離網(wǎng)型微電網(wǎng)在海島中的應(yīng)用

王宏偉 盛化才 黎光澤

上海置信節(jié)能環(huán)保有限公司

0 背景

由于與陸地隔離，海島開發(fā)深受電力、交通和飲用水等制約。長期以來，偏遠(yuǎn)海島用電保障十分困難，大陸遠(yuǎn)距離送油發(fā)電是目前解決海島供電的主要途徑[1]。該供電方式受制于柴油供應(yīng)等外界因素制約，且海島柴油發(fā)電生產(chǎn)成本高，同時還產(chǎn)生大量污染和噪聲，嚴(yán)重破壞和影響了海島生態(tài)環(huán)境。

海島電網(wǎng)由于其天然局限性，只能孤網(wǎng)運(yùn)行或與主網(wǎng)存在較弱的聯(lián)系，因而海島用電普遍存在嚴(yán)重的安全性和可靠性問題。海島風(fēng)能、太陽能等可再生能源資源豐富，有效開發(fā)可緩解海島電力不足，對海島可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。微電網(wǎng)是一種將分布式能源、負(fù)荷、儲能裝置、變流器及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[2]。微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的重要補(bǔ)充，經(jīng)過10余年發(fā)展，在分布式能源與可再生能源大規(guī)模接入方面的應(yīng)用日益增長。憑借微電網(wǎng)運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或離網(wǎng)運(yùn)行，同時，微電網(wǎng)在提高供電可靠性、安全性及解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和海島供電等方面，扮演著愈益重要的角色。

1 項(xiàng)目概況

1.1 海島現(xiàn)狀

某海島（以下簡稱A海島）遠(yuǎn)離大陸，由大、小島嶼和15處海礁組成，總面積0．64 km2。島上現(xiàn)有居民20余戶，主要以漁業(yè)為生。A海島海洋資源豐富、四面環(huán)海、環(huán)境優(yōu)美、氣候宜人，是旅游、避暑、度假的理想場所。目前，海島供電與外部電網(wǎng)沒有連接，屬孤立電網(wǎng)，島上供電采用柴油發(fā)電單一供電方式：柴油發(fā)電機(jī)2臺，單臺發(fā)電機(jī)功率為90kW；并機(jī)柜和相應(yīng)的低壓設(shè)備一套。柴油發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量180kW，并網(wǎng)電壓380V。

1.2 存在問題

目前，當(dāng)?shù)卣罅﹂_發(fā)海島旅游資源，島上僅有的柴油發(fā)電難以滿足當(dāng)?shù)鼐用裆詈吐糜伍_發(fā)的需求，迫切需要改善海島生態(tài)環(huán)境和供電可靠性。在供電保障、電能質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等方面存在以下主要問題：

（1）電能供應(yīng)單一。海島上所有電能需求都依賴柴油發(fā)電，整個能源系統(tǒng)安全性取決于燃料供應(yīng)的及時性和柴油發(fā)電的可靠性。

（2）電能質(zhì)量有待改善。海島居民較分散，架空線路規(guī)范性較差；同時，由于供電距離遠(yuǎn)，在供電末端存在電壓過低現(xiàn)象，供電可靠性難以保證。

（3）環(huán)境污染。柴油發(fā)電能源利用率較低，存在能源浪費(fèi)、廢氣和噪聲污染等，影響海島生態(tài)環(huán)境。

1.3 需求分析

根據(jù)用電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，島上現(xiàn)有電力用戶約20家，均為島內(nèi)居民用戶，用電峰時負(fù)載功率為40kW（正常負(fù)載功率為12．5kW）。為滿足用戶能源需求，建設(shè)微電網(wǎng)時需考慮離網(wǎng)運(yùn)行和負(fù)荷響應(yīng)能力；為保證供電可靠性，應(yīng)采用光伏、風(fēng)力等多能互補(bǔ)方式；在設(shè)備選型及運(yùn)行方式方面，應(yīng)滿足技術(shù)成熟、安全可靠、操作簡單、自動化程度高、無人值守等[3]。

2 微電網(wǎng)方案

2.1 總體方案

結(jié)合A海島現(xiàn)有供電系統(tǒng)和負(fù)荷分布現(xiàn)狀，充分利用島上地形和豐富的自然資源-太陽能和風(fēng)力等清潔能源，綜合考慮最大化利用可再生能源，減少柴油發(fā)電，同時兼顧蓄電池特性和使用壽命，建設(shè)一套離網(wǎng)型多能互補(bǔ)微電網(wǎng)。微電網(wǎng)采用“風(fēng)、光、柴、儲”多能互補(bǔ)方案，提供清潔、高效、可靠的能源供應(yīng)，以滿足島上供電安全性和可靠性。本項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模包括：1套94．8kWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、1套100kW/461kWh儲能系統(tǒng)、2套5kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和作為備用的原有柴油發(fā)電機(jī)組；在微網(wǎng)上配置了一套能源管理系統(tǒng)，用于微電網(wǎng)運(yùn)行、策略控制及能量管理，保障電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。該方案具有供電可靠性高、供電方式靈活、運(yùn)行控制簡單和清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，微電網(wǎng)總體方案架構(gòu)示意圖（見圖1）。

圖1 微電網(wǎng)總體方案架構(gòu)示意圖

2.2 分布式光伏

利用海島現(xiàn)有建筑物屋頂、小山坡和球場等場地布置光伏組件。光伏裝機(jī)總?cè)萘繛?4．8kWp，光伏發(fā)電主要用于居民消耗，采用“孤島運(yùn)行”方案。分布式光伏包括2個子發(fā)電系統(tǒng)：

（1）容量為33kWp的#1發(fā)電子系統(tǒng)

#1發(fā)電子系統(tǒng)位于配電房屋頂和小山坡上。站房屋面為混凝土結(jié)構(gòu)，組件采用固定傾角安裝，小山坡組件也采用固定傾角安裝。發(fā)電經(jīng)1臺組串式光伏并網(wǎng)逆變器逆變后，由交流電纜接至匯流箱完成匯流，再通過#1低壓并網(wǎng)柜并網(wǎng)。

（2）容量為62kWp的#2發(fā)電子系統(tǒng)

#2發(fā)電子系統(tǒng)位于球場上，采用固定傾角方式安裝。發(fā)電經(jīng)2臺組串式光伏并網(wǎng)逆變器逆變后，由交流電纜接至匯流箱完成匯流，再通過#1低壓并網(wǎng)柜并網(wǎng)。

分布式光伏容量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 分布式光伏容量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)光伏組件安裝方式、太陽輻射能量、系統(tǒng)組件總功率、系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)，可預(yù)測本系統(tǒng)年發(fā)電量：考慮光伏組件25年效率衰減不超過20%，本系統(tǒng)25年年平均發(fā)電量約為8．7萬度，25年發(fā)電總量約為218萬度。

2.3 分布式風(fēng)電

根據(jù)A海島周邊氣象站多年觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該海島氣象站10m高度年平均風(fēng)速為3．0m/s～3．5m/s；主風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)、東北風(fēng)和西北風(fēng)。根據(jù)風(fēng)電資源劃分標(biāo)準(zhǔn)，該海島為風(fēng)能資源可利用區(qū)域，見圖2海島年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)。

本項(xiàng)目選用2臺水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為5kW，配置基座，桿塔高度9米，傾斜支撐。風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)表

圖2 海島年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

2.4 儲能系統(tǒng)

本項(xiàng)目是離網(wǎng)型微電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)是必要部分，在微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮重要作用。蓄電池儲能系統(tǒng)主要由儲能電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、隔離變壓器、儲能雙向變流裝置（PCS）、儲能監(jiān)控系統(tǒng)等組成。儲能電池儲存的電量經(jīng)匯流柜、PCS逆變后接入微網(wǎng)。PCS可實(shí)現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)換：充電時，PCS作為整流器將電能從交流變成直流儲存到儲能裝置；放電時，PCS作為逆變器將儲能裝置儲存的電能從直流變?yōu)榻涣鬏斔偷轿㈦娋W(wǎng)。

本項(xiàng)目根據(jù)分布式光伏、分布式風(fēng)電和用電負(fù)荷規(guī)模，結(jié)合海島用電時段及儲能電池容量衰減，配置儲能系統(tǒng)容量為50kW/461kWh；針對不同儲能技術(shù)，從電池放電深度、工作溫度范圍和循環(huán)壽命等對鉛碳等三種儲能電池進(jìn)行對比分析，選擇技術(shù)成熟、能量轉(zhuǎn)換效率高、安全隱患低的鉛碳電池。儲能電池性能比較（見表3）。

2.5 能源管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)主要功能包括：采集實(shí)時監(jiān)控的電網(wǎng)信息、分布式電源信息和負(fù)荷信息；實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲能和負(fù)荷之間最優(yōu)匹配；實(shí)現(xiàn)多種分布式能源的切換等。能源管理系統(tǒng)主要分為4層結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)采集與控制層、消息服務(wù)與持久層、業(yè)務(wù)層和展示層。能源管理系統(tǒng)總圖（見圖3），能源管理系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)（見圖4）。

2.6 運(yùn)行方式

微電網(wǎng)采用孤島離網(wǎng)運(yùn)行方式，通過能量管理系統(tǒng)合理調(diào)度可再生能源、儲能、同步發(fā)電機(jī)等，最大限度利用可再生能源，提高微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)主要有蓄電池、PCS、并網(wǎng)逆變器（風(fēng)、光）、光伏板、風(fēng)機(jī)（含風(fēng)機(jī)控制器）等。

（1）當(dāng)光照充足和風(fēng)力較強(qiáng)時，風(fēng)、光發(fā)電除保證負(fù)載正常供電外，多余的能量存儲到蓄電池內(nèi)；若發(fā)電量仍然過剩，則通過卸荷器進(jìn)行卸荷。

表3 三種類型儲能電池性能比較

圖3 能源管理系統(tǒng)總圖

圖4 能源管理系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)

（2）當(dāng)光照和風(fēng)力較弱，風(fēng)、光發(fā)電無法滿足負(fù)載需求時，通過PCS由蓄電池放電。

（3）當(dāng)蓄電池、風(fēng)、光發(fā)電都不能滿足負(fù)載需求時，啟動柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組建立交流母線電壓，供負(fù)載使用。

3 結(jié)論

A海島建設(shè)的基于離網(wǎng)型的多能互補(bǔ)微電網(wǎng)是集分布式光伏、風(fēng)電、儲能、柴油發(fā)電于一體的分布式能源，為島上居民提供清潔、安全、穩(wěn)定、可靠的電力。對多能互補(bǔ)清潔可再生能源為海島提供安全可靠供電及互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源運(yùn)營模式進(jìn)行探索和實(shí)踐，有利改善海島居民生活品質(zhì)，促進(jìn)海島旅游業(yè)和可持續(xù)發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。該項(xiàng)目是可復(fù)制、推廣的微電網(wǎng)典型示范案例，海島微電網(wǎng)為后續(xù)建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和實(shí)踐探索。