低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 佳，高芷蓉，于興華，王詩怡，王 力，趙 斌,

(1. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；2. 長沙理工大學(xué)城南學(xué)院，長沙 410076；3. 長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，長沙 410114)

0 引言

海島對發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、維護(hù)生態(tài)平衡、保障國防安全有著重大意義[1]。中國海島數(shù)量多，面積超過500 m2的海島達(dá)6500 余個，其中有常住居民的海島多為偏遠(yuǎn)海島[2]，其供電多依賴于常規(guī)能源的遠(yuǎn)距離輸送，不僅成本高，且在遇到風(fēng)暴、大浪等惡劣海況時難以保障供電需求[3]，實(shí)現(xiàn)海洋低碳清潔能源利用是建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。

以新能源為主體的微電網(wǎng)可為海島提供清潔電力，國內(nèi)外已有諸多該類海島微電網(wǎng)建設(shè)案例。比如：美國夏威夷卡哈拉島微電網(wǎng)；中國珠海市東澳島微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)由1.04 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)、0.05 MW 風(fēng)電機(jī)組、1.22 MW 柴油機(jī)、2 MWh 鉛酸蓄電池組成，接入10 kV 電壓等級的電網(wǎng)；浙江省東福山島微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組、儲能和柴油機(jī)組成，接入0.4 kV 電壓等級的電網(wǎng)。從案例可以看出，已有的海島微電網(wǎng)大多未擺脫對柴油機(jī)供電的依賴，距離低碳目標(biāo)仍有一定差距。

針對海上鉆井平臺、海洋牧場、海島等構(gòu)建孤島型微電網(wǎng)是目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的探索熱點(diǎn)。在微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方面，文獻(xiàn)[4]評估了孤立混合可再生能源系統(tǒng)的需求響應(yīng)潛力，通過降低運(yùn)營成本和電力負(fù)荷峰值來優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度。文獻(xiàn)[5]提出了一種新的調(diào)峰算法，并利用孤島微電網(wǎng)模型進(jìn)行測試，結(jié)果表明：該算法能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的最佳利用率，有效提供調(diào)峰服務(wù)。在微電網(wǎng)設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[6]提出了考慮不同儲能特性的容量配置方法，提升了新能源的消納水平及電網(wǎng)的靈活性。文獻(xiàn)[7]在考慮需求側(cè)管理的基礎(chǔ)上，引入不同運(yùn)行指標(biāo)來評價(jià)多目標(biāo)微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性，結(jié)果表明：所提出的優(yōu)化調(diào)度模型可提高微電網(wǎng)的綜合效益。

已有相關(guān)研究大多為風(fēng)電、光伏發(fā)電接入交流電網(wǎng)，較少考慮綜合利用潮汐能等海洋能資源，充分、高效利用海島資源，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展仍有待積極探索[8]。本文針對偏遠(yuǎn)海島的用能需求、資源現(xiàn)狀和供能現(xiàn)狀，構(gòu)建了一種低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)。在對海島的用電負(fù)荷情況進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，對該低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析，并根據(jù)電力負(fù)荷需求進(jìn)行設(shè)備選型，以構(gòu)建低碳型海島能源系統(tǒng)；最后以某海島為例，對其搭建的低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)中不同發(fā)電形式的裝機(jī)容量和設(shè)備選型進(jìn)行計(jì)算分析，并基于EnergyPLAN 模型進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證。

1 海島的用電負(fù)荷計(jì)算

海島的用電負(fù)荷主要包括各種生活用電設(shè)備，如日光燈、空調(diào)、電視、電腦等。另外，為改善海島居民的生活條件，海島上可布置溫室大棚，用于為海島居民提供新鮮蔬菜、水果；建設(shè)固體垃圾處理站，用于處理海島居民的生活垃圾，以減少垃圾直接焚燒產(chǎn)生的污染，同時通過垃圾回收實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用；裝設(shè)主動式太陽能蒸餾裝置，用于為海島居民提供清潔淡水。

1)根據(jù)海島居民的生活需要，一些偏遠(yuǎn)海島上設(shè)置了溫室大棚。以某海島為例，該海島上布置了若干間溫室大棚，其跨度均為8 m、長度為100 m；在棚頂均安裝了光伏組件代替部分鋼化玻璃[9]。溫室大棚內(nèi)的作物采用輪換、錯期、多品種種植方式等，并采用重力滴灌技術(shù)和滲水灌溉技術(shù)，可在提高蔬菜、水果產(chǎn)量的同時，節(jié)約島上水資源。

2)經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，海島的生活垃圾堆積是目前需要解決的重大問題之一。通過對生活垃圾成分進(jìn)行初步分析可知：塑料品的占比為60%；包裝類紙質(zhì)品的占比為20%；金屬罐和玻璃瓶的占比為15%；廢舊衣物等其他垃圾的占比為5%。生活垃圾的平均燃燒熱值大于5000 kJ/kg。

因此，海島上建設(shè)了固體垃圾處理站，其垃圾處理流程為：將金屬和玻璃等不可燃物進(jìn)行無害化填埋處理；其余垃圾經(jīng)焚燒爐焚燒，對產(chǎn)生的灰渣進(jìn)行回收或填埋[10]。固體垃圾處理站處理的垃圾可通過垃圾堆肥、生物發(fā)酵的方式用于農(nóng)作物施肥。

3)為了提供海島生活用水，采用主動式太陽能蒸餾裝置。該蒸餾裝置配備一系列附屬設(shè)備，包括平板式太陽能集熱器和儲熱水箱。通過平板式太陽能集熱器輔助加熱，可提高該蒸餾裝置單位面積的產(chǎn)水量和產(chǎn)水效率；加設(shè)儲熱水箱，可在太陽輻射量較小或無太陽輻射量時保證主動式太陽能蒸餾裝置工作正常，以增加產(chǎn)水量[11]。

綜上，海島的最大日用電負(fù)荷估算值Pe,max的計(jì)算式可表示為：

式中：M為設(shè)備類別總數(shù)量；Pi為第i類設(shè)備的額定功率，kW；Ni為第i類設(shè)備的數(shù)量；Ci為第i類設(shè)備的同時系數(shù)。

用電設(shè)備耗能的同時系數(shù)取決于該設(shè)備的使用頻率。例如，宿舍60 W 的節(jié)能燈僅在凌晨、夜間使用，選取同時系數(shù)為0.6；各工作室80 W的日光燈在夜間及白天光線不足時使用，選取同時系數(shù)為0.8；海島垃圾每3 天處理1 次，固體垃圾處理站的同時系數(shù)取0.3。

2 低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)電機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組、控制器、儲能變流器、蓄電池組等設(shè)備組成?？紤]該風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗情況，其綜合轉(zhuǎn)換效率取90%。

考慮海島居民對電力供應(yīng)穩(wěn)定性的要求較高且負(fù)載的總功率存在動態(tài)變化等因素，低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)和用電設(shè)備共交流母線的連接方式，并通過能量管理系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建智能微網(wǎng)系統(tǒng)，用于為負(fù)載提供較高質(zhì)量的電能。海島上另裝設(shè)有1 套柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig. 1 Design architecture of low-carbon wind-solar-tidalstorage power supply system for islands

低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)中，包含了采用無土栽培的溫室大棚、固體廢棄物回收利用、主動式太陽能蒸餾等前瞻性創(chuàng)新技術(shù)，以滿足海島居民的日常生活所需。

2.2 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和運(yùn)行機(jī)理

低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)由光伏陣列、風(fēng)電機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組共同發(fā)電，利用蓄電池組儲能系統(tǒng)儲存電能。根據(jù)負(fù)載用電的動態(tài)變化需求，該供電系統(tǒng)可靈活配置多個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，新增裝機(jī)容量可根據(jù)需求進(jìn)行配置。當(dāng)供電系統(tǒng)遇到大規(guī)模故障或發(fā)電能力不足時，可采用海島上另外備用的柴油發(fā)電機(jī)組提供應(yīng)急電能供應(yīng)，以保證用電可靠性。

為滿足用電需求，低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式包括：

1)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、光伏匯流箱和光伏逆變器組成，配置蓄電池儲能系統(tǒng)后形成一個以變流器為基礎(chǔ)的智能微網(wǎng)系統(tǒng)。

2)潮汐發(fā)電系統(tǒng)采用單庫、單向的運(yùn)行方式。

3)光照充足時，負(fù)載運(yùn)行所需電量主要由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提供；光照不足時或在夜間，由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的電能；盈余電能通過雙向儲能變流器為蓄電池儲能系統(tǒng)充電。

4)當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率短時無法滿足負(fù)載需求時，則由蓄電池儲能系統(tǒng)供電，以滿足負(fù)載需求。

根據(jù)海島居民的建筑物和用電設(shè)施的分布狀況，自由靈活地組建多個互聯(lián)的獨(dú)立智能微網(wǎng)系統(tǒng)。低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)可在多種供電模式之間實(shí)現(xiàn)自動切換，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topological structure of low-carbon wind-solar- tidalstorage power supply system for islands

3 低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的主要設(shè)備選型

3.1 潮汐發(fā)電系統(tǒng)

潮汐發(fā)電受地理?xiàng)l件和潮汐幅度的影響較大，因此先對潮汐發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行容量配置計(jì)算。

根據(jù)海島地形，選取能儲存大量海水的地方作為潮汐電站的站址。為減少投資，潮汐電站的發(fā)電方式采用單庫、單向運(yùn)行方式。潮汐發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際裝機(jī)容量PT1的計(jì)算式[12]可表示為：

式中：S為進(jìn)水口面積，km2；H為潮差平均值，m。

潮汐發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電量E的計(jì)算式可表示為：

式中：a為與潮汐能發(fā)電方式相關(guān)的系數(shù)，取0.4。

3.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)風(fēng)資源情況，對風(fēng)電機(jī)組輸出功率PW2進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算式可表示為：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；Sw為風(fēng)輪掃掠面積，m2；v為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時的平均風(fēng)速，m/s。

3.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝位置的太陽輻照度情況，可以得到分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電量規(guī)劃，從而可得到光伏組件的裝機(jī)容量，根據(jù)光伏組件裝機(jī)容量選取合適的光伏組件類型。

光伏組件的裝機(jī)容量W的計(jì)算式可表示為：

式中：L為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的日發(fā)電量，kWh；T為日均峰值日照小時數(shù)，h，取5；η為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率[13]，取0.8。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏組件串聯(lián)數(shù)Ns的計(jì)算式可表示為：

式中：UN為低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的額定直流母線電壓，V；Umax為光伏組件的峰值電壓，V。

光伏組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算式可表示為：

式中：N為光伏組件安裝數(shù)量。

光伏組件安裝數(shù)量的計(jì)算式可表示為：

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量Ppv的計(jì)算式可表示為：

式中：Pmax為光伏組件的峰值功率，kW。

3.4 蓄電池儲能系統(tǒng)

計(jì)算蓄電池儲能系統(tǒng)中蓄電池組的總?cè)萘緾，其計(jì)算式可表示為：

式中：We,max為負(fù)載的日總耗電量，kWh；D為蓄電池組的放電深度，按50%設(shè)計(jì)；X為供電系數(shù)，為保證連續(xù)3 天極端天氣下低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)供電正常，可取3.5。

根據(jù)計(jì)算得到的蓄電池組總?cè)萘窟M(jìn)行蓄電池的選型。蓄電池組中單體蓄電池的串聯(lián)數(shù)量Ns1的計(jì)算式可表示為：

式中：U1為單體蓄電池的工作電壓，V。

蓄電池組中單體蓄電池的并聯(lián)數(shù)量Np1的計(jì)算式可表示為：

式中：Q為單體蓄電池的容量，Ah。

則蓄電池組中單體蓄電池的總數(shù)量N1的計(jì)算式可表示為：

4 案例分析

4.1 案例背景

以某海島為例，對在該海島搭建低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)時，不同發(fā)電形式的裝機(jī)容量進(jìn)行計(jì)算分析和設(shè)備選型，并基于EnergyPLAN模型進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證。某海島的供電與生活現(xiàn)狀概述為：該海島采用海底電纜供電方式，但海底電纜的安裝維護(hù)費(fèi)用高，且隨著空調(diào)、通信設(shè)備等大功率用電設(shè)施增加，電費(fèi)高昂，因此該種供電方式不利于長期發(fā)展。該海島屬于典型季風(fēng)氣候，空氣潮濕，而且物資匱乏、淡水稀缺，日常供給均需海運(yùn)，島上居民的生活條件艱苦，迫切需要改善生活條件。

該海島的位置偏遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離城市大電網(wǎng)，且常規(guī)能源匱乏，但風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源豐富；而高溫、高濕、強(qiáng)太陽輻射等特性造成該海島的用電負(fù)荷構(gòu)成與內(nèi)陸地區(qū)存在差異。該海島1 年的氣象數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 該海島1 年的氣象數(shù)據(jù)圖Fig. 3 Graph of meteorological data of the island for one year

從圖3 的氣象數(shù)據(jù)可以分析得出：

1)該海島的風(fēng)能、太陽能、潮汐能資源充足，利用價(jià)值高。其中，日平均風(fēng)速可達(dá)6.0～11.5 m/s，風(fēng)能資源可觀；年總太陽輻射量為1500～1600 kWh/m2，屬于太陽能資源較豐富地區(qū)。

2)該海島的太陽能資源呈現(xiàn)夏季充足、冬季略弱的特點(diǎn)；風(fēng)資源呈現(xiàn)白晝小、夜間大，夏季小、冬季大的特點(diǎn)；每日有漲潮、落潮，高、低潮之間的潮差大。

此外，根據(jù)該海島位置及中國科學(xué)院海洋研究所數(shù)據(jù)可得，該海島的平均潮差為3.99 m，潮汐能資源可予以利用。對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后可知，采用低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)為島上居民提供日常用電，具有較高的互補(bǔ)性和可靠性。

4.2 某海島的用電負(fù)荷計(jì)算

該海島上的建筑包括30 余間宿舍，每間宿舍均安裝2 盞60 W 的節(jié)能燈、1 臺1 匹的空調(diào)；其余為生活設(shè)施，包括溫室大棚、大澡堂、會議室、教研室若干間，這些設(shè)施內(nèi)各安裝4 盞80 W 的日光燈；另外，會議室和教研室各安裝1 臺3 匹的空調(diào)。該海島的具體用電負(fù)荷情況如表1 所示。

表1 該海島的具體用電負(fù)荷情況Table 1 Specific electricity load situation of the island

結(jié)合表1 可計(jì)算得到，該海島的日平均用電負(fù)荷估算值為104.842 kW。按每日用電負(fù)荷運(yùn)行12 h(其中白天運(yùn)行8 h、夜間運(yùn)行4 h)計(jì)算，所有建筑的日耗電量為1258.104 kWh。

4.3 某海島的設(shè)備選型

考慮低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗情況，其綜合轉(zhuǎn)換效率取90%，再考慮到日用電量會有輕微波動，該供電系統(tǒng)的總發(fā)電功率設(shè)計(jì)為117 kW，需要滿足的日總發(fā)電量為1404 kWh。

海島漲潮高度最高為6.28 m、最低為0.02 m，平均潮差為3.99 m，滿足潮汐發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的潮差幅度要求。進(jìn)水口面積為0.03 km2，則經(jīng)過計(jì)算，潮汐發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量選擇100 kW。

結(jié)合圖3 的氣象資料分析可知，該海島的日平均風(fēng)速達(dá)6.0～11.5 m/s，海島風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的日有效發(fā)電時間為5 h。選用20 臺HF4.0-2000 型號的風(fēng)電機(jī)組，則該海島風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電功率為40 kW。所選用的風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)如表2 所示。

表2 所選用的風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)Table 2 Parameters of selected wind turbines

該海島光照資源豐富，根據(jù)低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的日發(fā)電量需求為678 kWh，所需光伏組件裝機(jī)容量為169.5 kW。額定直流母線電壓設(shè)定為400 V，經(jīng)計(jì)算可得，光伏組件串聯(lián)數(shù)為10 塊，并聯(lián)數(shù)為39 串，則光伏組件安裝數(shù)量為390 塊，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為171.6 kW。所選用的光伏組件的參數(shù)如表3 所示。

表3 所選用的光伏組件的參數(shù)Table 3 Parameters of selected PV modules

通過計(jì)算可得，蓄電池儲能系統(tǒng)中蓄電池組的總?cè)萘繛?828 kWh，選用工作電壓U1為2 V的型號為GMF1000 的蓄電池。計(jì)算可得，單體蓄電池的串聯(lián)數(shù)量為200 塊，并聯(lián)數(shù)量為25 串，則單體蓄電池的總數(shù)量為5000 塊。因此，實(shí)際運(yùn)行的蓄電池組總?cè)萘繛?0000 kWh。

4.4 基于EnergyPLAN 模型的算例驗(yàn)證

4.4.1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

為驗(yàn)證低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的可行性，采用EnergyPLAN 模型進(jìn)行算例驗(yàn)證。

EnergyPLAN 模型是丹麥奧爾堡大學(xué)研發(fā)的一種基于能源系統(tǒng)分析的計(jì)算機(jī)模型，其具有以下特點(diǎn)：1)考慮了能源波動，分析以小時為單位進(jìn)行，可進(jìn)行為期1 年的分析；2)該模型是一個輸入/輸出模型，操作過程十分簡便；3)該模型基于分析程序計(jì)算，運(yùn)算速度快；4)可根據(jù)技術(shù)調(diào)控目標(biāo)和市場經(jīng)濟(jì)目標(biāo)對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析。

在本算例中，輸入部分包括用電需求、可再生能源出力、儲能能力等設(shè)置，輸出部分為能源供應(yīng)方案分析結(jié)果。研究涉及整個低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)各組成部分的運(yùn)行狀況，所需要的數(shù)據(jù)量較大；并且由于EnergyPLAN 模型是一個確定的輸入/輸出模型，對于數(shù)據(jù)的可靠性要求很高。本算例模型中的電力需求、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量根據(jù)前文的設(shè)備選型結(jié)果來確定。

由于模型分析是以小時為單位、逐時變化的，需要每小時電力需求、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電出力的分布數(shù)據(jù)。以閏年1 年(366 天)為參考，則需要8784 個逐時數(shù)據(jù)。

電力需求和各種發(fā)電形式的出力分布數(shù)據(jù)的確定是計(jì)算中的難點(diǎn)。其中，電力需求分布數(shù)據(jù)是根據(jù)調(diào)研得到的某海島電力需求模擬而得；光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電出力分布數(shù)據(jù)等是根據(jù)設(shè)備選型及該海島的資源情況，再結(jié)合EnergyPLAN 官網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)推算獲得。

4.4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

模擬計(jì)算時，首先滿足供需平衡、電網(wǎng)穩(wěn)定性的目標(biāo)，得出低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)中不同發(fā)電形式的月平均發(fā)電功率，如表4 所示。

表4 低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)中不同發(fā)電形式的月平均發(fā)電功率(單位：kW)Table 4 Monthly average power generation of different power generation forms in low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands (Unit：kW)

從表4 可以看出：該算例中不同發(fā)電形式月平均發(fā)電功率總和的平均值約為47.3 kW，則整個低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的月平均發(fā)電功率為50 kW 左右。當(dāng)這幾種發(fā)電形式的發(fā)電功率不足時，由蓄電池儲能系統(tǒng)供電，以滿足海島居民的電力需求。

通過模型模擬出該算例的低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)運(yùn)行1 年(閏年)的電能年消耗分布、電能年生產(chǎn)分布、年電力平衡情況，結(jié)果分別如圖4～圖6 所示。圖中：過剩電力輸出是指與外部微網(wǎng)系統(tǒng)連接時，該風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)過剩電力的對外輸出。

圖4 采用低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)時整個海島的電能逐時消耗量分布Fig. 4 Hourly electricity consumption distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

圖5 采用低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)時整個海島的電能逐時生產(chǎn)量分布Fig. 5 Hourly electricity production distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

圖6 采用低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)時整個海島的逐時電力平衡情況Fig. 6 Hourly power balance situation of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

為盡可能模擬實(shí)際電力負(fù)荷情況，模擬中設(shè)置了彈性隨機(jī)波動負(fù)荷，以體現(xiàn)不同時刻負(fù)荷具有的波動性，波動負(fù)荷最大功率為104 kW，年耗電量設(shè)置為0.076 GWh。通過對圖4～圖6 進(jìn)行分析可知：低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的電能生產(chǎn)量在全年各時段基本能滿足該海島的動態(tài)負(fù)荷需求，模擬結(jié)果驗(yàn)證了該供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

本文針對偏遠(yuǎn)海島的用能需求、資源現(xiàn)狀和供能現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)為孤島型供電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用。對該低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析，并根據(jù)海島的電力負(fù)荷需求進(jìn)行設(shè)備選型，最后基于EnergyPLAN 模型對該供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了算例驗(yàn)證，得出的主要結(jié)論為：

1)提出了采用不同用電負(fù)荷的同時系數(shù)方法，計(jì)算海島的電力負(fù)荷情況。

2)海島配置了多個無土栽培溫室大棚，裝設(shè)了主動式太陽能蒸餾裝置；該低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、潮汐發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)和用電設(shè)備采用共交流母線連接，可提供多種供電模式，通過自動切換為負(fù)載提供高質(zhì)量電能。

3)以某海島為例，結(jié)合某海島資源特點(diǎn)，根據(jù)該海島的用電需求計(jì)算了低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)中不同發(fā)電形式和蓄電池儲能系統(tǒng)的容量配置及設(shè)備選型，以滿足海島居民的生活電器、海水淡化、垃圾處理等的電力需求?；贓nergyPLAN 模型進(jìn)行算例驗(yàn)證，對該海島的年電力供需平衡進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，所設(shè)計(jì)的低碳型海島風(fēng)光潮儲供電系統(tǒng)能滿足該海島的用電需求，為獨(dú)立海島供電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。