风光互补供电系统在黄家湾输水工程中的试验研究_田均兵.pdf

2023.No.4收稿日期：20221010基金项目：贵州省水利科技项目 风光互补自供电智能测控系统在输水工程中的应用研究 科研课题（KT201910）作者简介：田均兵（1991），男，硕士，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。摘要：风光互补供电系统可以充分利用风能及太阳能，从而为输水工程中的金属结构设备提供安全、稳定、可靠的电力能源，有效解决传统供电方式的各种弊端。针对黄家湾输水工程区域太阳能、风能的分布差异，可以有效利用风能及太阳能的互补特性，提高发电效率。通过工地现场风光互补供电系统的应用研究，验证了该系统的安全可靠性，也可为今后类似项目提供借鉴。关键词：风光互补；闸阀供电；输水工程；现场试验中图分类号：TV672；TK519；TK89文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0107-05DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.028Experimental Study on Wind-solar Complementary Power Supply Systemin Huangjiawan Water Transmission ProjectTIAN Jun-bing，YANG Tian，XIE Chen-xi（Guizhou Water&Power Survey-Design Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China）Abstract：The wind-solar complementary power supply system can make full use of wind and solar energy，so as to providesafe，stable and reliable power energy for the metal structure equipment in the water transmission project，and effectivelysolve various drawbacks of the traditional power supply.According to the distribution difference of solar energy and windenergy in Huangjiawan water transmission project area，the complementary characteristics of wind energy and solar energycan be effectively used to improve power generation efficiency.The safety and reliability of the system are verified by theapplication research of the construction site wind-solar complementary power supply system，which can also providereference for similar projects in the future.Key words：wind-solar complementarity；power supply for gate valve；water transmission project；field test山区大型输水工程具有线路长、建筑物类型多、所处地理位置偏僻、人烟稀少等特点1。控制线路相关节点的阀门、闸门等数量众多且分布较为分散，单个电动闸阀容量小且使用频率低2。闸阀的启闭若采用传统供电方式存在成本高、建设周期长、安全可靠性低、交通不方便、主变空载损耗大及后期运行成本高等问题1，而风光互补供电系统为解决上述问题提供了一种更为可行、可靠且优越的方案。风光互补供电系统是利用风能及太阳能互补发电形式，结合BMS电池管理系统，将自然能源转化为电能储存在蓄电池组3，为输水线路上的金属结构设备提供电能。该系统充分考虑了风能和光能的差异特性，弥补了2种资源独立发电时存在的不平衡性、不稳定性，可实现昼夜互补、季节互补，可为偏远山区提供安全可靠、成本低廉且环保的电力能源。本文以风光互补供电系统在黄家湾输水工程工地现场的试验研究，测试风光互补供电系统对金属结构设备供电的安全、可靠、稳定性，也为今后类似工程项目提供试验思路及实例参考。1工程概况1.1工程总体情况黄家湾水利枢纽工程位于安顺市紫云县境内，为城乡供水、农业灌溉及发电服务，多年平均供水量为 9 321 万 m3/a，坝后电站总装机容量为 24 MW。黄家湾水库正常蓄水位1 055 m，死水位1 035 m，总风光互补供电系统在黄家湾输水工程中的试验研究田均兵，杨田，谢晨希（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550002）海河水利1072023年4月库容15 720万m3，工程等别为等，工程规模属大（2）型4。其中，输水工程由1条干渠、3条支渠、2条乡镇供水管线、1条猫营工业园专用供水管线及泵站等渠系建筑物组成，输水线路总长为115.502 km，建筑物类型包括渠道（箱涵渠道及明渠）、隧洞、倒虹管、渡槽、泵站、水池、管线等。本工程输水型式有渠道、渠系建筑物和供水管道，所涉及的闸、阀及流量计主要有以下几种类型：检修阀；排气补气阀；泄水阀；分水阀（放水阀）；流量计；节制闸；拦污栅；检修闸门；放空冲沙阀等，其中排气补气阀为自动工作无需用电。1.2工程区域内风能与太阳能情况黄家湾水利枢纽工程地处贵州省西南部的麻山地区，属亚热带季风性湿润气候。根据近5 a来紫云县气象站的风速观测数据，计算黄家湾工程区域内的平均风速，结果详见表1。根据近 5 a来紫云县气象站的日照观测数据，计算黄家湾工程区域内的平均日照时间，结果详见表2。表1黄家湾工程区域各月及季度平均风速统计项目当月平均风速当季平均风速冬季12月1.912.061月2.032月2.23春季3月2.162.164月2.215月2.11夏季6月1.781.637月1.498月1.6秋季9月1.71.810月1.7711月1.94表2黄家湾工程区域各月及季度平均日照时间统计项目当月平均日照时间/h当月平均日照时间占比/%当季平均日照时间/h当季平均日照时间占比/%冬季12月58.184.81185.9215.41月74.686.182月82.226.80春季3月127.1210.52345.828.64月136.4611.295月92.687.67夏季6月151.9812.58391.2832.47月146.6212.138月105.788.75秋季9月92.367.64285.3623.610月87.227.2211月53.064.39根据以上风速及光照统计数据，经对黄家湾工程所在区域的风、光能资源进行初步分析可知：区域内风、光能资源在贵州省属于较为丰富的地区，尤其在夏季可利用的光能资源丰富且稳定，但秋、冬季节较为匮乏；风能资源虽具有冬春优于夏秋的季节性差异，但并不显著。从工程风光互补的角度出发，可利用风、光能的分布差异，春夏季以光能发电为主、风能为辅，冬春季采取风光互补模式进行供电。2试验理论2.1风能转换公式风力发电功率计算公式为5：P=E A Cp（1）式中：P为发电功率（W）；E为风能密度（W/m2）；A为风轮面积（m2）；Cp为风轮效率，取0.593。采用近 5 a 风力数据计算，得出平均功率 P=5.33 W。风机的发电量计算公式为：Wf=P10-3T（2）式中：Wf为单个风机的发电量（kWh）；T为小时数（h）。本次试验采用三叶片小型风力风机，经计算，其平均发电量为46.72 kWh/a。2.2太阳能转换公式太阳能电池板的发电量按下式计算5：Wg=A FAiN（3）式中：Wg为单个太阳能电池板的发电量（kWh）；A为太阳能电池板面积（m2）；FA为太阳能总辐照量（kWh/m2）；i为转换效率（%）；N为损耗率系数，一般取0.70.8。本次试验太阳能板采用单晶硅板，单块光伏板的尺寸为2 m1.6 m，组件转换效率为18%20%。经计算，单块太阳能光伏板的平均发电量为1.62 kWh/d，在试验过程中按照实际情况配置光伏板以满足设备的用电需求。3现场试验方案3.1试验目的根据黄家湾水利枢纽输水工程项目的基础要求，结合实际建设进度情况，选择风光互补供电系统在平面钢闸门+卷扬启闭机、铸铁闸门+螺杆启闭机、弹性座封闸阀 3 种典型金属结构设备中的实际安装运行工况进行现场试验，以测试风光互补供电系统对金属结构设备供电的安全、可靠、稳定性。3.2试验点位选择在兼顾项目施工进度、交通便利、现场试验方便、后续安防安全等条件下，最终选定 3个试验点位，具体布置及相关设备详见表3。田均兵，杨田，谢晨希：风光互补供电系统在黄家湾输水工程中的试验研究m/s1082023.No.43.3试验方案设计3.3.1弹性座封闸阀（水宗支渠后段分水阀）试验方案设计该试验点分水阀为DN200 mm，采用管道、闸阀进行试验，阀门前段试验管道长105.751 m、后段试验管道长 6 m，在管道进口采用钢管三通，主口封闭，通过三通口加压泵注水，管道出口封闭。在原阀室外增加一个风光互补供电系统的塔台基础，该基础为 C25钢筋混凝土埋地结构，尺寸为 1.6 m1.5 m1.05 m（长宽高），结合阀室与镇墩的结构进行布置，与镇墩之间采用插筋连为一体，上部为2块太阳能光伏板和1台小型风力发电机，通过塔杆及底部法兰与基础连接，并在塔杆固定底法兰中接入 1根 DN50 mm的 PVC穿线管将电缆线接至闸阀室内电池组箱及阀门处，具体设计如图1所示。序号123部位水宗支渠后段分水阀水宗支渠新田倒虹管进口闸门段松白支渠1#节制闸金结设备类型/型号规格弹性座封闸阀（包含直流阀门电装）/Z945X-16 DN200 mm铸铁闸门和螺杆启闭机/LQ50/30 kN-3 m平面钢闸门和卷扬启闭机/QP280 kN-8 m单台设备功率/电源电压0.55 kW/48VDC1.5 kW/48VDC7.5 kW/84VDC光伏太阳能电池板320 Wp/2块320 Wp/2块320 Wp/3块风力发电机200 W/1台200 W/1台200 W/1台铅酸蓄电池组胶体120 Ah/12 V，共4块胶体150 Ah/12 V，共4块胶体120 Ah/12 V，共7块表3现场试验点位选择图1弹性座封闸阀试验方案设计3.3.2铸铁闸门和螺杆式启闭机（水宗支渠新田倒虹管进口拦污栅、检修闸门）试验方案设计该试验点为新田倒虹管进口段拦污栅、检修闸门，采用铸铁闸门进行试验，闸门前段试验渠道长5 m、后段试验倒虹管连接段长13.8 m，在明渠进口和倒虹管连接段管道进口进行封闭，通过往明渠注水开启铸铁闸门后，在连接段抽水重新注入前段明渠进行循环用水。该试验段在闸门启闭机室的结构设计中增加风光互补的设计内容，主要为：在屋顶增设2块太阳能光伏板和1台小型风力发电机，底部与屋面板梁采用法兰固定，风光互补的智能测控系统PLC综合控制箱布置在启闭机层室内墙壁上，电池组放置在墙角合适位置处，具体设计如图2所示。风机太阳能板监控摄像仪塔杆固定底法兰PLC综合控制箱塔台基础镇墩闸阀室穿线管电池组箱海河水利1092023年4月3.3.3钢闸门和卷扬式启闭机（松白支渠1#渠道节制闸）试验方案设计该试验点为松白支渠1#渠道的节制闸，采用钢闸门进行试验，闸门前段试验渠道长20 m、后段试验渠道长5 m，在箱涵渠道进口和出口进行封闭，通过往进水连接池抽附近河沟水后，开启节制闸，在出水连接池抽水重新注入进水连接池进行循环用水。该试验段闸门启闭机室的风光互补结构设计与水宗支渠新田倒虹管闸门启闭机室的设计方案基本相同，具体设计如图3所示。图2铸铁闸门和螺杆式启闭机试验方案设计图3钢闸门和卷扬式启闭机试验方案设计太阳能板风机固定法兰电池箱PLC综合控制箱螺杆式启闭机铸铁闸门倒虹管进口段拦污栅太阳能板风机固定法兰电池箱PLC综合控制箱卷扬式启闭机钢闸门节制闸室田均兵，杨田，谢晨希：风光互补供电系统在黄家湾输水工程中的试验研究1102023.No.44现场试验情况及结果本次现场试验分为充电试验及放电试验2种，其中充电试验分为以下3种工况：日照条件较好，每天日照时间大于4 h，主要以太阳能发电为主；日照条件一般，每天平均光照1 h左右，以太阳能和风能互补方式发电；日照条件较差，基本是无光照的间歇性阴雨天，以风能发电为主。以上充电过程均为在标准设备正常供电且每天进行3次左右启闭试验的基础上进行，记录电池从电量约25%情况下充电至100%所需的天数。放电试验为电池电量达到100%后，在夜间无风力发电、光伏发电补充的情况下进行的闸阀启闭试验，记录电池电量下降至25%左右时闸阀的启闭次数。现场试验并记录了从2020年7月17日2020年10月3日的现场试验情况，根据155份试验数据、490余次的闸阀及配套设备工作记录，结合试验时间段的天气情况，得出最终各试验点位的试验结果，详见表4。表4各试验点位现场试验结果试验类型充电试验/d放电试验/次试验工况一试验工况二试验工况三弹性座封闸阀点位3584050铸铁闸门+螺杆式启闭机点位3583540钢闸门+卷扬式启闭机点位46103035以上试验结果表明，现场试验情况与项目设计理论及前期试验基本一致，可满足在任意天气状况下所有配套设备均正常工作使用的需要。通过工地现场对风光互补供电系统的试验，验证了该系统为金属结构设备供电的安全、稳定及可靠性，为风光互补供电系统在黄家湾输水工程中的推广应用提供了有利的技术支撑。5结语（1）我国的风能、太阳能资源具有储量大、清洁环保、无污染、可持续利用等特点。风光互补供电系统因其对风能和太阳能的综合利用而具有较高的稳定性及可靠性，可替代传统的供电方式，具有较高的社会、经济、环境、生态效益。（2）黄家湾输水工程所在区域的太阳能具有显著的季节差异，春夏季节较为丰富，秋冬季节较为匮乏，但风能季节性差异不明显，可利用风能、太阳能的分布差异，实现对风能和太阳能的最大化利用。（3）通过对工地现场风光互补供电系统在3种典型金属结构设备中的试验应用研究，表明该系统在任意天气状况下所有配套设备均可正常工作使用，具有较高的安全可靠性，能够满足工程现场需求。（4）黄家湾输水工程风光互补供电系统现场试验研究可为今后类似项目提供可借鉴的工程实例及试验思路。参考文献1 谢晨希，李明卫，李云峰.风光互补供电系统的推广应用J.河南水利与南水北调，2021（1）：36-37，42.2 谢晨希，吴擎文，何伟.黄家湾灌区风光互补直流系统设计布置J.河南水利与南水北调，2021（2）：23-24.3 易吉林，谢晨希，谢涛.某水库风光互补直流系统应用的必要性分析J.河南水利与南水北调，2021（3）：17-18，47.4 易吉林，谢晨希，王梦琦.黄家湾水利枢纽灌溉及供水调度方案分析J.山东水利，2022（1）：59-61.5 谢晨希，易吉林，王宇.黄家湾当地风能光能资源能量转换研究J.陕西水利，2021（2）：5-7，12.（5）杨公岩水库工程淹没占地小，影响人口少，移民问题难度较小。工程建设对环境的不利影响是暂时性的，可以通过一定的预防和补偿措施加以减少和改善。参考文献1 王继辉.贵州暴雨洪水计算综述J.贵州水力发电，2000（1）：1-6.2 王继辉，郭履维，鹿坤.贵州特小流域暴雨洪水计算J.贵州水力发电，1995（3）：54-60.3 王海政，杨振立，丁大发，等.西霞院反调节水库工程规模论证J.人民黄河，2000（5）：27-29.4 张家松.东湖水库径流和径流调节计算与分析J.陕西水利，2022（4）：39-41，45.5 赵蕾.综合利用水库径流调节简便计算方法应用分析J.广东水利水电，2021（11）：63-66，73.6 程茜.乌斯通沟水库坝型比选分析J.吉林水利，2022（8）：46-49.（上接第44页）海河水利111