fēng)能得到更加充分的利用。另外，還針對(duì)鉛酸蓄電池充電特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用充電控制電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的三階段充電智能化管理，大大延長了蓄電池的使用壽命。

2）太陽能充電控制器。太陽能電池的輸出特性隨著光照強(qiáng)度、溫度等自然條件的改變，最大輸出功率點(diǎn)也相應(yīng)改變。為提高光伏發(fā)電效率、降低成本，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須考慮最大功率點(diǎn)的跟蹤問題。為跟蹤光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，依據(jù)太陽能電池的V-I和P-V輸出特性，采用“一點(diǎn)法和雙閉環(huán)控制”的思路，采用了大功率智能光伏控制器，其額定電壓DC360V,最大充電電流60 A，太陽能充電輸入4路，具有過放、過充、過壓、過流和短路等保護(hù)功能。

3）匯流控制保護(hù)裝置。匯流保護(hù)模塊是將太陽能電池方陣和風(fēng)力發(fā)電場并接在一起，實(shí)現(xiàn)匯流后給儲(chǔ)能裝置充電，各路之間相互隔離，防止電流反串而損毀設(shè)備，同時(shí)還具有保護(hù)功能，能有效地消除系統(tǒng)中的共模和差模干擾。

3.4 SL-SNB專用離網(wǎng)型光伏逆變器

SL-SNB離網(wǎng)型正弦波光伏逆變電源，是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電提水灌溉的專用設(shè)備。

逆變電源采用雙MCU控制智能化運(yùn)作模式。先進(jìn)的正弦波脈寬調(diào)制（SPMW）技術(shù)，全橋式純正弦波逆變器設(shè)計(jì)，諧波失真小；具有變頻軟啟動(dòng)功能；輸入電壓范圍寬，具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能；交流旁路設(shè)計(jì)，維護(hù)方便。

3.5 超級(jí)電容和免維護(hù)蓄電池混合儲(chǔ)能裝置

1）超級(jí)法拉電容。超級(jí)電容具有超低串聯(lián)等效電阻、充放電方式簡單和超長壽命的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用100 F/54 V超級(jí)電容作為風(fēng)力發(fā)電的前級(jí)能量采集，可大大提高風(fēng)能利用率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率。

2）太陽能專用蓄電池。根據(jù)超級(jí)法拉電容和免維護(hù)蓄電池不同的優(yōu)勢(shì)，本次采用250F/54V作為前級(jí)的能量采集器，配以高性能的DC-DC開關(guān)電源升壓模塊，大大提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能的利用率。即使在微風(fēng)或陽光不充足的情況下，仍可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能產(chǎn)生的毫安級(jí)弱電流儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，經(jīng)升壓模塊將超級(jí)電容中電能轉(zhuǎn)換后，對(duì)后級(jí)的儲(chǔ)能裝置充電。

4 工程施工

1）風(fēng)力發(fā)電風(fēng)場選擇。風(fēng)速分布有很強(qiáng)的地形依賴性，不同的地形可加速或阻礙空氣的流動(dòng)。為獲得較高的風(fēng)能資源，在利用常規(guī)氣象資料計(jì)算風(fēng)力資源的總體資料外，還需結(jié)合施工地點(diǎn)，科學(xué)選擇風(fēng)力機(jī)安裝場址。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，蒙陰縣蘇家溝屬于地形復(fù)雜的山脊隆升地形和山谷低凹地形。綜合考慮風(fēng)向、地形等多種因素，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池方陣、充電控制器、匯流保護(hù)裝置，安裝在山肩的蓄水池附近，通過電纜送至泵房的混合儲(chǔ)能裝置、潛水電泵控制器和電泵。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝于高7.5 m的鐵塔架頂部、太陽能電池方陣固定在鋼支架上。2）太陽能電池方陣安裝。太陽能電池方陣支架采用三角鐵結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為混凝土底座，太陽能電池板面向南方，傾斜角為41°。3）潛水電泵安裝。為方便運(yùn)行管理，在水源處建設(shè)小型泵房1處，水泵及有關(guān)控制部件均安裝在泵房內(nèi)。4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝。風(fēng)力發(fā)電機(jī)豎桿為220 mm鍍鋅錐形塔架，管長7.5 m，壁厚4 mm，底座直徑460 mm。底座基礎(chǔ)嵌入堅(jiān)硬的基巖中，埋入地下不小于1 100 mm。5）其他設(shè)備安裝。其他設(shè)備安裝應(yīng)滿足水利機(jī)電工程安裝的規(guī)范性要求，施工人員必須具備相應(yīng)的資質(zhì)，持證上崗，工程安裝質(zhì)量符合ISO9001質(zhì)量體系規(guī)范。