胡平阳
长江水利委员会网络与信息中心 湖北 武汉 430010
摘要：本文针对水利工程中供电问题展开探究，将风能和太阳能集中到一起，开发风光互补发电系统，将该系统应用到某水利工程水闸作业状态视频监控系统开发中，从而检验该系统的供电性能。应用结果表明，该系统连续供电性能较好，对水利工程经济效益的提升具有一定帮助。
关键词：风光互补发电系统；经济效益；水利工程
近年来，我国加大了水利工程建设投资，在多个地区大范围建设水利工程，以达到带动地区经济发展的目的[1]。由于水利工程建设环境较为特殊，电网布设难度较大。为了满足工程建设对电能的需求，我国推出了开发自然能源作为工程供电能源发展策略2]。风能和光能作为我国两大重要自然能源，经过转换处理生成电能的应用案例逐渐增加[3]。由于单独的能源有限，为了尽可能满足水利工程建设对能源的需求，本文提出风光互补发电系统的应用研究。
一、风光互补发电系统及作业原理
风光互补发电系统主要由风机发电、光伏发电两部分组成。其中，风机发电模块，在风机控制器作用下，对风电机组作业状态进行有效控制，从而实现风能向电能的转化。该模块的核心设备包括永磁同步发电机、无刷双馈发电机，当风机转速发生变化时，风机作业频率和电压随之改变，存在正相关关系，与DC母线连接，开启作业模式；后者作业时与AC母线连接，实现控制器与电机之间的有效控制。关于光伏发电模块的开发，利用功率控制器和光伏电池阵列等元件组成，选择DC-DC变换器作为连接装置，建立电池阵列与DC母线的连接，实现光伏发电，将电能存储在蓄电池中。DC系统中风机控制与光伏控制器并联，由充电控制器进行风光电电能利用控制。如图1所示为风光互补发电系统原理图。
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图1风光互补发电系统原理图
图1中绘制了光伏控制器、风机控制器的电气连接线路，该线路中利用充放电控制器控制风能和电能的存储与应用。除了向工程提供电能以外，剩余电能存储在蓄电池中，在特殊天气为工程提供电能。
二、风光互补发电系统在野外视频监控工程中的应用试验
1、工程概况
某水利工程修建在野外，工程作业比较复杂，必须实时掌握水利工程中各个闸门作业情况。以往开发的水利工程闸门监控系统都是采用自动化控制技术，自动采集闸门作业状态信息，将此信息发回监控中心，而后下达管理命令。然而，水利工程实施期间可能出现报错情况，所以用画面监控来辅助监视工程现场显得尤为重要。本研究通过构建水利工程水闸作业状态视频监控模块，更加精准地掌握工程现场水闸作业状态信息。由于水利工程所处环境较为复杂，加大了电网布设难度，所以本研究尝试将风光互补发电储能系统应用其中，作为供电工具。
2、应用试验方案设计
风光互补发电系统在水利工程闸门视频监控中的应用，主要是利用视频监控模块采集工程现场闸门作业状态视频信息，模拟工作人员在现场查看情景，通过无线通信装置，将采集到的视频信息传输至监控中心。而现场终端的连续供电成为了系统正常作业的难题，风光互补发电储能系统在此应用中起到的是连续供电作用。如图2所示为风光互补发电系统应用现场。
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图2风光互补发电系统应用现场
（1）结构布置
1）主要参数
水利工程中水闸流量大小为10.0m3/s，水头长度2.3m，校核流量11.0m3/s。
发电系统中，选择型号为HY-400L风机作为发电工具，该工具作业功率为400W，上口径、下口径分别为，风杆高度为8m，壁厚4.5mm。其中，风杆杆底利用地脚螺栓固定。太阳能电池板选择H-Power类型装置，以此提高太阳能利用效率。
2）适用条件
本次试验搭建的系统支持野外设备作业供电，能够在人烟稀少的环境下为电力工程中水闸作业状态视频监控提供电能。其中，试验环境太阳能年辐射总量范围4190～5016MJ/m2·年，风速平均值大约4m/s。
3）风光互补发电装置在工程中应用的结构布置
在距离地表面4.5m高处建设供电控制储能层，在该层布设风、光电发电控制、输电转换、无线传输设备、电池组和控制箱等。在地表6米的高程布设太阳能电池方阵，高程8m顶部设立风机。
（2）野外环境下水闸作业状态视频监控系统
本系统利用射频监控设备采集水利工程现场水闸作业状态视频信息，通过无线网络通信模块，将视频信息发送至监控中心。为了保证画面清晰度，将清晰度设置为高清画面，配备4G网络，实现大视频文件的实时传输。关于现场视频监控终端的供电模块设计，利用到本文提出的风光互补发电系统，利用该系统中的控制器，对工程环境中的风能和太阳光能进行收集，将其转换为电能。其中一部分电能为监控终端供电，富裕部分电能存储在蓄电池中。
三、应用试验结果分析
1、系统运行概况
本次应用测试在2020年10月进行，将调试后的系统应用在水利工程中，采集试点A、试点B、试点C水闸作业状态视频信息，经过长达15天的测试，对系统的运行状况进行评价：（1）系统可以连续作业，支持无间断供电。15天测试期间中存在3天连续阴天、风力较弱情况，系统供电正常；（2）系统作业稳定，采集到的视频画面达到高清画质要求，信号稳定。
2、野外视频监控测试结果分析
本次试验分别测试试点A、试点B、试点C的供电状态和蓄电池剩余电量，结果如表1所示。关于野外视频监控画质的测试如表2所示。
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表2中，各个试点采集到的水闸视频信息皆达到了高清标准。所以，该装置的应用可以为水闸作业状态判断提供可靠信息。
3、经济效益分析
风光互补发电系统在水闸作业状态视频监控中的应用，起到了连续稳定供电作用，实现了水闸作业现场连续不间断视频监控，及时发现了水闸异常问题，对水利工程的经济效益提升帮助较大。据统计，2020年及时发现3次水闸异常问题，挽回高达500万左右的经济损失。由此看来，此发电系统对于野外监控装置的稳定供电帮助较大，可以作为水利工程建设中供电装置的首要选择。
总结
风光互补发电系统是一种高效能源转换装置，可以将自然环境中的太阳光能和风能转换为电能，对水利工程野外特殊建设环境的供电帮助较大。本文以某水利工程为例，探究风光互补发电模块在工程中的水闸视频监控系统中的应用研究。应用结果表明，本系统可以为水闸视频监控装置连续提供电能，并且能够有效存储多余电能，符合水利工程建设供电需求。
参考文献
[1]姚吉,陈子坚,冯红岩,等.可移动式风光互补发电实验实训系统设计与研究[J].实验技术与管理,2019,36(7):87-92.
[2]应飞祥,张恩睦,李琰,等.含风光互补的独立发电系统可靠性评估[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2019,223(6):77-87.
[3]戴嘉彤,董海鹰.基于抽水蓄能电站的风光互补发电系统容量优化研究[J].电网与清洁能源,2019,239(6):80-86.
作者简介：胡平阳（1969-04），男，汉族，湖北省荆门市人，工程师，本科，长江水利委员会网络与信息中心，研究方向：水利信息化运行管理