離網型微電網在海島中的應用

王宏偉 盛化才 黎光澤

上海置信節能環保有限公司

0 背景

由于與陸地隔離，海島開發深受電力、交通和飲用水等制約。長期以來，偏遠海島用電保障十分困難，大陸遠距離送油發電是目前解決海島供電的主要途徑[1]。該供電方式受制于柴油供應等外界因素制約，且海島柴油發電生產成本高，同時還產生大量污染和噪聲，嚴重破壞和影響了海島生態環境。

海島電網由于其天然局限性，只能孤網運行或與主網存在較弱的聯系，因而海島用電普遍存在嚴重的安全性和可靠性問題。海島風能、太陽能等可再生能源資源豐富，有效開發可緩解海島電力不足，對海島可持續發展具有重大意義。微電網是一種將分布式能源、負荷、儲能裝置、變流器及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統[2]。微電網作為大電網的重要補充，經過10余年發展，在分布式能源與可再生能源大規模接入方面的應用日益增長。憑借微電網運行控制和能量管理等關鍵技術，可實現其并網或離網運行，同時，微電網在提高供電可靠性、安全性及解決偏遠地區和海島供電等方面，扮演著愈益重要的角色。

1 項目概況

1.1 海島現狀

某海島（以下簡稱A海島）遠離大陸，由大、小島嶼和15處海礁組成，總面積0．64 km2。島上現有居民20余戶，主要以漁業為生。A海島海洋資源豐富、四面環海、環境優美、氣候宜人，是旅游、避暑、度假的理想場所。目前，海島供電與外部電網沒有連接，屬孤立電網，島上供電采用柴油發電單一供電方式：柴油發電機2臺，單臺發電機功率為90kW；并機柜和相應的低壓設備一套。柴油發電機總裝機容量180kW，并網電壓380V。

1.2 存在問題

目前，當地政府正大力開發海島旅游資源，島上僅有的柴油發電難以滿足當地居民生活和旅游開發的需求，迫切需要改善海島生態環境和供電可靠性。在供電保障、電能質量和環境保護等方面存在以下主要問題：

（1）電能供應單一。海島上所有電能需求都依賴柴油發電，整個能源系統安全性取決于燃料供應的及時性和柴油發電的可靠性。

（2）電能質量有待改善。海島居民較分散，架空線路規范性較差；同時，由于供電距離遠，在供電末端存在電壓過低現象，供電可靠性難以保證。

（3）環境污染。柴油發電能源利用率較低，存在能源浪費、廢氣和噪聲污染等，影響海島生態環境。

1.3 需求分析

根據用電統計數據，島上現有電力用戶約20家，均為島內居民用戶，用電峰時負載功率為40kW（正常負載功率為12．5kW）。為滿足用戶能源需求，建設微電網時需考慮離網運行和負荷響應能力；為保證供電可靠性，應采用光伏、風力等多能互補方式；在設備選型及運行方式方面，應滿足技術成熟、安全可靠、操作簡單、自動化程度高、無人值守等[3]。

2 微電網方案

2.1 總體方案

結合A海島現有供電系統和負荷分布現狀，充分利用島上地形和豐富的自然資源-太陽能和風力等清潔能源，綜合考慮最大化利用可再生能源，減少柴油發電，同時兼顧蓄電池特性和使用壽命，建設一套離網型多能互補微電網。微電網采用“風、光、柴、儲”多能互補方案，提供清潔、高效、可靠的能源供應，以滿足島上供電安全性和可靠性。本項目建設規模包括：1套94．8kWp分布式光伏發電系統、1套100kW/461kWh儲能系統、2套5kW風力發電機組和作為備用的原有柴油發電機組；在微網上配置了一套能源管理系統，用于微電網運行、策略控制及能量管理，保障電網安全、可靠、穩定運行。該方案具有供電可靠性高、供電方式靈活、運行控制簡單和清潔無污染等優點，微電網總體方案架構示意圖（見圖1）。

圖1 微電網總體方案架構示意圖

2.2 分布式光伏

利用海島現有建筑物屋頂、小山坡和球場等場地布置光伏組件。光伏裝機總容量為94．8kWp，光伏發電主要用于居民消耗，采用“孤島運行”方案。分布式光伏包括2個子發電系統：

（1）容量為33kWp的#1發電子系統

#1發電子系統位于配電房屋頂和小山坡上。站房屋面為混凝土結構，組件采用固定傾角安裝，小山坡組件也采用固定傾角安裝。發電經1臺組串式光伏并網逆變器逆變后，由交流電纜接至匯流箱完成匯流，再通過#1低壓并網柜并網。

（2）容量為62kWp的#2發電子系統

#2發電子系統位于球場上，采用固定傾角方式安裝。發電經2臺組串式光伏并網逆變器逆變后，由交流電纜接至匯流箱完成匯流，再通過#1低壓并網柜并網。

分布式光伏容量統計見表1。

表1 分布式光伏容量統計

根據光伏組件安裝方式、太陽輻射能量、系統組件總功率、系統總效率等數據，可預測本系統年發電量：考慮光伏組件25年效率衰減不超過20%，本系統25年年平均發電量約為8．7萬度，25年發電總量約為218萬度。

2.3 分布式風電

根據A海島周邊氣象站多年觀測統計數據，該海島氣象站10m高度年平均風速為3．0m/s～3．5m/s；主風向為東南風、東北風和西北風。根據風電資源劃分標準，該海島為風能資源可利用區域，見圖2海島年平均風速統計。

本項目選用2臺水平軸風力發電機組，單機容量為5kW，配置基座，桿塔高度9米，傾斜支撐。風機主要性能參數見表2。

表2 風機主要性能參數表

圖2 海島年平均風速統計

2.4 儲能系統

本項目是離網型微電網，儲能系統是必要部分，在微電網安全穩定運行中發揮重要作用。蓄電池儲能系統主要由儲能電池組、電池管理系統（BMS）、隔離變壓器、儲能雙向變流裝置（PCS）、儲能監控系統等組成。儲能電池儲存的電量經匯流柜、PCS逆變后接入微網。PCS可實現電能雙向轉換：充電時，PCS作為整流器將電能從交流變成直流儲存到儲能裝置；放電時，PCS作為逆變器將儲能裝置儲存的電能從直流變為交流輸送到微電網。

本項目根據分布式光伏、分布式風電和用電負荷規模，結合海島用電時段及儲能電池容量衰減，配置儲能系統容量為50kW/461kWh；針對不同儲能技術，從電池放電深度、工作溫度范圍和循環壽命等對鉛碳等三種儲能電池進行對比分析，選擇技術成熟、能量轉換效率高、安全隱患低的鉛碳電池。儲能電池性能比較（見表3）。

2.5 能源管理系統

微電網能源管理系統主要功能包括：采集實時監控的電網信息、分布式電源信息和負荷信息；實現分布式電源、儲能和負荷之間最優匹配；實現多種分布式能源的切換等。能源管理系統主要分為4層結構，分別是數據采集與控制層、消息服務與持久層、業務層和展示層。能源管理系統總圖（見圖3），能源管理系統實時數據（見圖4）。

2.6 運行方式

微電網采用孤島離網運行方式，通過能量管理系統合理調度可再生能源、儲能、同步發電機等，最大限度利用可再生能源，提高微電網運行經濟性。系統主要有蓄電池、PCS、并網逆變器（風、光）、光伏板、風機（含風機控制器）等。

（1）當光照充足和風力較強時，風、光發電除保證負載正常供電外，多余的能量存儲到蓄電池內；若發電量仍然過剩，則通過卸荷器進行卸荷。

表3 三種類型儲能電池性能比較

圖3 能源管理系統總圖

圖4 能源管理系統實時數據

（2）當光照和風力較弱，風、光發電無法滿足負載需求時，通過PCS由蓄電池放電。

（3）當蓄電池、風、光發電都不能滿足負載需求時，啟動柴油機發電機組建立交流母線電壓，供負載使用。

3 結論

A海島建設的基于離網型的多能互補微電網是集分布式光伏、風電、儲能、柴油發電于一體的分布式能源，為島上居民提供清潔、安全、穩定、可靠的電力。對多能互補清潔可再生能源為海島提供安全可靠供電及互聯網+智慧能源運營模式進行探索和實踐，有利改善海島居民生活品質，促進海島旅游業和可持續發展，具有良好的經濟、環境和社會效益。該項目是可復制、推廣的微電網典型示范案例，海島微電網為后續建設提供經驗借鑒和實踐探索。