雞骨礁微網(wǎng)運(yùn)行控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

徐振 汪江楠 楊祥

摘 要：傳統(tǒng)的島礁供電模式主要采用柴油發(fā)電機(jī)供電為主，需要有人值守對(duì)柴油機(jī)組不間斷的維護(hù)，目前島礁柴油發(fā)電模式，已無法滿足國家綠色低碳發(fā)展要求，而且有人值守模式為值守人員帶來諸多不可預(yù)見的安全隱患。針對(duì)上述問題，通過引入島礁微網(wǎng)供電模式，制定微網(wǎng)控制策略，盡可能最大限度采用新能源供電方式，減少柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)從有人值守向無人值守轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；運(yùn)行；控制策略

0 引 言

我國是海洋大國，島礁眾多，由于海島處在海上重要的地理位置，可作為海上船舶監(jiān)管和服務(wù)手段的延伸，海洋、海事、航保、移動(dòng)運(yùn)營等部門常在此類島礁上設(shè)置各類基站。雞骨礁位于長江口外、上海最東端，距離橫沙約28 n mile，面積約2 500 m2。是長江口海事監(jiān)管和航海保障服務(wù)的最前沿和最高端，發(fā)揮著“戰(zhàn)略要地”的關(guān)鍵作用。作為上海的海上前沿陣地，島上設(shè)置有燈塔、AIS岸基系統(tǒng)基站、VTS雷達(dá)站、VHF中繼站、中國移動(dòng)、中國電信基站、海洋水文監(jiān)測站等重要設(shè)施。

為保障雞骨礁重要設(shè)施的連續(xù)穩(wěn)定供電，主要柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)設(shè)施進(jìn)行供電。同時(shí)，為確保各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)組工作正常，雞骨礁上配備了多名值守人員，對(duì)島礁上業(yè)務(wù)設(shè)施和供電設(shè)施做基礎(chǔ)的巡檢和維護(hù)。

在國家“碳達(dá)峰”“碳中和”和能源低碳綠色發(fā)展要求下，島礁柴油發(fā)電模式明顯已不滿足發(fā)展要求，同時(shí)，島礁有人值守運(yùn)維模式存在運(yùn)維成本高、值守人員安全隱患高等不利因素。因此，2022年下半年，交通運(yùn)輸部東海航海保障中心上海航標(biāo)處進(jìn)行了雞骨礁供配電系統(tǒng)改造，充分利用雞骨礁自然條件優(yōu)勢，發(fā)展可再生能源，以風(fēng)能、太陽能源為主，柴油發(fā)電為輔，形成分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)載的離網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)，逐步優(yōu)化島礁值守及運(yùn)維模式，提升節(jié)能降碳增效水平。

在改造過程中，為充分利用風(fēng)能及太陽能，減少柴油發(fā)電量，引入了微網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)力和光照情況，制定了控制策略。

1 技術(shù)背景

1.1 微電網(wǎng)發(fā)展概述

微電網(wǎng)（Micro-Grid）也稱為微網(wǎng)，是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，它作為完整的電力系統(tǒng)，依靠自身的控制及管理供能實(shí)現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、故障檢測與保護(hù)、電能質(zhì)量治理等方面的功能。近年來，微電網(wǎng)引起了世界能源專家和電力工業(yè)界的高度重視，許多國家都將其納入了未來電力發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃。

1.2 雞骨礁微網(wǎng)系統(tǒng)組成

雞骨礁微網(wǎng)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、EMS能量管理系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載及遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 關(guān)鍵問題

孤島離網(wǎng)微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證儲(chǔ)能電池具有較高的運(yùn)行壽命。一般情況下，在100%放電深度下，電池的充放電循環(huán)次數(shù)較90%放電深度下的循環(huán)次數(shù)會(huì)有顯著衰減，因此系統(tǒng)電池容量應(yīng)考慮淺充淺放，并遵循儲(chǔ)能電池廠家建議值。

2）微網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。微網(wǎng)系統(tǒng)中各種分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行控制應(yīng)能滿足無人值守的方式運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)工作量盡量減少，并盡量減少人工干預(yù)可能帶來的安全隱患。

3）配置柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)盡量減少柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，減少柴油運(yùn)輸和消耗。

4）保證微網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一是微網(wǎng)內(nèi)有穩(wěn)定的電壓頻率支撐。如果啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，則應(yīng)將柴油發(fā)電機(jī)作為微網(wǎng)的主電源，維持電壓和頻率穩(wěn)定；如果柴油發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行，則可以利用儲(chǔ)能雙向逆變器控制微網(wǎng)的電壓和頻率保持恒定。

3 設(shè)計(jì)原則

1）儲(chǔ)能電池的充放電循環(huán)，可以自動(dòng)按照充電-放電-再充電的循環(huán)進(jìn)行。盡量避免完全放空電池。此外在充電過程中時(shí)，還應(yīng)對(duì)充電電流進(jìn)行有效控制，在控制策略中設(shè)置恒壓限流策略，防止較大的充電電流對(duì)電池壽命造成影響。

2）當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電池如SOC過低則工作在充電狀態(tài)，并按照預(yù)設(shè)的充電策略對(duì)儲(chǔ)能電池充電。新能源多余電力給負(fù)荷供電，不足由柴油發(fā)電機(jī)補(bǔ)充。

3）當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)作為主電源且儲(chǔ)能電池工作在充電狀態(tài)下，如新能源電源功率較大，導(dǎo)致充電電流大于儲(chǔ)能電池最大充電電流時(shí)，應(yīng)限制新能源電源輸出或者切除部分新能源電源。

4）儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源工作在放電狀態(tài)時(shí)，如果新能源電源不足以為負(fù)載供電時(shí)，則不足部分由儲(chǔ)能電池補(bǔ)充。新能源電源的輸出功率大于負(fù)荷，引起電流倒送給儲(chǔ)能電池，則應(yīng)切除部分新能源電源或者限制其功率輸出。

5）儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源時(shí)，如果分布式電源的輸出功率長時(shí)間不能滿足負(fù)荷需求，儲(chǔ)能電池容量下降至某一階段，此時(shí)可以啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，將柴油發(fā)電機(jī)作為主電源，儲(chǔ)能電池從放電狀態(tài)轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。

6）當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)關(guān)機(jī)或者柴油發(fā)電機(jī)檢修時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)從并網(wǎng)充電轉(zhuǎn)入獨(dú)立放電，系統(tǒng)交流母線不得斷電，光伏發(fā)電檢測到電網(wǎng)電壓正常后，重新并網(wǎng)運(yùn)行。

7）儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源，工作在放電狀態(tài)時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)能電池容量放盡，需要啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，應(yīng)首先啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，待柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)正常運(yùn)行后，閉合柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)，柴油機(jī)必須可以主動(dòng)限制輸出功率，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)從獨(dú)立放電轉(zhuǎn)為并網(wǎng)充電狀態(tài)，并網(wǎng)運(yùn)行。

8）儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率按照能夠單獨(dú)滿足最大負(fù)荷需求設(shè)計(jì)，為了有效增加整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命，可增大儲(chǔ)能電池的容量，使電池工作在較小放電深度下，增加儲(chǔ)能電池的充放電循次數(shù)。

4 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

4.1 正常模式

由新能源EMS控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度新能源、儲(chǔ)能及油機(jī)3個(gè)子系統(tǒng)，當(dāng)自然條件良好時(shí)，由風(fēng)力和光伏給負(fù)載供電，剩余電能經(jīng)儲(chǔ)能雙向逆變器給儲(chǔ)能充電，如圖2所示。若電池SOC大于90%，為保護(hù)電池，此時(shí)關(guān)閉光伏，優(yōu)先電池進(jìn)行放電，至SOC80%時(shí)開啟光伏。

當(dāng)夜間無光照或連續(xù)陰雨天時(shí)，電池組將儲(chǔ)備的電能經(jīng)儲(chǔ)能雙向逆變器輸出給負(fù)載供電，當(dāng)碰到連續(xù)陰雨日且光伏板均輸出功率均不足且電池組持續(xù)放電至SOC（剩余電量）20%以下時(shí)EMS將發(fā)出油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，油機(jī)啟動(dòng)完成后EMS控制新能源400 V母線與油機(jī)同步后接入油機(jī)，油機(jī)可以通過新能源母線無縫地向負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電，每次柴發(fā)啟動(dòng)時(shí)EMS控制三臺(tái)柴發(fā)輪流啟動(dòng)，當(dāng)電池組充滿達(dá)到SOC（50%）上限后，EMS發(fā)出油機(jī)停機(jī)信號(hào)，油機(jī)無縫退出新能源母線，如圖3所示。

4.2 應(yīng)急模式

當(dāng)新能源系統(tǒng)因各種原因發(fā)生故障、失效或儲(chǔ)能與新能源系統(tǒng)需要停機(jī)檢修時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)檢測到新能源母線電壓故障后自動(dòng)啟動(dòng)，向負(fù)載直接供電，油機(jī)可完全獨(dú)立于新能源系統(tǒng)直接供電，如圖4所示。

5 應(yīng)用效果

以2023年2月運(yùn)行數(shù)據(jù)為例分析，運(yùn)行數(shù)據(jù)如見表1。

如表1所示，2023年2月份柴油發(fā)電機(jī)總運(yùn)行時(shí)間為72 h，總發(fā)電量為2 103 kWh；風(fēng)力發(fā)電總發(fā)電量為1 270.8 kWh；光伏總發(fā)電量為3 097.9 kWh，負(fù)載用電量為5 061 kWh。

受2月份光照條件和氣候影響，系統(tǒng)未能達(dá)到最優(yōu)供電狀態(tài)，但柴油發(fā)電機(jī)相較以往7*24 h工作時(shí)間已有大幅降低。

從儲(chǔ)能SOC分析，電池組基本始終處于20%～90%區(qū)間，且未出現(xiàn)長期處于虧空或滿電量狀態(tài)的情況，因此，雞骨礁微網(wǎng)控制策略是基本合理的，后續(xù)將根據(jù)更多運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到更優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，減少柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間。

6 結(jié) 論

1）在國家“碳達(dá)峰”“碳中和”和能源低碳綠色發(fā)展要求下，島礁柴油發(fā)電模式明顯已不滿足發(fā)展要求，發(fā)展可再生能源，以風(fēng)能、太陽能源為主，柴油發(fā)電為輔，形成分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)載的離網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)，逐步優(yōu)化島礁值守及運(yùn)維模式，提升節(jié)能降碳增效水平，是島礁島礁供電模式轉(zhuǎn)型的方向。

2）充分利用島礁自然能源優(yōu)勢，利用微網(wǎng)運(yùn)行控制策略，最大限度利用新能源系統(tǒng)進(jìn)行供電，減少柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

3）運(yùn)用新能源發(fā)電模式和控制技術(shù)，目前雞骨礁已完成有人值守模式向無人值守模式轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

[1] 王榮華.船載智能巡檢設(shè)備在航標(biāo)巡檢中的應(yīng)用[J].航海，2020（2）：70-72.

作者簡介：徐振，工程師，研究方向?yàn)楹胶１Ｕ详P(guān)鍵技術(shù)，（E-mail）13818474639@163.com