低碳型海島風光潮儲供電系統的設計

楊 佳，高芷蓉，于興華，王詩怡，王 力，趙 斌,

(1. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114；2. 長沙理工大學城南學院，長沙 410076；3. 長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙 410114)

0 引言

海島對發展海洋經濟、維護生態平衡、保障國防安全有著重大意義[1]。中國海島數量多，面積超過500 m2的海島達6500 余個，其中有常住居民的海島多為偏遠海島[2]，其供電多依賴于常規能源的遠距離輸送，不僅成本高，且在遇到風暴、大浪等惡劣海況時難以保障供電需求[3]，實現海洋低碳清潔能源利用是建設海洋強國的重要戰略目標。

以新能源為主體的微電網可為海島提供清潔電力，國內外已有諸多該類海島微電網建設案例。比如：美國夏威夷卡哈拉島微電網；中國珠海市東澳島微電網，該微電網由1.04 MW 光伏發電系統、0.05 MW 風電機組、1.22 MW 柴油機、2 MWh 鉛酸蓄電池組成，接入10 kV 電壓等級的電網；浙江省東福山島微電網，該微電網由光伏發電系統、風電機組、儲能和柴油機組成，接入0.4 kV 電壓等級的電網。從案例可以看出，已有的海島微電網大多未擺脫對柴油機供電的依賴，距離低碳目標仍有一定差距。

針對海上鉆井平臺、海洋牧場、海島等構建孤島型微電網是目前國內外相關領域的探索熱點。在微電網優化調度方面，文獻[4]評估了孤立混合可再生能源系統的需求響應潛力，通過降低運營成本和電力負荷峰值來優化系統調度。文獻[5]提出了一種新的調峰算法，并利用孤島微電網模型進行測試，結果表明：該算法能夠保證光伏發電系統的最佳利用率，有效提供調峰服務。在微電網設計方面，文獻[6]提出了考慮不同儲能特性的容量配置方法，提升了新能源的消納水平及電網的靈活性。文獻[7]在考慮需求側管理的基礎上，引入不同運行指標來評價多目標微電網優化調度模型的經濟性、環保性及可靠性，結果表明：所提出的優化調度模型可提高微電網的綜合效益。

已有相關研究大多為風電、光伏發電接入交流電網，較少考慮綜合利用潮汐能等海洋能資源，充分、高效利用海島資源，實現低碳可持續發展仍有待積極探索[8]。本文針對偏遠海島的用能需求、資源現狀和供能現狀，構建了一種低碳型海島風光潮儲供電系統。在對海島的用電負荷情況進行計算的基礎上，對該低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構和運行機理進行分析，并根據電力負荷需求進行設備選型，以構建低碳型海島能源系統；最后以某海島為例，對其搭建的低碳型海島風光潮儲供電系統中不同發電形式的裝機容量和設備選型進行計算分析，并基于EnergyPLAN 模型進行仿真模擬驗證。

1 海島的用電負荷計算

海島的用電負荷主要包括各種生活用電設備，如日光燈、空調、電視、電腦等。另外，為改善海島居民的生活條件，海島上可布置溫室大棚，用于為海島居民提供新鮮蔬菜、水果；建設固體垃圾處理站，用于處理海島居民的生活垃圾，以減少垃圾直接焚燒產生的污染，同時通過垃圾回收實現資源的最大化利用；裝設主動式太陽能蒸餾裝置，用于為海島居民提供清潔淡水。

1)根據海島居民的生活需要，一些偏遠海島上設置了溫室大棚。以某海島為例，該海島上布置了若干間溫室大棚，其跨度均為8 m、長度為100 m；在棚頂均安裝了光伏組件代替部分鋼化玻璃[9]。溫室大棚內的作物采用輪換、錯期、多品種種植方式等，并采用重力滴灌技術和滲水灌溉技術，可在提高蔬菜、水果產量的同時，節約島上水資源。

2)經調研發現，海島的生活垃圾堆積是目前需要解決的重大問題之一。通過對生活垃圾成分進行初步分析可知：塑料品的占比為60%；包裝類紙質品的占比為20%；金屬罐和玻璃瓶的占比為15%；廢舊衣物等其他垃圾的占比為5%。生活垃圾的平均燃燒熱值大于5000 kJ/kg。

因此，海島上建設了固體垃圾處理站，其垃圾處理流程為：將金屬和玻璃等不可燃物進行無害化填埋處理；其余垃圾經焚燒爐焚燒，對產生的灰渣進行回收或填埋[10]。固體垃圾處理站處理的垃圾可通過垃圾堆肥、生物發酵的方式用于農作物施肥。

3)為了提供海島生活用水，采用主動式太陽能蒸餾裝置。該蒸餾裝置配備一系列附屬設備，包括平板式太陽能集熱器和儲熱水箱。通過平板式太陽能集熱器輔助加熱，可提高該蒸餾裝置單位面積的產水量和產水效率；加設儲熱水箱，可在太陽輻射量較小或無太陽輻射量時保證主動式太陽能蒸餾裝置工作正常，以增加產水量[11]。

綜上，海島的最大日用電負荷估算值Pe,max的計算式可表示為：

式中：M為設備類別總數量；Pi為第i類設備的額定功率，kW；Ni為第i類設備的數量；Ci為第i類設備的同時系數。

用電設備耗能的同時系數取決于該設備的使用頻率。例如，宿舍60 W 的節能燈僅在凌晨、夜間使用，選取同時系數為0.6；各工作室80 W的日光燈在夜間及白天光線不足時使用，選取同時系數為0.8；海島垃圾每3 天處理1 次，固體垃圾處理站的同時系數取0.3。

2 低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構和運行機理

2.1 系統設計架構

低碳型海島風光潮儲供電系統主要由光伏陣列、風電機組、水輪發電機組、控制器、儲能變流器、蓄電池組等設備組成。考慮該風光潮儲供電系統轉換過程中的功率損耗情況，其綜合轉換效率取90%。

考慮海島居民對電力供應穩定性的要求較高且負載的總功率存在動態變化等因素，低碳型海島風光潮儲供電系統的設計采用分布式光伏發電系統、風力發電系統、潮汐發電系統、蓄電池儲能系統和用電設備共交流母線的連接方式，并通過能量管理系統實時監測各設備的運行狀態，構建智能微網系統，用于為負載提供較高質量的電能。海島上另裝設有1 套柴油發電機組作為備用電源。低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構如圖1 所示。

圖1 低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構Fig. 1 Design architecture of low-carbon wind-solar-tidalstorage power supply system for islands

低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構中，包含了采用無土栽培的溫室大棚、固體廢棄物回收利用、主動式太陽能蒸餾等前瞻性創新技術，以滿足海島居民的日常生活所需。

2.2 系統集成設計和運行機理

低碳型海島風光潮儲供電系統由光伏陣列、風電機組、水輪發電機組共同發電，利用蓄電池組儲能系統儲存電能。根據負載用電的動態變化需求，該供電系統可靈活配置多個分布式光伏發電系統和風力發電系統，新增裝機容量可根據需求進行配置。當供電系統遇到大規模故障或發電能力不足時，可采用海島上另外備用的柴油發電機組提供應急電能供應，以保證用電可靠性。

為滿足用電需求，低碳型海島風光潮儲供電系統的主要運行模式包括：

1)分布式光伏發電系統由光伏陣列、光伏匯流箱和光伏逆變器組成，配置蓄電池儲能系統后形成一個以變流器為基礎的智能微網系統。

2)潮汐發電系統采用單庫、單向的運行方式。

3)光照充足時，負載運行所需電量主要由分布式光伏發電系統提供；光照不足時或在夜間，由風力發電系統、潮汐發電系統為負載提供持續穩定的電能；盈余電能通過雙向儲能變流器為蓄電池儲能系統充電。

4)當分布式光伏發電系統、潮汐發電系統、風力發電系統的發電功率短時無法滿足負載需求時，則由蓄電池儲能系統供電，以滿足負載需求。

根據海島居民的建筑物和用電設施的分布狀況，自由靈活地組建多個互聯的獨立智能微網系統。低碳型海島風光潮儲供電系統可在多種供電模式之間實現自動切換，其拓撲結構如圖2 所示。

圖2 低碳型海島風光潮儲供電系統的拓撲結構Fig. 2 Topological structure of low-carbon wind-solar- tidalstorage power supply system for islands

3 低碳型海島風光潮儲供電系統的主要設備選型

3.1 潮汐發電系統

潮汐發電受地理條件和潮汐幅度的影響較大，因此先對潮汐發電系統進行容量配置計算。

根據海島地形，選取能儲存大量海水的地方作為潮汐電站的站址。為減少投資，潮汐電站的發電方式采用單庫、單向運行方式。潮汐發電系統實際裝機容量PT1的計算式[12]可表示為：

式中：S為進水口面積，km2；H為潮差平均值，m。

潮汐發電系統日發電量E的計算式可表示為：

式中：a為與潮汐能發電方式相關的系數，取0.4。

3.2 風力發電系統

根據風資源情況，對風電機組輸出功率PW2進行計算，其計算式可表示為：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；Sw為風輪掃掠面積，m2；v為風電機組運行時的平均風速，m/s。

3.3 分布式光伏發電系統

根據低碳型海島風光潮儲供電系統的整體設計和分布式光伏發電系統安裝位置的太陽輻照度情況，可以得到分布式光伏發電系統日發電量規劃，從而可得到光伏組件的裝機容量，根據光伏組件裝機容量選取合適的光伏組件類型。

光伏組件的裝機容量W的計算式可表示為：

式中：L為分布式光伏發電系統的日發電量，kWh；T為日均峰值日照小時數，h，取5；η為分布式光伏發電系統綜合效率[13]，取0.8。

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，光伏組件串聯數Ns的計算式可表示為：

式中：UN為低碳型海島風光潮儲供電系統的額定直流母線電壓，V；Umax為光伏組件的峰值電壓，V。

光伏組件并聯數Np的計算式可表示為：

式中：N為光伏組件安裝數量。

光伏組件安裝數量的計算式可表示為：

分布式光伏發電系統的裝機容量Ppv的計算式可表示為：

式中：Pmax為光伏組件的峰值功率，kW。

3.4 蓄電池儲能系統

計算蓄電池儲能系統中蓄電池組的總容量C，其計算式可表示為：

式中：We,max為負載的日總耗電量，kWh；D為蓄電池組的放電深度，按50%設計；X為供電系數，為保證連續3 天極端天氣下低碳型海島風光潮儲供電系統供電正常，可取3.5。

根據計算得到的蓄電池組總容量進行蓄電池的選型。蓄電池組中單體蓄電池的串聯數量Ns1的計算式可表示為：

式中：U1為單體蓄電池的工作電壓，V。

蓄電池組中單體蓄電池的并聯數量Np1的計算式可表示為：

式中：Q為單體蓄電池的容量，Ah。

則蓄電池組中單體蓄電池的總數量N1的計算式可表示為：

4 案例分析

4.1 案例背景

以某海島為例，對在該海島搭建低碳型海島風光潮儲供電系統時，不同發電形式的裝機容量進行計算分析和設備選型，并基于EnergyPLAN模型進行仿真模擬驗證。某海島的供電與生活現狀概述為：該海島采用海底電纜供電方式，但海底電纜的安裝維護費用高，且隨著空調、通信設備等大功率用電設施增加，電費高昂，因此該種供電方式不利于長期發展。該海島屬于典型季風氣候，空氣潮濕，而且物資匱乏、淡水稀缺，日常供給均需海運，島上居民的生活條件艱苦，迫切需要改善生活條件。

該海島的位置偏遠，遠離城市大電網，且常規能源匱乏，但風能、太陽能、潮汐能等可再生能源豐富；而高溫、高濕、強太陽輻射等特性造成該海島的用電負荷構成與內陸地區存在差異。該海島1 年的氣象數據如圖3 所示。

圖3 該海島1 年的氣象數據圖Fig. 3 Graph of meteorological data of the island for one year

從圖3 的氣象數據可以分析得出：

1)該海島的風能、太陽能、潮汐能資源充足，利用價值高。其中，日平均風速可達6.0～11.5 m/s，風能資源可觀；年總太陽輻射量為1500～1600 kWh/m2，屬于太陽能資源較豐富地區。

2)該海島的太陽能資源呈現夏季充足、冬季略弱的特點；風資源呈現白晝小、夜間大，夏季小、冬季大的特點；每日有漲潮、落潮，高、低潮之間的潮差大。

此外，根據該海島位置及中國科學院海洋研究所數據可得，該海島的平均潮差為3.99 m，潮汐能資源可予以利用。對氣象數據進行綜合分析后可知，采用低碳型海島風光潮儲供電系統為島上居民提供日常用電，具有較高的互補性和可靠性。

4.2 某海島的用電負荷計算

該海島上的建筑包括30 余間宿舍，每間宿舍均安裝2 盞60 W 的節能燈、1 臺1 匹的空調；其余為生活設施，包括溫室大棚、大澡堂、會議室、教研室若干間，這些設施內各安裝4 盞80 W 的日光燈；另外，會議室和教研室各安裝1 臺3 匹的空調。該海島的具體用電負荷情況如表1 所示。

表1 該海島的具體用電負荷情況Table 1 Specific electricity load situation of the island

結合表1 可計算得到，該海島的日平均用電負荷估算值為104.842 kW。按每日用電負荷運行12 h(其中白天運行8 h、夜間運行4 h)計算，所有建筑的日耗電量為1258.104 kWh。

4.3 某海島的設備選型

考慮低碳型海島風光潮儲供電系統轉換過程中的功率損耗情況，其綜合轉換效率取90%，再考慮到日用電量會有輕微波動，該供電系統的總發電功率設計為117 kW，需要滿足的日總發電量為1404 kWh。

海島漲潮高度最高為6.28 m、最低為0.02 m，平均潮差為3.99 m，滿足潮汐發電系統發電的潮差幅度要求。進水口面積為0.03 km2，則經過計算，潮汐發電系統的總裝機容量選擇100 kW。

結合圖3 的氣象資料分析可知，該海島的日平均風速達6.0～11.5 m/s，海島風力發電系統的日有效發電時間為5 h。選用20 臺HF4.0-2000 型號的風電機組，則該海島風力發電系統的總發電功率為40 kW。所選用的風電機組的參數如表2 所示。

表2 所選用的風電機組的參數Table 2 Parameters of selected wind turbines

該海島光照資源豐富，根據低碳型海島風光潮儲供電系統的整體設計，分布式光伏發電系統的日發電量需求為678 kWh，所需光伏組件裝機容量為169.5 kW。額定直流母線電壓設定為400 V，經計算可得，光伏組件串聯數為10 塊，并聯數為39 串，則光伏組件安裝數量為390 塊，分布式光伏發電系統的裝機容量為171.6 kW。所選用的光伏組件的參數如表3 所示。

表3 所選用的光伏組件的參數Table 3 Parameters of selected PV modules

通過計算可得，蓄電池儲能系統中蓄電池組的總容量為9828 kWh，選用工作電壓U1為2 V的型號為GMF1000 的蓄電池。計算可得，單體蓄電池的串聯數量為200 塊，并聯數量為25 串，則單體蓄電池的總數量為5000 塊。因此，實際運行的蓄電池組總容量為10000 kWh。

4.4 基于EnergyPLAN 模型的算例驗證

4.4.1 研究方法及數據來源

為驗證低碳型海島風光潮儲供電系統的可行性，采用EnergyPLAN 模型進行算例驗證。

EnergyPLAN 模型是丹麥奧爾堡大學研發的一種基于能源系統分析的計算機模型，其具有以下特點：1)考慮了能源波動，分析以小時為單位進行，可進行為期1 年的分析；2)該模型是一個輸入/輸出模型，操作過程十分簡便；3)該模型基于分析程序計算，運算速度快；4)可根據技術調控目標和市場經濟目標對優化結果進行分析。

在本算例中，輸入部分包括用電需求、可再生能源出力、儲能能力等設置，輸出部分為能源供應方案分析結果。研究涉及整個低碳型海島風光潮儲供電系統各組成部分的運行狀況，所需要的數據量較大；并且由于EnergyPLAN 模型是一個確定的輸入/輸出模型，對于數據的可靠性要求很高。本算例模型中的電力需求、光伏發電系統、風力發電系統、潮汐發電系統的裝機容量根據前文的設備選型結果來確定。

由于模型分析是以小時為單位、逐時變化的，需要每小時電力需求、光伏發電、風力發電、潮汐發電出力的分布數據。以閏年1 年(366 天)為參考，則需要8784 個逐時數據。

電力需求和各種發電形式的出力分布數據的確定是計算中的難點。其中，電力需求分布數據是根據調研得到的某海島電力需求模擬而得；光伏發電、風力發電、潮汐發電出力分布數據等是根據設備選型及該海島的資源情況，再結合EnergyPLAN 官網提供的數據推算獲得。

4.4.2 計算結果及分析

模擬計算時，首先滿足供需平衡、電網穩定性的目標，得出低碳型海島風光潮儲供電系統中不同發電形式的月平均發電功率，如表4 所示。

表4 低碳型海島風光潮儲供電系統中不同發電形式的月平均發電功率(單位：kW)Table 4 Monthly average power generation of different power generation forms in low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands (Unit：kW)

從表4 可以看出：該算例中不同發電形式月平均發電功率總和的平均值約為47.3 kW，則整個低碳型海島風光潮儲供電系統的月平均發電功率為50 kW 左右。當這幾種發電形式的發電功率不足時，由蓄電池儲能系統供電，以滿足海島居民的電力需求。

通過模型模擬出該算例的低碳型海島風光潮儲供電系統運行1 年(閏年)的電能年消耗分布、電能年生產分布、年電力平衡情況，結果分別如圖4～圖6 所示。圖中：過剩電力輸出是指與外部微網系統連接時，該風光潮儲供電系統過剩電力的對外輸出。

圖4 采用低碳型海島風光潮儲供電系統時整個海島的電能逐時消耗量分布Fig. 4 Hourly electricity consumption distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

圖5 采用低碳型海島風光潮儲供電系統時整個海島的電能逐時生產量分布Fig. 5 Hourly electricity production distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

圖6 采用低碳型海島風光潮儲供電系統時整個海島的逐時電力平衡情況Fig. 6 Hourly power balance situation of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

為盡可能模擬實際電力負荷情況，模擬中設置了彈性隨機波動負荷，以體現不同時刻負荷具有的波動性，波動負荷最大功率為104 kW，年耗電量設置為0.076 GWh。通過對圖4～圖6 進行分析可知：低碳型海島風光潮儲供電系統的電能生產量在全年各時段基本能滿足該海島的動態負荷需求，模擬結果驗證了該供電系統設計的合理性。

5 結論

本文針對偏遠海島的用能需求、資源現狀和供能現狀，設計了一種低碳型海島風光潮儲供電系統，該供電系統為孤島型供電系統，可實現可再生能源的最大化利用。對該低碳型海島風光潮儲供電系統的設計架構和運行機理進行分析，并根據海島的電力負荷需求進行設備選型，最后基于EnergyPLAN 模型對該供電系統設計的合理性進行了算例驗證，得出的主要結論為：

1)提出了采用不同用電負荷的同時系數方法，計算海島的電力負荷情況。

2)海島配置了多個無土栽培溫室大棚，裝設了主動式太陽能蒸餾裝置；該低碳型海島風光潮儲供電系統的分布式光伏發電系統、風力發電系統、潮汐發電系統、蓄電池儲能系統和用電設備采用共交流母線連接，可提供多種供電模式，通過自動切換為負載提供高質量電能。

3)以某海島為例，結合某海島資源特點，根據該海島的用電需求計算了低碳型海島風光潮儲供電系統中不同發電形式和蓄電池儲能系統的容量配置及設備選型，以滿足海島居民的生活電器、海水淡化、垃圾處理等的電力需求。基于EnergyPLAN 模型進行算例驗證，對該海島的年電力供需平衡進行模擬計算，模擬結果驗證了設計的合理性，所設計的低碳型海島風光潮儲供電系統能滿足該海島的用電需求，為獨立海島供電系統的優化設計提供了參考。