海島微電網(wǎng)分布式電源的合理規(guī)劃分析

胡大朋

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

面對海島微電網(wǎng)日益復(fù)雜化的電網(wǎng)功能結(jié)構(gòu)[1]，為有效提升改善能源利用率、能源結(jié)構(gòu)，同時也為了能夠獲得最優(yōu)化的用戶體驗(yàn)、最大化的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益和最優(yōu)化的海島運(yùn)行效果，采用可控分布式電源至關(guān)重要。所以本次研究展開對海島微電網(wǎng)分布式電源的合理規(guī)劃研究也就具有重大的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義。

1 海島電網(wǎng)與大陸聯(lián)網(wǎng)的情況

目前東澳島、大萬山島、桂山島已與大陸聯(lián)網(wǎng)，外伶仃島、擔(dān)桿島為離島型微電網(wǎng)。

東澳島、萬山島、桂山島依托三角島升壓站作為上級電源，現(xiàn)狀已建成三角島—東澳—萬山單回輻射線路、三角島—桂山島單回輻射線路，近期規(guī)劃成單回鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高海島供電可靠性；遠(yuǎn)期結(jié)合海島負(fù)荷發(fā)展，規(guī)劃形成不完全雙回鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

外伶仃島、擔(dān)桿島微電網(wǎng)現(xiàn)狀：外伶仃島總裝機(jī)2 080 kW（3×480+2×320 kW）。擔(dān)桿島目前主要通過柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電，柴油發(fā)電機(jī)總裝機(jī)620 kW（2×250 kW+1×120 kW）。部隊(duì)投資建設(shè)的柴油發(fā)電機(jī)總裝機(jī)190 kW（3×50 kW+1×40 kW），光伏總裝機(jī)50 kWp[3]。

2 擔(dān)桿島、外伶仃島與大陸電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)問題

擔(dān)桿鎮(zhèn)所屬區(qū)域包括外伶仃島和擔(dān)桿島，兩個海島常住人口分別為650 人和350 人，島上供電電源主要為柴油發(fā)電機(jī)組，輔助少量的光伏發(fā)電。由于外伶仃島、擔(dān)桿島離珠海陸地的距離接近70 km 海纜的建設(shè)可行性不足，同時島上的微電網(wǎng)基本滿足目前海島的用電需求。未來可以結(jié)合負(fù)荷發(fā)展的需要對微電網(wǎng)進(jìn)行升級改造，具體情況如下。

行政審批方面：根據(jù)目前海上施工報批流程來看，海纜施工報批除了涉及海洋環(huán)評及施工許可外，還涉及海軍審批的相關(guān)手續(xù)。

航道影響方面：外伶仃島附近海域海運(yùn)航線繁忙，該海域存在國防設(shè)施及相關(guān)的軍事用途的船只，海纜的建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)難度非常大。外伶仃海域比較淺，海底電纜路徑將經(jīng)過多達(dá)30 個錨地，電纜容易遭受來往貨運(yùn)、客運(yùn)輪船拋錨刮蹭，可靠性差。

建設(shè)管理方面：海纜路由區(qū)潮流為往復(fù)流，平均流速較大，經(jīng)過區(qū)域海水較深，主槽位置地質(zhì)復(fù)雜，底床最大切割深度大，屬于不穩(wěn)定的海床，登陸點(diǎn)前沿潮灘地形陡峭，工程實(shí)施難度非常大。

運(yùn)行管理方面：海纜故障后修復(fù)時間受天氣及作業(yè)面的影響時間上不可控，少則半個月，多則幾個月。一旦海纜出現(xiàn)故障，修復(fù)完成前只能依靠島上微電網(wǎng)進(jìn)行供電。

專業(yè)技術(shù)方面：海底電纜建設(shè)長度超過30 km，且由于島上負(fù)荷較小將造成巨大的運(yùn)行損耗，長距離送電電能質(zhì)量不穩(wěn)定。

3 海島微電網(wǎng)分布式電源設(shè)計(jì)架構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

本次項(xiàng)目研究全力推進(jìn)海島新能源微電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，積極構(gòu)建多能互補(bǔ)、清潔高效的島礁能源保障體系。建議外伶仃島、擔(dān)桿島逐步完善島內(nèi)新能源微電網(wǎng)建設(shè)，以滿足其負(fù)荷發(fā)展需求，并探索“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)海島節(jié)能減排、保護(hù)海島生態(tài)環(huán)境以及助力海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多贏目標(biāo)。

以母線的不同類型為依據(jù)，劃分為直流、交流、交直流混合式微電網(wǎng)，并且也可以將不同接線方式劃分為輻射式、多環(huán)、網(wǎng)狀等方法。從能量管理模式方面又可以劃分為分散、集中、分層式。根據(jù)不同的微電網(wǎng)運(yùn)行方式又能夠劃分為離網(wǎng)、并網(wǎng)兩種運(yùn)行方式。結(jié)合以上項(xiàng)目分析本次研究還考慮了淡水負(fù)荷因素，儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)二者之間協(xié)調(diào)運(yùn)作，能夠有效保持MG 穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)能夠運(yùn)行安全穩(wěn)定，并接入可再生能源，可以有效減少柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用，與此同時減少有害物質(zhì)的排放。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件：由于發(fā)電功率與風(fēng)向、風(fēng)機(jī)尺寸、位置、發(fā)電性能等多因素密切相關(guān)，所以為了反映風(fēng)力發(fā)電準(zhǔn)確性，建立反映風(fēng)力發(fā)電準(zhǔn)確性引入Weibull 函數(shù)公式為分布函數(shù)的寬度用k形狀參數(shù)表示，風(fēng)機(jī)的均勻風(fēng)速反應(yīng)參數(shù)用c表示。

波浪能發(fā)電組件：在海島中的波浪能資源較其他資源尤為豐富，因此也就形成了更加多樣化的發(fā)電類別。海洋波浪能的單位周期如圖1 所示。作為海洋波浪能的單位周期，發(fā)電功率計(jì)算公式為該數(shù)學(xué)模型經(jīng)處理并在實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用獲得公式Pwave=CH2TW，其中，一般經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C取值為0.3～0.5，本次項(xiàng)目C取值為 0.42。

圖1 海洋波浪能的單位周期

儲能單元發(fā)電組件：對于微電網(wǎng)來講，儲能系統(tǒng)作為必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，所以需要將儲能裝置加入微電網(wǎng)規(guī)劃方案中，從而有效改善電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠性。結(jié)合該項(xiàng)目通過運(yùn)用儲能元件，能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)運(yùn)行過程中存在的功率變動問題采用儲能元件加以解決。在t與t-1 不同時段下蓄電池的充放電容量值公式分別為：

柴油發(fā)電機(jī)組作為離網(wǎng)式海島微電網(wǎng)后備電源，能夠吸納可再生能源協(xié)調(diào)儲能系統(tǒng)，但是無法滿足電能供應(yīng)平衡，柴油發(fā)電機(jī)組能夠供應(yīng)電力，從而對海島居民的用水用電形成有力保障，柴油發(fā)電機(jī)燃料功率公式為F（t）=aPRP（t）+bPG（t）。

4 分布式電源容量優(yōu)化配置

結(jié)合該項(xiàng)目本次提出的MG 運(yùn)行方案，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大的居民滿意度、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益與最優(yōu)化的海島運(yùn)行效果，基于左側(cè)混合再生能源優(yōu)先發(fā)電，右側(cè)儲能補(bǔ)充功率式管理。一方面能夠?qū)⒊潆娔茉磧δ芟到y(tǒng)管理發(fā)電側(cè)；另一方面又能夠在儲能系統(tǒng)功率缺失情況下作為負(fù)荷存在方式，來實(shí)現(xiàn)有效的充電調(diào)節(jié)，能夠?qū)稍偕茉吹陌l(fā)電電量有效利用并很好地保護(hù)環(huán)境。

可控組件能量交換具體如下。

制水機(jī)組功率調(diào)節(jié)：通過根據(jù)用水需求來制定制水功率下限，根據(jù)剩余水量及容量決定淡水池。相應(yīng)根據(jù)用水需求決定制水功率，根據(jù)剩余水容量決定淡水池。制水機(jī)組功率上限設(shè)定Swater（t-1）-Swater-min≥Qwater。

儲能系統(tǒng)充放電：首先通過制水機(jī)組對功率在可控范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)，如果未能滿足系統(tǒng)的功率平衡，則應(yīng)當(dāng)展開下一步調(diào)節(jié)，補(bǔ)償蓄電池充放電差額功率，與蓄電池的充放電功率及相應(yīng)的能量限制為依據(jù)，即可完成不同單位時間內(nèi)的蓄電池充放電功率計(jì)算。

柴油發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)：如果儲能單元及負(fù)荷功率存在差額，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)，運(yùn)用柴油發(fā)電機(jī)對差額功率進(jìn)行補(bǔ)償。柴油發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中不能單純持續(xù)低功率工作，需要設(shè)定輸出功率限定值

5 結(jié)語

在本次研究中，圍繞海島微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化調(diào)度相關(guān)問題展開研究，構(gòu)建海島微電網(wǎng)分布式電源配置模型，設(shè)計(jì)微電網(wǎng)分布式電源，建立可調(diào)節(jié)符合的微電網(wǎng)容量規(guī)劃模型，包括儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的合理規(guī)劃分布式電源，能夠跟蹤可再生能源發(fā)電，并提升居民用水可靠性。