東澳島兆瓦級獨立智能微電網項目分析

文-張超 羅多 珠海興業綠色建筑科技有限公司

該項目是我國第一個兆瓦級風光柴蓄多能互補的微電網系統，也是中國第一個商業運行的孤島型智能微電網系統。項目分兩期建設，2009年獲得住建部的第一批“陽光屋頂計劃”補貼，完成第一期近400kW；此后一邊運行一邊擴建，在不影響海島供電的前提下，2010年完成整個項目。目前該項目成功運行至今，除系統改造以外，無停電事故記錄。該項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82%，全年日照量5091.8MJ/m2。

1 項目背景

2009年以前，整個島嶼完全依賴柴油發電，這種單一的化石能源結構，電力質量差、電費高、停電頻繁、污染嚴重。后因柴油發電系統耗油量因負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，當時東澳島的電費為：居民用電2.9元/kWh，商業用電3.8元/ kWh。為了平衡發電廠的成本，政府補貼1元/kWh。據統計2009年東澳島用電量為80萬kWh,也就是政府每年補貼為80萬元。無論發電能力、社會壓力還是財政補貼，原有柴油電廠早已經不堪重負，因此改造海島的能源結構成為必然。

2 項目可行性分析

東澳島是一個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，而夏季節假日用電是平時的2～3倍，且每天的用電又與輪渡的航班有關。根據這種能耗規律我們可以研究出更科學合理、更匹配負載的多能互補的能源組合方案，可以把控制系統做得更加智能與完善。

在這個沒有任何外來電網干預的小島上，我們可以按照理想的目標做更多的研究和嘗試：將可再生能源的比例盡可能提高；儲能系統的用量盡可能降低；使電能質量超過國家標準；使故障率趨近于零；采用全數值化監控和調度等等。

興業太陽能集團完成了對東澳電站的收購以后，將其改造成了總裝機2MWp的風光柴蓄多能互補微網電站。在碼頭的游客中心屋頂安裝總計約100kWp的晶體硅電池組件，在文化中心的瓦屋頂上安裝機功率為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，因此整島光伏裝機總量達到了一個1MW。

東澳島的風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，小型風機安裝場地被圈選在電廠附近。基于電廠附近的風資源較差、風機價格昂貴（2009年的進口風機價格為45元/Wp）和僅僅是研究嘗試的原因，我們只選擇安裝了45kWp的風機電站（包括4臺10kWp和1臺5kWp的小型風機）。再加上3臺既有總功率為1.22MWp的柴油發電機組，形成了總容量為2.27MWp的多種分布式電源。作為緩沖和調配以及極端情況的能源備用，我們配備了2000kWh的儲能系統。

3 微電網技術分析

島嶼電網的安全穩定運行當然是電站改造的前提，2009年在沒有任何技術經驗借鑒和示范項目參考的情況下，項目采用了以安全穩定性為主的多級分層結構。這種結構的系統效率不算很高，但它簡單且穩定，在過去的幾年里除了系統改造升級以外可以說故障率為零。由于這種結構下的所有的分布式電站的特點都是即發先用，余電儲存再上網，所以可再生能源發電不需要全部通過儲能系統，因此儲能配置不是很大；第二個特點就是，結構中的儲能設備主要起一個緩沖作用，能源管理系統可以根據不同能源的經濟優先算法自動切換當前條件下最經濟的能源方式，使得能源利用在風、光、柴之間進行無縫切換。如果某一區域負載明顯增加，就可以針對性的擴容子網。

在智能微電網中，能量管理系統對整個電站起著控制性的決定作用，系統智能化的程度也主要是依賴能量管理系統來實現。它包括數據采集與監控、設備自動控制系統、電力系統狀態估算、經濟調度控制、安全預警分析五大部分。因此，首先要選擇各項數據的采集點，大到氣象數據采集、光伏發電量實時采集、風能發電量實時采集、用戶需求側數據采集、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、柴油發電機排碳量、熱量、冷卻裝置等等。所有現場的電站數據都全部遠程傳送到公司總部大樓的監控中心，工程師在公司的監控中心甚至辦公室就可以全程隨時監控或讀取電廠即時的各個狀態數據。當然，要做到這一點必須讓所有設備具有自動調控功能，包括柴油機狀態檢測與監控、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；蓄電池在線監測、控制、工作環境監控等等。

東澳的能量管理系統做到了所有設備都可以通過信號切換來控制發電系統的啟動或停止，每一個光伏陣列都可以通過智能控制箱清楚地了解到其發電運行情況，對儲能系統可以通過對其全程充放電次數與放電深度的控制，防止蓄電池過充或過放。通過對太陽能和負載的預測，便于更準確地分析出能量的潮向，有利于能量的儲備、調度和控制，這就是電力系統狀態估算。目前東澳的管理系統可以做到對未來半小時以內太陽能預估達到10%以內的誤差，系統通過運行數據的積累不斷進行自學習，達到數據修復的目的，以便更準確的預算出下一個小時用戶的負載使用情況。通過對發電側和用電側的預估來綜合判斷下一步指令是蓄電池放電還是充電，使用柴油發電還是可再生能源發電。最后，所有設備都需要進行安全監控，如防雷、防火、防過熱、防盜等，并在出現異常時自動報警。

4 運行數據分析

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

通過我們對2011年全年的數據分析（表1）可以看出，冬季可再生能源利用最高可達到90%以上，夏季也可以達到50%以上，全年平均可達到71.4%，實現了高比例的可再生能源利用目標。同時，通過預測、調配和控制，使得柴油機的使用有計劃有規律，發電曲線更平緩，從而提高了柴油機的發電效率。通過統計分析比較，微電網系統中的柴油發電機度電的耗油量從317L降到220L，提高發電效率30%（表2）。電廠的發電成本從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

該項目雖然建設和運營的時間較早，給島嶼能源系統提供了關鍵技術的研究和商業模式的示范，各項數據也顯示了島嶼微網的可行性和優越性。但在開發建設過程中也存在以下一些問題。

5.1 土地問題

東澳島微電網在建設中出現最大的問題就是土地問題，海島土地資源比較缺乏，隨著微電網系統的建成這個問題將變得更加突出。事實上東澳島微電網系統并沒有取得土地所有權，目前只能是租用部隊的土地，租期為10年，這對項目的投資回報帶來很大影響，增大了投資風險。

5.2 資金問題

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

5.3 技術問題

東澳島微電網雖然成功運行了5年，但由于是旅游島，負荷變化太快，能量管理和控制困難，導致系統效率不高，冬季能量卸載嚴重。

5.4 程序審批問題

在此后的島嶼微電網項目的開發過程中，所遇難度最大的是項目可行的程序問題。開發島嶼能源牽涉能源部門、規劃部門、建設部門、旅發部門、電力部門、國土部門、當地管委會甚至軍隊，很多批復文件會遭遇各部門的推諉。因此，流程上的規范化、程序上的政策化相對于資金和技術來說更加重要。

表1 2011年各分布式能源發電量統計表 （kWh）

表2 2005～2011年柴油發電情況及電廠故障情況