一種用清潔能源保障某離岸島嶼供電的應用系統設計

王 冬，王福家，許衛國，杭軍兵

（江蘇豐海新能源工程技術有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引言

離岸島嶼的供電有兩種基本模式，自發自用構建的獨立電網和通過長距離水底電纜與大電網相連。自發自用大多是基于柴油發電機系統作為常用發電設備，使用成本高、噪聲污染嚴重；利用水底電纜由大電網供電雖具有較高的可靠性，但成本高、維護困難[1-2]。大部分離岸島嶼地理位置獨特，風能、太陽能等資源充足，非常適合微電網的構建。微電網也是為大電網覆蓋困難地區提供電能的一種有效途徑，合理、有效的利用清潔能源發電來組建微電網，對解決離岸島嶼高質量供電問題具有顯著的實際意義[3-4]。

某離岸島嶼總面積約110 畝，常住人口125 人且配套設施齊全，島上用電基本沒有保障。但該島嶼在核心景區附近，環境優美、人流量大，當地政府計劃將該島嶼打造成綠色旅游島。文中基于該島嶼清潔能源智能供電供水項目，充分依據可行性研究報告以及項目現場的實際情況，提出一個利用清潔能源發電就可以滿足該島嶼日常用電的微電網系統。

1 島嶼負荷現狀估算

在項目初步設計階段，負荷估算與分析是系統設計的基礎。系統總負荷可分為已知可計算負荷和不確定負荷。針對部分不確定用電負載，根據離岸島嶼的自然條件與負荷需求狀況，參考城市規劃設計規范和各類建筑負荷密度指標要求[5-6]，采用負荷密度法估算，估算出該島嶼的不確定負荷，如表1 所示。詳細分析該島嶼遠景負荷的用電需求，將接入系統的負荷統計如表2所示。

表1 不確定負荷估算匯總表

表2 系統負荷估算匯總表

通過最終核算，該離岸島嶼的最大設備預估功率為278.08 kW，該島嶼不確定負荷多為阻性負荷。考慮用電設備的同時使用率、功率因數等情況，結合現有資料，參照文獻[6]中的需用系數負荷換算方法估算，取遠景年最大負荷240 kW。另外，按照該島嶼用電負載的重要程度，可以將用電負荷分為重要負荷與可控負荷。重要負荷包括：微電網監控系統運行負荷、路燈及公共照明負荷、設備預制倉照明負荷。其中，微電網監控系統運行負荷約3 kW。可控負荷可以根據設備運行狀態，手動或策略控制負載的投切。

2 島嶼負荷需求分析

按照全天不同時段該島嶼用電負荷的大小，可以將用電負荷分為早峰、午峰、晚峰、低負荷、空閑5 個狀態，不同時段負荷關系用公式（1）表示。各時段負荷分配計算如表3 所示，根據表3 可計算出全島日消耗最大電量約為2 481.6 kW·h。

表3 不同時段負荷用電數據分析匯總表

式中：PM—不同時段的最大使用功率；PE—系統額定功率；K1—不同時段最大功率占比；K2—線路傳輸、無功等消耗占比。

3 島嶼可利用清潔能源現狀

參考我國城市峰值日照時間，該離岸島嶼所在地全年日照峰值平均時間為4.02 h，每月日照峰值平均時間如圖1 所示，每年的1月份與12月份日照峰值平均時間略低于3 h，其余月份均高于3 h，5月份最高，約為5.35 h。該地區的光照與在我國各大城市的光照時間對比，屬于光照較好的地區，可以建設光伏發電站。

圖1 該地區全年日照峰值時間曲圖

圖2 為該島嶼附近湖區監測的年平均風速變化曲線（30 m塔桿），2、3、4月份平均風速較高，約為8 m/s，10月份最低，約為4.5 m/s，全年平均風速約6.5 m/s，風速波動小。結合現場實際檢測情況、業主需求，認為可以建設風力發電站。

圖2 附近湖區檢測的年平均風速變化曲線

4 系統設計方案

4.1 系統總體規劃

基于文中對該地區負荷的估算與分析、可用清潔能源現狀的分析，考慮負荷供需平衡，若單獨使用光伏發電，按照該地區平均日光照使用時間4.02 h 估算，光伏容量需要約617 kWp；若單獨使用風力發電，考慮中大型風力發電機島上施工難度，暫定選用30 kW 小型風力發電機，根據30 kW 風機風力發電量評估報告測算[7]，該風機在平均風速7 m/s 狀態下，年發電量為87 060.9 kW·h。以一年365 天計算，可計算出日發電量為238.5 kW·h，需要建設10臺30 kW 風力發電機組。為了滿足負荷與業主需求，且充分利用離岸島嶼的風光條件，計劃采用風光儲互補微電網方案。該方案留有一個系統應急啟動用的3 kW 柴油發電機接入口，以保障UPS、儲能放電過度無法啟動設備等極端情況下的系統重新上電。

4.2 光伏發電系統設計

島上可用土地面積分布不集中，根據島嶼可利用土地實際情況，本項目計劃將光伏陣列分布于4 個地塊，通過組串式逆變器匯流逆變為0.4 kV交流電接入電氣設備預制倉低壓開關柜。

選用逆變器的直流輸入參數：最大輸入電壓1 100 V，額定電壓585 V，MPPT 工作電壓范圍200~1 000 V，8 路MPPT，每 路MPPT 最 大 可 輸入2 路。

選用光伏組件的電氣參數：最大功率405 Wp，開路電壓41.2 V，最大功率點的工作電壓34.2 V；溫度影響參數：最大功率溫度系數-0.34%/℃，開路電壓溫度系數-0.25%/℃；光伏組件工作外部環境極限低溫-15 ℃，極限高溫42 ℃。

用公式（2）、（3）[8]計算接入逆變器光伏組件串聯數：

式中：KV、K'V分別為光伏組件的開路電壓溫度系數和工作電壓溫度系數；N為光伏組件的串聯數（N取整數）；t、t'分別為光伏組件工作條件下的極限低溫和極限高溫；Voc、Vpm分別為光伏組件的開路電壓和工作電壓；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓值；Vmpptmax、Vmpptmin分別為逆變器MPPT電壓最大值和最小值。

把逆變器、光伏組件相關數值代入公式（2）、（3）中，計算出：N≤24，7≤N≤25。選用的逆變器額定電壓585 V，光伏組件工作最大功率點的工作電壓34.2 V，用額定電壓除以工作電壓可以計算出光伏組件最佳串聯數為17 或18 塊。綜合考慮環境因數，取每路光伏組件串聯數18塊，則光伏電站總容量為466 560 W=8×2×18×4×405 W。

考慮光伏整列傾角、光照利用率、線路損耗、逆變器損耗等因數[8]，取折算系數0.85，正常發電功率為396.6 kWp，日發電量為1 594.3 kW·h，該光伏電站設計壽命25年，年衰減0.7%，則25年后發電功率為313.8 kWp，日發電量約為1 261.5 kW·h。

4.3 風力發電設計

風力發電機的接入可以保障系統在陽光不足、風資源充足環境下系統連續運行的穩定性，同時，當地政府計劃將該島嶼打造成觀光旅游島嶼，風機的安裝可以增加觀賞性，增加清潔能源應用的示范展示作用。該島嶼離湖岸比較遠，居民集中居住在主島，主島周圍分布了許多窄長的小地塊，復雜的地理環境決定了中大型風力發電機的施工難度。

根據周圍環境，選用4 臺30 kW 小型風力發電機安裝在島嶼風資源比較集中的地塊[9]，每個地塊安裝兩臺風力發電機，風機發電動力線路采用AC-DC-AC 拓撲結構，每個地塊配置一個匯流箱，信號與動力線路匯流后分別接入微電網控制柜與低壓開關柜。風機整體重量約2.8 t，風輪直徑13.1 m，用吊機配合液壓缸進行安裝。根據地質勘察報告分析，采用鋼管樁基礎作塔架安裝基礎，整體塔架高22 m。風機的其它參數：啟動風速2.5 m/s，工作風速3~25 m/s，極端風速59.5 m/s，額定轉速105 r/min，主動偏航，機械離心變槳距，大風環境下采用變槳調控加智能安全防護系統進行保護動力線路，動力線路采用AC-DC-AC 拓撲結構。

4.4 儲能系統設計

本系統自發自用，不與大電網相連，儲能裝置是支撐系統穩定、可靠運行的核心設備。在風、光資源不能滿足系統負荷的情況下，儲能放電，按照系統運行策略，保障負荷用電；反之，儲能充電，存儲多余能量，保證資源的有效利用。

根據該島嶼的負荷情況，本方案設計在無風無光的條件下，保障系統空閑負荷狀態運行12 h，根據公式（4）計算出儲能容量不小于657.4 kW·h。

式中：WC—儲能容量；PMF—空閑負荷最大使用功率；KLR（取值85%）—逆變器、線路等損失系數；SOC（取值85%）—儲能放電深度。

根據上述計算配置儲能變流器與儲能電池。其中，儲能變流器的主要參數：直流輸入電壓范圍520~1 000 V，最大輸入電流1 077 A，8 路直流輸入；儲能電池主要參數：單體電芯（額定電壓3.2 V，額定容量100 Ah，電芯工作電壓范圍（2.5～3.65 V），1 C 放電，將260 節單體電池串聯（每20 塊電池一個插箱，13 個插箱）一簇，共8 路接入儲能變流器。實際配置容量665.6 kW·h（3.2 V×100 Ah×260×8），儲能管理系統結構圖如圖3所示。

圖3 儲能管理系統結構圖

4.5 系統運行分析

假設系統在最大負荷狀態下運行：陽光與風資源充足情況下，系統發電效率最高，儲能充電，能滿足所有設備峰值使用情況下的供電；陽光與風資源波動性大，儲能可以在設備負荷早峰與午峰、午峰與晚峰之間充電，峰值期間配合風光給設備供電；陽光充足、風力小于風機啟動值情況下，光伏發電可以滿足所有設備峰值使用情況下的供電；風資源充足、無光的條件下，此時最大發電功率120 kW，能滿足空閑、低負荷時段供電，其它時段需要儲能輔助出力；風、光資源不滿足發電條件下，儲能保障系統空閑負荷狀態運行12 h，此環境下，系統會定時進入策略運行或運行維護人員手動控制運行狀態，以保障重要電源供電，微電網系統結構如圖4所示。

圖4 微電網系統結構圖

根據上島實際調研情況，島上一般只有七成島民長期居住，漁家樂全年營業時間不到一半的時間，系統實際用電負荷小于統計估算負荷，該系統負荷完全可以滿足島嶼日常用電需求。

5 結語

文中根據某離岸島嶼的實際情況，對該島嶼用電負荷進行估算與分析、對可利用的風光資源進行分析，在對負荷與能源分析的基礎上，提出了系統設計規劃，提出了光伏發電、風力發電、儲能電站的設計方案。根據設計方案，對系統進行了運行分析。我國在剛剛出臺的“十四五”規劃中提到碳中和、能源的綠色環保等相關概念，相信在近期的未來，利用清潔能源發電一定會蓬勃發展。本方案為類似項目提供了實施參照，也是解決遠離大電網的地區供電的可行方案。