海島微網建設關鍵技術研究

譚茂強，鄧長虹

(1.廣東省電力設計研究院，廣州市510663;2.武漢大學電氣工程學院，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個可供開發的無居民海島名錄［2］，拉開科學開發無人島序幕。近期，三沙市的成立標志著我國經濟發展將走向海洋并更加關注海洋資源以及偏遠海島的開發。

偏遠海島電力供應有幾種模式，包括大陸聯網供電、在島上建設燃油燃氣電廠、以開發光伏風電等綠色能源為主構建海島微網等。

本文結合國內外近年微網研究情況，分析偏遠海島微電網建設相關問題。

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以及小型偏遠海島2類。

1.1 大型海島群綜合開發

大型海島群綜合開發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試驗區發展規劃預測為例，其電力負荷增長見表1。

表1 萬山群島電力最大負荷Tab.1 The maximum power load in Wanshan Archipelago

由表1可見，電力負荷增長十分迅猛，如何有效解決供電是綜合開發試驗區發展規劃重點考慮的問題。

舟山群島220 kV海纜及海南島500 kV海纜與大陸聯網已成功投運，通過海纜與大陸聯網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，相關建設研究單位提出了“依靠島上新能源開發與大陸海纜聯網供電并舉”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 小型偏遠海島

眾多偏遠小型海島采用海纜聯網供電不太現實。

首先，這類小島生態環境脆弱，不具備大規模綜合開發的可行性，因此，能源需求增長緩慢，總量也不大。其次，眾多小島遠離大陸，海纜敷設及運行維護難度較大，采用大陸聯網供電方式會使經濟效益降低。偏遠海島電力解決模式較為可行的方案是“以新能源開發為核心，構建‘風、光、柴、儲’互補獨立型海島微電網”。

2 微網研究現狀

要搞好海島微電網建設，需要了解微網概念以及研究現狀。

2.1 微網定義

關于微網，目前國際上尚無公認定義。

美國電氣可靠性技術解決方案聯合會對微網的定義是:微網由負荷和微型電源組成，可同時提供電能和熱量。微網內部電源(太陽能、風能、儲能設備等)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］。

歐盟認為微網主要特征是利用一次能源、使用微型電源、“冷、熱、電”三聯供、帶有儲能裝置、采用電力電子裝置進行能量調節。

日本新能源產業技術綜合開發機構將微網定義為在一定區域內，利用可控分布式電源、根據用戶需求提供電能的小型系統。

國內一些研究機構認為，微網是一種獨立性很強的分散型電源網絡，由光伏、風力、小水力、生物質、燃氣或燃油發電、燃料電池、蓄電池組等各種組合構成的一個區域自治的電力系統。

分布式“冷、熱、電”三聯供是“微網”的主要特征，而由微型電源、負荷和微型配電網絡構成的系統更宜稱為“微電網”。

2.2 微網研究進程

近年來，微網研究已成為國內外工程研究領域最新的前沿課題之一。

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

歐盟近年分別資助了“大規模集成小型發電設備到低壓配電網絡”及“針對更多微網接入的先進構架及控制理念”的課題研究。

2003年，日本新能源產業技術綜合開發機構資助了“含可再生能源的區域性電網”3個示范項目。

我國微網研究雖起步較晚，但已有一批研究文獻面世［4-11］，一批科研項目應運而生。

2008年，中日共同實施的“先進穩定并網光伏發電微網系統”在杭州電子科技大學投入使用。

天津大學在校內建成了迄今國內規模最大的微網試驗室。

2009年，浙江電科院建成微網試驗室，并以此為先導承擔國家電網公司首個海島微網示范項目——東福山島“風、光、柴”海水淡化系統。

2011年，廣東省電力設計研究院與武漢大學共同投資組建“智能電網試驗室”，并聯合開展“智能微網規劃設計試驗研究”工作。

3 微網特點及分類

3.1 微網特點

微網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;聯結多個分布式電源的微網增加了系統容量，可有效改善電能質量;正常情況下，微網并網運行，由大電網提供剛性電壓和頻率支撐;在上級網絡故障時，可孤立運行，繼續保障供電，提高供電可靠性。

3.2 微網分類

微網可按接入電壓等級、輸電方式及應用場景3種方法進行分類。

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

按輸電方式可分為交流微網、直流微網及交直流混合微網。

按應用場景可分為海島微網、海油微網、社區微網及企業微網。

3.3 微網運行模式

海島微網與海油微網通常多屬典型獨立型微網。社區微網及小企業微網更多地采用“單點并網不上網”運行模式。

鋼鐵、化工等大型企業用電負荷大、相對集中;生產連續性強、對供電可靠性和電能質量要求高，需要與電力系統并網運行。

4 海島微網案例

近年來，國內海島微網已進入實際探索階段。較有影響的有浙江東福山島“風、光、柴”海水淡化系統及珠海東澳島“風、光、柴”系統工程。

4.1 東福山島“風、光、柴”海水淡化系統工程

東福山島“風、光、柴”儲及海水淡化綜合系統工程2011年建成投產，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電開發有限公司投資，浙江電科院組織科研攻關，華東水利勘測設計院設計。

該光伏發電系統由場地光伏矩陣及屋頂光伏矩陣構成，儲能蓄電池布置于電站蓄電池室(主要設備見表2)，“風、光、柴”儲電源設備經交流380 V并網再經升壓變及10 kV架空線路送電到島上居民及駐軍，項目還建設1套海水淡化系統。島上負荷260 kW，白天基本上由光伏、風力發電及蓄電池儲能協調供電，夜晚由人工轉為柴油發電機供電。

表2 東福山島微網工程主要設備表Tab.2 Main equipments of micro grid project in Dongfushan Island

4.2 東澳島“風、光、柴”系統工程

東澳島位于珠海萬山群島中部，以旅游業及海產業為主，以前長期采用柴油機發電。

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

東澳島微網利用原有0.4 kV和10 kV 2級電網供電，孤網運行。

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

該項目利用可再生清潔能源發電保障了島上用電，取得了一定的經濟效益和社會效益。經折算，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 建設海島微電網的重點問題

當前，受海洋開發形勢所迫，歐美經濟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，海島微網建設體現了一定的經濟價值。

如何規范和推進海島微網建設，以下問題需重點考慮。

5.1 確立海島微網建設指導思想

傳統大電網建設向來把安全可靠放在首位。偏遠海島微網負荷特征使供電可靠性要求相對降低，其建設指導思想應轉為尋找安全可靠與經濟可行平衡點。

規劃海島微網，首先要對各類負荷需求準確分類統計，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備時要因地制宜，盡量考慮分布式和小型化，電網架構應按經濟效益優先的原則考慮。

5.2 確定適合當前國情的海島微網技術路線

海島微網發展技術路線大致分為近海與偏遠海島嶼2類。

近海島嶼微網建設應以配合發展海上風電為主，可首先考慮建成海上風電連接樞紐及儲能支撐點，除島上就地消納外，再經海纜聯網向大陸送電。

偏遠海島則應根據建設條件和經濟實用性，技術路線應主要考慮同步建設光儲柴系統，運行時以光伏發電及蓄電池往復充放循環為主，柴油發電作為備用。如果總容量小于5 MW，且受電范圍相對集中，可考慮采用交流380 V一級電壓簡單網絡結構。

偏遠海島新能源開發不首推風電，主要考慮2個問題。首先，偏遠海島微網通常規模小，大型吊裝機具海運上島困難很大，難以支撐大容量風機安裝及建成后的維護;其次，相對陸地而言島上風向亂、臺風多，小型水平軸風機迎風定位會影響其發電效率及設備可靠性。

光儲柴系統中光伏部分可結合島上建筑開發，大力發展屋頂光伏發電、幕墻及觀光長廊光伏，使土地利用最大化，改善綜合經濟性指標。為盡量提高光伏轉化利用效率，應根據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。

為平抑光伏發電的間隙性，提高海島微網可靠性就必須同步建設儲能設備(通常應達到光伏裝機容量50%，應根據負荷特性、使用時間確定)。

目前，儲能方式分為物理儲能和化學儲能。物理儲能中抽水蓄能或壓縮空氣儲能技術上成熟、效率也較高，但大多數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。從已建工程應用來看，改進型隔酸防爆免維護鉛酸蓄電池較為適用海島微網，性價比較高。

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

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

5.3 盡快制定微網設計規范

以往主網建設的發、輸、變、配幾個環節分界較為清晰，運維規律研究較為透徹，而微網建設模式及運行分界相對模糊。已建成的海島微網項目在工程實施時的最大問題是其無相應標準，因此，亟待制定適合微網工程建設的標準和規范。

另外，國家層面促進微電網發展的電價機制也應盡快出臺，以推動光伏為主要內涵的微網技術的應用發展。

近年來，國家電網公司已由中國電力科學研究院牽頭著手制定中國微網系列標準，包括設備規范、設計標準、孤島運行標準以及并網運行標準等四大類［13］。

5.4 研發適合微網設計軟件工具

海島微網工程規模小，用傳統主網設計思路以及跨專業組織結構進行工程規劃設計勢必效率低下。

國外一些適用新能源建設的電力系統分析軟件往往強于單個新能源元件建模及分析評估，因此，亟待開發適合微網整體設計高適應性的工具軟件。

目前，廣東省電力設計研究院正聯合武漢大學開發“微網分布式電源配置輔助設計軟件”等系列軟件。

5.5 積極開發海島微網適宜產品

海島微網新能源建設最大特點是島上土地資源受限。應大力開發適合分散建筑屋頂安裝的集約式光儲一體化產品，即將光伏組件與儲能蓄電池乃至變換控制等眾多設備有機結合，在系統構成上將整體并網光伏改為以單體建筑為單元先形成子微網，再經交流系統擴展形成先分散后集中的微網系統，這樣可大大節省光儲系統部件連接組合成本，提高系統集成運行效率，還能最大限度地減少設備占地。

此外，當前缺乏適合微網多方向潮流交換的繼電保護技術與產品，應開發利用高智能型開關產品，即開關本身自帶潮流方向保護，同時，經網絡通信實現保護、測控聯動功能。

6 結語

我國海洋開發需要加快海島微網建設。開發偏遠海島微網的指導思想應將安全可靠與經濟可行作為平衡點。適合當前國情的偏遠海島微網技術路線是因地制宜，采用“風、光、儲能”的微電網系統。

為推動海島微網建設，應盡快制定微網相關技術規范、電價機制，開發適用的規劃設計評估軟件及微網適用產品。

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