海島微網(wǎng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

譚茂強，鄧長虹

(1.廣東省電力設(shè)計研究院，廣州市510663;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市430072)

0 引言

我國300多萬km2海疆分布著上萬個島礁。其中，面積大于500 m2的海島6 500多個，400多個島上有常駐居民［1］。

2011年4月國家海洋局公布我國首批176個可供開發(fā)的無居民海島名錄［2］，拉開科學(xué)開發(fā)無人島序幕。近期，三沙市的成立標(biāo)志著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展將走向海洋并更加關(guān)注海洋資源以及偏遠(yuǎn)海島的開發(fā)。

偏遠(yuǎn)海島電力供應(yīng)有幾種模式，包括大陸聯(lián)網(wǎng)供電、在島上建設(shè)燃油燃?xì)怆姀S、以開發(fā)光伏風(fēng)電等綠色能源為主構(gòu)建海島微網(wǎng)等。

本文結(jié)合國內(nèi)外近年微網(wǎng)研究情況，分析偏遠(yuǎn)海島微電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)問題。

1 海島電力需求及解決模式

海島能源需求大致可分為大型海島群綜合開發(fā)以及小型偏遠(yuǎn)海島2類。

1.1 大型海島群綜合開發(fā)

大型海島群綜合開發(fā)對電力需求總量及可靠性均有較高要求。以珠海萬山群島海洋綜合開發(fā)試驗區(qū)發(fā)展規(guī)劃預(yù)測為例，其電力負(fù)荷增長見表1。

表1 萬山群島電力最大負(fù)荷Tab.1 The maximum power load in Wanshan Archipelago

由表1可見，電力負(fù)荷增長十分迅猛，如何有效解決供電是綜合開發(fā)試驗區(qū)發(fā)展規(guī)劃重點考慮的問題。

舟山群島220 kV海纜及海南島500 kV海纜與大陸聯(lián)網(wǎng)已成功投運，通過海纜與大陸聯(lián)網(wǎng)供電方式無疑是解決萬山群島這類大型能源需求的首選。

萬山群島離大陸20多km，相關(guān)建設(shè)研究單位提出了“依靠島上新能源開發(fā)與大陸海纜聯(lián)網(wǎng)供電并舉”的電力需求解決方案，它是兼顧綠色低碳與供電可靠性兩方面要求的最佳模式。

1.2 小型偏遠(yuǎn)海島

眾多偏遠(yuǎn)小型海島采用海纜聯(lián)網(wǎng)供電不太現(xiàn)實。

首先，這類小島生態(tài)環(huán)境脆弱，不具備大規(guī)模綜合開發(fā)的可行性，因此，能源需求增長緩慢，總量也不大。其次，眾多小島遠(yuǎn)離大陸，海纜敷設(shè)及運行維護(hù)難度較大，采用大陸聯(lián)網(wǎng)供電方式會使經(jīng)濟(jì)效益降低。偏遠(yuǎn)海島電力解決模式較為可行的方案是“以新能源開發(fā)為核心，構(gòu)建‘風(fēng)、光、柴、儲’互補獨立型海島微電網(wǎng)”。

2 微網(wǎng)研究現(xiàn)狀

要搞好海島微電網(wǎng)建設(shè)，需要了解微網(wǎng)概念以及研究現(xiàn)狀。

2.1 微網(wǎng)定義

關(guān)于微網(wǎng)，目前國際上尚無公認(rèn)定義。

美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會對微網(wǎng)的定義是:微網(wǎng)由負(fù)荷和微型電源組成，可同時提供電能和熱量。微網(wǎng)內(nèi)部電源(太陽能、風(fēng)能、儲能設(shè)備等)主要通過電力電子變換裝置接入，并提供必要的控制與通信接口［3］。

歐盟認(rèn)為微網(wǎng)主要特征是利用一次能源、使用微型電源、“冷、熱、電”三聯(lián)供、帶有儲能裝置、采用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)將微網(wǎng)定義為在一定區(qū)域內(nèi)，利用可控分布式電源、根據(jù)用戶需求提供電能的小型系統(tǒng)。

國內(nèi)一些研究機構(gòu)認(rèn)為，微網(wǎng)是一種獨立性很強的分散型電源網(wǎng)絡(luò)，由光伏、風(fēng)力、小水力、生物質(zhì)、燃?xì)饣蛉加桶l(fā)電、燃料電池、蓄電池組等各種組合構(gòu)成的一個區(qū)域自治的電力系統(tǒng)。

分布式“冷、熱、電”三聯(lián)供是“微網(wǎng)”的主要特征，而由微型電源、負(fù)荷和微型配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)更宜稱為“微電網(wǎng)”。

2.2 微網(wǎng)研究進(jìn)程

近年來，微網(wǎng)研究已成為國內(nèi)外工程研究領(lǐng)域最新的前沿課題之一。

2002年，美國電力可靠性技術(shù)協(xié)會最早提出了詳細(xì)微網(wǎng)方案并資助威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校建立了實驗性微網(wǎng)，隨后在俄亥俄州建立了示范型微網(wǎng)。

歐盟近年分別資助了“大規(guī)模集成小型發(fā)電設(shè)備到低壓配電網(wǎng)絡(luò)”及“針對更多微網(wǎng)接入的先進(jìn)構(gòu)架及控制理念”的課題研究。

2003年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)資助了“含可再生能源的區(qū)域性電網(wǎng)”3個示范項目。

我國微網(wǎng)研究雖起步較晚，但已有一批研究文獻(xiàn)面世［4-11］，一批科研項目應(yīng)運而生。

2008年，中日共同實施的“先進(jìn)穩(wěn)定并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)”在杭州電子科技大學(xué)投入使用。

天津大學(xué)在校內(nèi)建成了迄今國內(nèi)規(guī)模最大的微網(wǎng)試驗室。

2009年，浙江電科院建成微網(wǎng)試驗室，并以此為先導(dǎo)承擔(dān)國家電網(wǎng)公司首個海島微網(wǎng)示范項目——東福山島“風(fēng)、光、柴”海水淡化系統(tǒng)。

2011年，廣東省電力設(shè)計研究院與武漢大學(xué)共同投資組建“智能電網(wǎng)試驗室”，并聯(lián)合開展“智能微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計試驗研究”工作。

3 微網(wǎng)特點及分類

3.1 微網(wǎng)特點

微網(wǎng)可提供有效集成分布式電源，可靈活接入或斷開分布式電源，具有“即插即用”能力;聯(lián)結(jié)多個分布式電源的微網(wǎng)增加了系統(tǒng)容量，可有效改善電能質(zhì)量;正常情況下，微網(wǎng)并網(wǎng)運行，由大電網(wǎng)提供剛性電壓和頻率支撐;在上級網(wǎng)絡(luò)故障時，可孤立運行，繼續(xù)保障供電，提高供電可靠性。

3.2 微網(wǎng)分類

微網(wǎng)可按接入電壓等級、輸電方式及應(yīng)用場景3種方法進(jìn)行分類。

按微網(wǎng)電壓等級可分為低壓(380V)以及中壓(35 kV/20 kV/10 kV)系統(tǒng)。

按輸電方式可分為交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)及交直流混合微網(wǎng)。

按應(yīng)用場景可分為海島微網(wǎng)、海油微網(wǎng)、社區(qū)微網(wǎng)及企業(yè)微網(wǎng)。

3.3 微網(wǎng)運行模式

海島微網(wǎng)與海油微網(wǎng)通常多屬典型獨立型微網(wǎng)。社區(qū)微網(wǎng)及小企業(yè)微網(wǎng)更多地采用“單點并網(wǎng)不上網(wǎng)”運行模式。

鋼鐵、化工等大型企業(yè)用電負(fù)荷大、相對集中;生產(chǎn)連續(xù)性強、對供電可靠性和電能質(zhì)量要求高，需要與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。

4 海島微網(wǎng)案例

近年來，國內(nèi)海島微網(wǎng)已進(jìn)入實際探索階段。較有影響的有浙江東福山島“風(fēng)、光、柴”海水淡化系統(tǒng)及珠海東澳島“風(fēng)、光、柴”系統(tǒng)工程。

4.1 東福山島“風(fēng)、光、柴”海水淡化系統(tǒng)工程

東福山島“風(fēng)、光、柴”儲及海水淡化綜合系統(tǒng)工程2011年建成投產(chǎn)，總投資2 300萬元，裝機容量510 kW(每kW單位造價超過4萬元)。項目由國電浙江舟山海上風(fēng)電開發(fā)有限公司投資，浙江電科院組織科研攻關(guān)，華東水利勘測設(shè)計院設(shè)計。

該光伏發(fā)電系統(tǒng)由場地光伏矩陣及屋頂光伏矩陣構(gòu)成，儲能蓄電池布置于電站蓄電池室(主要設(shè)備見表2)，“風(fēng)、光、柴”儲電源設(shè)備經(jīng)交流380 V并網(wǎng)再經(jīng)升壓變及10 kV架空線路送電到島上居民及駐軍，項目還建設(shè)1套海水淡化系統(tǒng)。島上負(fù)荷260 kW，白天基本上由光伏、風(fēng)力發(fā)電及蓄電池儲能協(xié)調(diào)供電，夜晚由人工轉(zhuǎn)為柴油發(fā)電機供電。

表2 東福山島微網(wǎng)工程主要設(shè)備表Tab.2 Main equipments of micro grid project in Dongfushan Island

4.2 東澳島“風(fēng)、光、柴”系統(tǒng)工程

東澳島位于珠海萬山群島中部，以旅游業(yè)及海產(chǎn)業(yè)為主，以前長期采用柴油機發(fā)電。

2010年，珠海興業(yè)太陽能公司與中科院廣州能源所合作投資建設(shè)了1套含1 000 kW光伏發(fā)電、50 kW風(fēng)力發(fā)電、2 000 Ah蓄電池儲能以及原有4臺柴油發(fā)電機(共約 1 000 kW)的海島微電網(wǎng)系統(tǒng)。

東澳島微網(wǎng)利用原有0.4 kV和10 kV 2級電網(wǎng)供電，孤網(wǎng)運行。

柴油發(fā)電機在蓄電池儲能系統(tǒng)低于蓄電池額定容量的50%時才投入并網(wǎng)運行，實際運行時柴油發(fā)電機很少起動。

該項目利用可再生清潔能源發(fā)電保障了島上用電，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。經(jīng)折算，每年等效減排二氧化碳 1 000 t、二氧化硫 45 t、粉塵 408 t［12］。

5 建設(shè)海島微電網(wǎng)的重點問題

當(dāng)前，受海洋開發(fā)形勢所迫，歐美經(jīng)濟(jì)危機使光伏價格大幅下降，以及鉛酸蓄電池用于儲能性價比高，所以，海島微網(wǎng)建設(shè)體現(xiàn)了一定的經(jīng)濟(jì)價值。

如何規(guī)范和推進(jìn)海島微網(wǎng)建設(shè)，以下問題需重點考慮。

5.1 確立海島微網(wǎng)建設(shè)指導(dǎo)思想

傳統(tǒng)大電網(wǎng)建設(shè)向來把安全可靠放在首位。偏遠(yuǎn)海島微網(wǎng)負(fù)荷特征使供電可靠性要求相對降低，其建設(shè)指導(dǎo)思想應(yīng)轉(zhuǎn)為尋找安全可靠與經(jīng)濟(jì)可行平衡點。

規(guī)劃海島微網(wǎng)，首先要對各類負(fù)荷需求準(zhǔn)確分類統(tǒng)計，確定合理的備電時間和保電方案;在搭配選用電源以及儲能設(shè)備時要因地制宜，盡量考慮分布式和小型化，電網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)按經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先的原則考慮。

5.2 確定適合當(dāng)前國情的海島微網(wǎng)技術(shù)路線

海島微網(wǎng)發(fā)展技術(shù)路線大致分為近海與偏遠(yuǎn)海島嶼2類。

近海島嶼微網(wǎng)建設(shè)應(yīng)以配合發(fā)展海上風(fēng)電為主，可首先考慮建成海上風(fēng)電連接樞紐及儲能支撐點，除島上就地消納外，再經(jīng)海纜聯(lián)網(wǎng)向大陸送電。

偏遠(yuǎn)海島則應(yīng)根據(jù)建設(shè)條件和經(jīng)濟(jì)實用性，技術(shù)路線應(yīng)主要考慮同步建設(shè)光儲柴系統(tǒng)，運行時以光伏發(fā)電及蓄電池往復(fù)充放循環(huán)為主，柴油發(fā)電作為備用。如果總?cè)萘啃∮? MW，且受電范圍相對集中，可考慮采用交流380 V一級電壓簡單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

偏遠(yuǎn)海島新能源開發(fā)不首推風(fēng)電，主要考慮2個問題。首先，偏遠(yuǎn)海島微網(wǎng)通常規(guī)模小，大型吊裝機具海運上島困難很大，難以支撐大容量風(fēng)機安裝及建成后的維護(hù);其次，相對陸地而言島上風(fēng)向亂、臺風(fēng)多，小型水平軸風(fēng)機迎風(fēng)定位會影響其發(fā)電效率及設(shè)備可靠性。

光儲柴系統(tǒng)中光伏部分可結(jié)合島上建筑開發(fā)，大力發(fā)展屋頂光伏發(fā)電、幕墻及觀光長廊光伏，使土地利用最大化，改善綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。為盡量提高光伏轉(zhuǎn)化利用效率，應(yīng)根據(jù)海島地理位置和全年太陽輻射分布、直接輻射與散射輻射比例、負(fù)載供電要求和特定場地條件等因素確定太陽能方陣最佳安裝傾角以及防止遮擋的最佳陣列間距。

為平抑光伏發(fā)電的間隙性，提高海島微網(wǎng)可靠性就必須同步建設(shè)儲能設(shè)備(通常應(yīng)達(dá)到光伏裝機容量50%，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特性、使用時間確定)。

目前，儲能方式分為物理儲能和化學(xué)儲能。物理儲能中抽水蓄能或壓縮空氣儲能技術(shù)上成熟、效率也較高，但大多數(shù)海島不具備實施條件;而新型鋰離子電池儲能投資和運行成本高，并不適合海島微網(wǎng)。從已建工程應(yīng)用來看，改進(jìn)型隔酸防爆免維護(hù)鉛酸蓄電池較為適用海島微網(wǎng)，性價比較高。

按當(dāng)前市場價模擬測算，建設(shè)1套8 h備用電最大負(fù)荷1 MW的建筑光伏加鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)大致需要800萬元，單位造價大約0.1萬元/(kW·h)。

柴油發(fā)電機組當(dāng)前建設(shè)成本較低(目前每kW造價不到1 000元)，但燃油成本高，有環(huán)境污染，且受臺風(fēng)等氣候影響運輸，無法保障原料供給，顯然當(dāng)作備用相對較好。

5.3 盡快制定微網(wǎng)設(shè)計規(guī)范

以往主網(wǎng)建設(shè)的發(fā)、輸、變、配幾個環(huán)節(jié)分界較為清晰，運維規(guī)律研究較為透徹，而微網(wǎng)建設(shè)模式及運行分界相對模糊。已建成的海島微網(wǎng)項目在工程實施時的最大問題是其無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因此，亟待制定適合微網(wǎng)工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

另外，國家層面促進(jìn)微電網(wǎng)發(fā)展的電價機制也應(yīng)盡快出臺，以推動光伏為主要內(nèi)涵的微網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

近年來，國家電網(wǎng)公司已由中國電力科學(xué)研究院牽頭著手制定中國微網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)備規(guī)范、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、孤島運行標(biāo)準(zhǔn)以及并網(wǎng)運行標(biāo)準(zhǔn)等四大類［13］。

5.4 研發(fā)適合微網(wǎng)設(shè)計軟件工具

海島微網(wǎng)工程規(guī)模小，用傳統(tǒng)主網(wǎng)設(shè)計思路以及跨專業(yè)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程規(guī)劃設(shè)計勢必效率低下。

國外一些適用新能源建設(shè)的電力系統(tǒng)分析軟件往往強于單個新能源元件建模及分析評估，因此，亟待開發(fā)適合微網(wǎng)整體設(shè)計高適應(yīng)性的工具軟件。

目前，廣東省電力設(shè)計研究院正聯(lián)合武漢大學(xué)開發(fā)“微網(wǎng)分布式電源配置輔助設(shè)計軟件”等系列軟件。

5.5 積極開發(fā)海島微網(wǎng)適宜產(chǎn)品

海島微網(wǎng)新能源建設(shè)最大特點是島上土地資源受限。應(yīng)大力開發(fā)適合分散建筑屋頂安裝的集約式光儲一體化產(chǎn)品，即將光伏組件與儲能蓄電池乃至變換控制等眾多設(shè)備有機結(jié)合，在系統(tǒng)構(gòu)成上將整體并網(wǎng)光伏改為以單體建筑為單元先形成子微網(wǎng)，再經(jīng)交流系統(tǒng)擴(kuò)展形成先分散后集中的微網(wǎng)系統(tǒng)，這樣可大大節(jié)省光儲系統(tǒng)部件連接組合成本，提高系統(tǒng)集成運行效率，還能最大限度地減少設(shè)備占地。

此外，當(dāng)前缺乏適合微網(wǎng)多方向潮流交換的繼電保護(hù)技術(shù)與產(chǎn)品，應(yīng)開發(fā)利用高智能型開關(guān)產(chǎn)品，即開關(guān)本身自帶潮流方向保護(hù)，同時，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)保護(hù)、測控聯(lián)動功能。

6 結(jié)語

我國海洋開發(fā)需要加快海島微網(wǎng)建設(shè)。開發(fā)偏遠(yuǎn)海島微網(wǎng)的指導(dǎo)思想應(yīng)將安全可靠與經(jīng)濟(jì)可行作為平衡點。適合當(dāng)前國情的偏遠(yuǎn)海島微網(wǎng)技術(shù)路線是因地制宜，采用“風(fēng)、光、儲能”的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

為推動海島微網(wǎng)建設(shè)，應(yīng)盡快制定微網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范、電價機制，開發(fā)適用的規(guī)劃設(shè)計評估軟件及微網(wǎng)適用產(chǎn)品。

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