東澳島兆瓦級獨(dú)立智能微電網(wǎng)項(xiàng)目分析

文-張超 羅多 珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司

該項(xiàng)目是我國第一個(gè)兆瓦級風(fēng)光柴蓄多能互補(bǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，也是中國第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的孤島型智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。項(xiàng)目分兩期建設(shè)，2009年獲得住建部的第一批“陽光屋頂計(jì)劃”補(bǔ)貼，完成第一期近400kW；此后一邊運(yùn)行一邊擴(kuò)建，在不影響海島供電的前提下，2010年完成整個(gè)項(xiàng)目。目前該項(xiàng)目成功運(yùn)行至今，除系統(tǒng)改造以外，無停電事故記錄。該項(xiàng)目建于珠海市管轄海域的東澳島，該島面積約4.663平方千米，400戶常住人口。島上氣候宜人，森林覆蓋率達(dá)82%，全年日照量5091.8MJ/m2。

1 項(xiàng)目背景

2009年以前，整個(gè)島嶼完全依賴柴油發(fā)電，這種單一的化石能源結(jié)構(gòu)，電力質(zhì)量差、電費(fèi)高、停電頻繁、污染嚴(yán)重。后因柴油發(fā)電系統(tǒng)耗油量因負(fù)荷的逐年增加而增加，已不能滿足島上居民的生活用電。此外，當(dāng)時(shí)東澳島的電費(fèi)為：居民用電2.9元/kWh，商業(yè)用電3.8元/ kWh。為了平衡發(fā)電廠的成本，政府補(bǔ)貼1元/kWh。據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年東澳島用電量為80萬kWh,也就是政府每年補(bǔ)貼為80萬元。無論發(fā)電能力、社會壓力還是財(cái)政補(bǔ)貼，原有柴油電廠早已經(jīng)不堪重負(fù)，因此改造海島的能源結(jié)構(gòu)成為必然。

2 項(xiàng)目可行性分析

東澳島是一個(gè)典型的旅游型用電的海島，夏季是旅游旺季，全年夏季用電是冬季的6～7倍，而夏季節(jié)假日用電是平時(shí)的2～3倍，且每天的用電又與輪渡的航班有關(guān)。根據(jù)這種能耗規(guī)律我們可以研究出更科學(xué)合理、更匹配負(fù)載的多能互補(bǔ)的能源組合方案，可以把控制系統(tǒng)做得更加智能與完善。

在這個(gè)沒有任何外來電網(wǎng)干預(yù)的小島上，我們可以按照理想的目標(biāo)做更多的研究和嘗試：將可再生能源的比例盡可能提高；儲能系統(tǒng)的用量盡可能降低；使電能質(zhì)量超過國家標(biāo)準(zhǔn)；使故障率趨近于零；采用全數(shù)值化監(jiān)控和調(diào)度等等。

興業(yè)太陽能集團(tuán)完成了對東澳電站的收購以后，將其改造成了總裝機(jī)2MWp的風(fēng)光柴蓄多能互補(bǔ)微網(wǎng)電站。在碼頭的游客中心屋頂安裝總計(jì)約100kWp的晶體硅電池組件，在文化中心的瓦屋頂上安裝機(jī)功率為256.7kWp的屋頂光伏電站，在往東澳電廠的路上，直線距離300m的地方有一塊約8000m2的空地，在那里建造了一座650kWp的光伏地面電站，因此整島光伏裝機(jī)總量達(dá)到了一個(gè)1MW。

東澳島的風(fēng)力資源也是值得研究和利用的，為了便于安裝和控制，以及減少新增電纜的敷設(shè)，小型風(fēng)機(jī)安裝場地被圈選在電廠附近。基于電廠附近的風(fēng)資源較差、風(fēng)機(jī)價(jià)格昂貴（2009年的進(jìn)口風(fēng)機(jī)價(jià)格為45元/Wp）和僅僅是研究嘗試的原因，我們只選擇安裝了45kWp的風(fēng)機(jī)電站（包括4臺10kWp和1臺5kWp的小型風(fēng)機(jī)）。再加上3臺既有總功率為1.22MWp的柴油發(fā)電機(jī)組，形成了總?cè)萘繛?.27MWp的多種分布式電源。作為緩沖和調(diào)配以及極端情況的能源備用，我們配備了2000kWh的儲能系統(tǒng)。

3 微電網(wǎng)技術(shù)分析

島嶼電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行當(dāng)然是電站改造的前提，2009年在沒有任何技術(shù)經(jīng)驗(yàn)借鑒和示范項(xiàng)目參考的情況下，項(xiàng)目采用了以安全穩(wěn)定性為主的多級分層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)效率不算很高，但它簡單且穩(wěn)定，在過去的幾年里除了系統(tǒng)改造升級以外可以說故障率為零。由于這種結(jié)構(gòu)下的所有的分布式電站的特點(diǎn)都是即發(fā)先用，余電儲存再上網(wǎng)，所以可再生能源發(fā)電不需要全部通過儲能系統(tǒng)，因此儲能配置不是很大；第二個(gè)特點(diǎn)就是，結(jié)構(gòu)中的儲能設(shè)備主要起一個(gè)緩沖作用，能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)不同能源的經(jīng)濟(jì)優(yōu)先算法自動切換當(dāng)前條件下最經(jīng)濟(jì)的能源方式，使得能源利用在風(fēng)、光、柴之間進(jìn)行無縫切換。如果某一區(qū)域負(fù)載明顯增加，就可以針對性的擴(kuò)容子網(wǎng)。

在智能微電網(wǎng)中，能量管理系統(tǒng)對整個(gè)電站起著控制性的決定作用，系統(tǒng)智能化的程度也主要是依賴能量管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。它包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、設(shè)備自動控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)狀態(tài)估算、經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制、安全預(yù)警分析五大部分。因此，首先要選擇各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)，大到氣象數(shù)據(jù)采集、光伏發(fā)電量實(shí)時(shí)采集、風(fēng)能發(fā)電量實(shí)時(shí)采集、用戶需求側(cè)數(shù)據(jù)采集、蓄電池儲電量采集、柴油用量及儲量采集等等；小到電池背板溫度、變壓站變壓點(diǎn)、柴油發(fā)電機(jī)排碳量、熱量、冷卻裝置等等。所有現(xiàn)場的電站數(shù)據(jù)都全部遠(yuǎn)程傳送到公司總部大樓的監(jiān)控中心，工程師在公司的監(jiān)控中心甚至辦公室就可以全程隨時(shí)監(jiān)控或讀取電廠即時(shí)的各個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，要做到這一點(diǎn)必須讓所有設(shè)備具有自動調(diào)控功能，包括柴油機(jī)狀態(tài)檢測與監(jiān)控、油壓檢測、自動啟動、制動控制；光伏智能接線盒、智能匯流箱、線纜在線檢測；蓄電池在線監(jiān)測、控制、工作環(huán)境監(jiān)控等等。

東澳的能量管理系統(tǒng)做到了所有設(shè)備都可以通過信號切換來控制發(fā)電系統(tǒng)的啟動或停止，每一個(gè)光伏陣列都可以通過智能控制箱清楚地了解到其發(fā)電運(yùn)行情況，對儲能系統(tǒng)可以通過對其全程充放電次數(shù)與放電深度的控制，防止蓄電池過充或過放。通過對太陽能和負(fù)載的預(yù)測，便于更準(zhǔn)確地分析出能量的潮向，有利于能量的儲備、調(diào)度和控制，這就是電力系統(tǒng)狀態(tài)估算。目前東澳的管理系統(tǒng)可以做到對未來半小時(shí)以內(nèi)太陽能預(yù)估達(dá)到10%以內(nèi)的誤差，系統(tǒng)通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累不斷進(jìn)行自學(xué)習(xí)，達(dá)到數(shù)據(jù)修復(fù)的目的，以便更準(zhǔn)確的預(yù)算出下一個(gè)小時(shí)用戶的負(fù)載使用情況。通過對發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的預(yù)估來綜合判斷下一步指令是蓄電池放電還是充電，使用柴油發(fā)電還是可再生能源發(fā)電。最后，所有設(shè)備都需要進(jìn)行安全監(jiān)控，如防雷、防火、防過熱、防盜等，并在出現(xiàn)異常時(shí)自動報(bào)警。

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

珠海屬于夏熱冬暖地區(qū)，生活工作用能主要以空調(diào)和照明為主，夏季制冷季節(jié)，負(fù)載大幅增加。而冬季不需要供暖，負(fù)載又大幅下降，呈現(xiàn)出冬季及春秋過渡季節(jié)與夏季明顯不同的用電規(guī)律。

通過我們對2011年全年的數(shù)據(jù)分析（表1）可以看出，冬季可再生能源利用最高可達(dá)到90%以上，夏季也可以達(dá)到50%以上，全年平均可達(dá)到71.4%，實(shí)現(xiàn)了高比例的可再生能源利用目標(biāo)。同時(shí)，通過預(yù)測、調(diào)配和控制，使得柴油機(jī)的使用有計(jì)劃有規(guī)律，發(fā)電曲線更平緩，從而提高了柴油機(jī)的發(fā)電效率。通過統(tǒng)計(jì)分析比較，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)度電的耗油量從317L降到220L，提高發(fā)電效率30%（表2）。電廠的發(fā)電成本從4元/kWh降到1.9元/kWh，化石能源的使用率從100%下降到27.97%。

5 問題及總結(jié)

該項(xiàng)目雖然建設(shè)和運(yùn)營的時(shí)間較早，給島嶼能源系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)的研究和商業(yè)模式的示范，各項(xiàng)數(shù)據(jù)也顯示了島嶼微網(wǎng)的可行性和優(yōu)越性。但在開發(fā)建設(shè)過程中也存在以下一些問題。

5.1 土地問題

東澳島微電網(wǎng)在建設(shè)中出現(xiàn)最大的問題就是土地問題，海島土地資源比較缺乏，隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)的建成這個(gè)問題將變得更加突出。事實(shí)上東澳島微電網(wǎng)系統(tǒng)并沒有取得土地所有權(quán)，目前只能是租用部隊(duì)的土地，租期為10年，這對項(xiàng)目的投資回報(bào)帶來很大影響，增大了投資風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 資金問題

在海島建設(shè)可再生能源發(fā)電成本比陸地上高得多，儲能系統(tǒng)的成本目前還不具優(yōu)勢。因此，島嶼微網(wǎng)的初期投資往往較大，沒有政策的補(bǔ)助和傾斜，投資資金是不可逃避的問題。

5.3 技術(shù)問題

東澳島微電網(wǎng)雖然成功運(yùn)行了5年，但由于是旅游島，負(fù)荷變化太快，能量管理和控制困難，導(dǎo)致系統(tǒng)效率不高，冬季能量卸載嚴(yán)重。

5.4 程序?qū)徟鷨栴}

在此后的島嶼微電網(wǎng)項(xiàng)目的開發(fā)過程中，所遇難度最大的是項(xiàng)目可行的程序問題。開發(fā)島嶼能源牽涉能源部門、規(guī)劃部門、建設(shè)部門、旅發(fā)部門、電力部門、國土部門、當(dāng)?shù)毓芪瘯踔淋婈?duì)，很多批復(fù)文件會遭遇各部門的推諉。因此，流程上的規(guī)范化、程序上的政策化相對于資金和技術(shù)來說更加重要。

表1 2011年各分布式能源發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表 （kWh）

表2 2005～2011年柴油發(fā)電情況及電廠故障情況