海岛微电网供电模式下户用风光互补发电系统的应用研究

赵深，孙景钌，林世溪，林群，杜俊红

（1.国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000；2.国网浙江杭州市萧山区供电公司，杭州311200）

海岛微电网供电模式下户用风光互补发电系统的应用研究

赵深1，孙景钌1，林世溪1，林群1，杜俊红2

（1.国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000；2.国网浙江杭州市萧山区供电公司，杭州311200）

在介绍户用风光互补发电系统组成的基础上，对系统与海岛微电网之间的功能交互以及在海岛微电网中的作用进行了研究，针对海岛不同于大陆的气候和自然环境条件，对户用系统在选材、生产、安装等方面提出了特殊要求。户用风光互补发电系统能够最大化利用海岛的风、光等自然资源，并可以通过与海岛微电网控制中心之间的交互，作为一种有效的调节手段参与到微电网的运行控制中，从而实现整个海岛微电网的优化、经济、可靠运行。

海岛；微电网；户用风光互补发电系统；功能交互

0 引言

中国500 m2以上的海岛有6 500个以上，其中有常住居民的455个，人口470多万[1]。长期以来，由于电力等能源供应的限制，海岛的发展受到严重制约。目前，海岛的供电模式基本上有2种，即依靠岛上的柴油发电系统构成独立电网为岛上居民提供用电，或者通过长距离海底电缆与大电网相连，由大电网来供电。前者容易对海岛的生态环境造成影响，不利于生态海岛的建设，同时柴油的运输、储存环节额外增加了后期投资成本[2]；而后者不仅经济成本高，而且供电可靠性低，一旦海缆出现故障或被损坏，很难保证海岛居民的持续供电。

海岛一般拥有丰富的风能和太阳能资源，在海岛供电系统中充分利用当地的风、光等可再生能源，依托分布式发电技术是解决海岛能源供应问题的一个行之有效的途径。微电网作为由分布式电源、储能和负荷构成的独立可控供能系统，是发挥分布式电源效能的最有效形式[3-6]。在海岛上采用微电网供电模式，以较少的环境代价，换取较高的整体投资效益和能源转换效率。海岛微电网系统可以独立于陆地大电网孤岛运行，也可以通过海底电缆与陆地大电网互联并网运行，具有运行的灵活性。通过微电网内部多种分布式电源的相互协调补充，可以为岛上用户提供清洁可靠的电力供应。目前，我国已有多个已经投运或正在建设的海岛微电网工程，这一新的海岛供电模式的发展为海岛能源结构的调整指明了方向。

户用风光互补发电系统（简称户用系统）是以家庭用户为单位对新能源进行综合利用的小型发电系统，可以独立运行，也可以并网运行；可以利用单一的风能或者太阳能进行发电，也可以采用风、光互补发电形式。风能和太阳能资源容易受外界气象因素的影响，具有随机性、间歇性的特点，但二者在时间上一般存在很强的互补性，白天太阳光强烈时风会比较小，而到晚上光照减弱时风力反而因地表温差变化大而增强[7-12]。因此，并网型户用系统能够最大化地利用海岛的风能和太阳能资源，有效解决单一发电的不连续问题，是一种比较理想的海岛微电网供电补充模式。

1 户用系统的组成

1.1 系统结构

户用系统主要由风力发电机、太阳能光伏电池、风光互补控制器、蓄电池组、逆变充电一体机等部分组成，具体结构如图1所示。

图1 户用系统结构

风力发电单元、光伏发电单元、蓄电池在直流母线汇集，由逆变充电一体机转换为交流电，同时接入海岛微电网。风力发电单元和光伏发电单元可以根据海岛微电网控制中心的实际控制要求独立运行，也可以同时工作。

1.2 风力发电机

风力发电机按主轴旋转方向大致可以分为2类：水平轴式和垂直轴式风力发电机。水平轴式风机转动轴与地面平行，需随风向变换调整叶轮的朝向，具备较高的风能利用率，价格低廉，但叶片旋转直径较大。垂直轴式风机转动轴与地面垂直，叶轮不需改变方向，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，且其叶轮旋转直径较小，安装使用方便，但价格相对较高。海岛户用系统可根据价格、安装等要求选择不同类型的风力发电机。

1.3 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池主要可以分为晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池2种，其中晶体硅光伏电池又分为单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池的光电转换效率为15%左右，最高的可达到24%，是所有种类的光伏电池中光电转换效率最高的，技术也比较成熟，但其成本较高。多晶硅光伏电池的光电转换效率较单晶硅低，但比薄膜电池要高，并且没有明显的效率衰退问题，而且成本相对较低，因此得到大量应用。

薄膜电池成本低、重量轻，便于大规模生产，但受制于偏低的光电转换效率，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减较快，因此实际中应用并不多。海岛户用光伏电池可以综合工程实际情况，选择单晶硅或者多晶硅电池。

1.4 风光互补控制器

风光互补控制器集风能、太阳能控制于一体，能同时控制风力发电机和太阳能电板对蓄电池进行安全高效地智能充电。控制器应具备防雷、蓄电池过充、过放、防反接、太阳能电池防反充、风机过转速刹车、过电流刹车、过风速刹车等完善的保护功能，能够控制蓄电池按照设定的充电模式进行智能充电，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。

风光互补控制器可以说是户用系统中的核心部件，其性能的好坏直接影响到整个系统的寿命和运行稳定性，因此在选择海岛户用系统时应特别关注控制器性能，尤其是在海岛上应用时的适用性。

1.5 逆变充电一体机

逆变充电一体机集合了逆变器、蓄电池充电器等多种功能，在风、光资源充足时，可以将直流电逆变成交流电供户用负荷并把多余的电量上送到微电网；在风、光资源不足且蓄电池剩余容量不够时，由微电网向负荷供电并对蓄电池充电。逆变充电一体机应具备通信接口，以实现与微电网控制中心的信息交互，能够接受微电网控制中心的命令，实现户用系统并网运行和离网运行两种模式之间的切换。

在户用系统并网运行时，逆变充电一体机输出的电流谐波应尽可能小，保证对微电网不会产生谐波污染和冲击；在离网运行时，能够起到电压源作用，保证负荷的可靠供电。

此外，逆变充电一体机还应具备过载保护、过热保护、短路保护等功能，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变充电一体机本身及户用系统其他部件免受损伤。海岛户用系统在选择逆变充电一体机时，也应特别注重其性能在海岛环境下的适用性，保证能够可靠、稳定地运行。

1.6 蓄电池组

储能技术可分为物理、电磁、电化学和相变储能4类，考虑到海岛实际实施条件以及技术、运行成本等因素，海岛微电网中户用系统的储能采用电化学蓄电池组较为合适。

在选择蓄电池时，要综合考虑电池的电气性能、成本、尺寸、质量、寿命、维护性、安全性、再利用性等条件。铅酸蓄电池在技术上不断完善和进步，价格低廉、性能可靠、安全性高，得到了广泛的应用。作为先进铅酸蓄电池的代表，铅炭电池将具有电容特性或高导电特性的炭材料加入到负极，结合铅酸电池和超级电容器的优势，既保持了铅酸电池高能量密度，又具有超级电容器高功率、快速充放电、循环寿命长的特点，使电池性能得到了更大的突破，特别适合用在分布式发电领域。

从工程实际应用角度来看，铅酸蓄电池性价比较高，较为适合在海岛户用模式中使用，而铅炭电池由于具有性能上的优势，代表着未来储能技术的方向，可以进行尝试性应用。

2 户用系统与海岛微电网的交互

2.1 功能交互

在海岛微电网系统中，户用系统可以作为一个重要的调节手段参与微电网的运行控制，通过与微电网之间的协调配合，保证微电网的稳定、可靠、经济、优化运行。

对微电网而言，户用系统即为一个独立可控系统，除了要向微电网控制中心上传风机、光伏、储能的实时信息外，同时还要将与微电网联络线上的功率信息上送到控制中心，并能够接收控制中心的命令，进行并/离网运行切换。

在正常情况下，户用系统并网运行后，当风力、光伏发电功率小于负荷功率时，首先由蓄电池放电为负荷供电，如果还有不足，则由微电网通过联络线补足差额电量，此时整个户用系统可以看作是微电网中的一个“负荷点”；当风力、光伏发电功率大于负荷功率时，由风力、光伏发电向蓄电池充电，如果蓄电池充满后仍有剩余电量，则通过联络线向微电网外送，此时户用系统可以看作是微电网中的一个“电源点”。

微电网控制中心根据户用系统联络线上采集到的实时功率信息，首先对户用系统进行定性，并综合微电网中其他组成部分上传的信息，形成微电网优化运行控制策略，当需要断开户用系统联络线时，将向户用系统发送离网命令，户用系统与微电网之间没有功率交互，若风力、光伏发电功率大于负荷用电，多余功率向蓄电池充电，蓄电池充满后启动卸荷；若风力、光伏发电功率小于负荷用电，由蓄电池提供不足功率，当蓄电池容量消耗大于离网运行容量下限时，停止向负荷供电。户用系统与海岛微电网之间的功能交互流程示意如图2所示。

2.2 通信交互

图2 户用系统与海岛微电网功能交互流程示意

户用系统要实现与海岛微电网之间的功能交互，充分发挥其在海岛微电网中的协调作用，需要借助于可靠的通信网络。户用系统分布一般比较分散，在距离微电网控制中心比较远的区域，为减少投资费用，可以采用GPRS（通用分组无线服务）技术，在微电网控制中心安装固定IP（网络之间互联的协议）通信设备，远端户用系统接入固定IP设备，进行数据交互。GPRS无线通信方式的原理示意如图3所示。

图3 海岛微电网GPRS无线通信示意

对于距离微电网控制中心比较近的区域，为了增强微电网与户用系统之间通信的可靠性，可以考虑采用EPON（以太网无源光网络）技术。在微电网控制中心配置OLT（光线路终端）设备，在就近的各户用系统配置ONU（光网络单元）设备，ONU终端可以选用双PON口（无源光纤网络）实现全保护自愈，ONU设备采用工业级设备，以满足海岛恶劣的运行环境。

根据各户用系统的地理分布形态，并结合海岛电气主接线结构，ONU终端串接成链状接入微电网控制中心OLT设备的主备PON口，形成以微电网控制中心为汇聚节点的物理环。就近的户用系统与微电网控制中心之间的通信示意如图4所示。

图4 海岛微电网EPON通信示意

微电网控制中心在进行运行控制时，优先对就近的户用系统进行控制，当控制效果仍然不能满足微电网运行要求时，再考虑通过GPRS无线网络向远端的户用系统发控制调节命令。

3 户用系统对海岛环境的适应性

3.1 户用系统应能适应海岛环境

在海岛户用系统的使用中，除了要研究户用系统与微电网在结构与功能上的密切联系外，还要充分考虑海岛不同于大陆的特殊气候和自然环境条件。针对海岛的特殊情况，户用系统应在选材、生产、运输、安装等全过程中进行相应的技术处理，以充分发挥在海岛微电网中的作用。

海岛的高温、高湿、高盐雾环境会对户用系统中的各组成部件产生较大的腐蚀作用。在选材方面，与陆上多采用铝材料边框不同，海岛用光伏组件边框宜采用不锈钢或其他耐腐蚀材料，以提高其防腐能力，而组件的非金属部分也需要考虑在强紫外线辐射条件下的抗老化能力。一些户外设备的外壳应考虑喷涂耐高温、耐湿、耐腐蚀的特殊防护材料，增强设备的环境适应性；风光互补控制器、逆变充电一体机等控制设备中的电路板，可以考虑喷涂一些与空气隔绝的环氧树脂涂料，以抵御海岛盐湿空气或污染物的影响，避免短路。此外，相关设备在出厂前应进行严格的盐雾试验，确保设备在实际应用中具备良好的电气和机械性能。

3.2 户用系统的抗台风能力

台风是海岛经常会遭遇到的一种恶劣气象，光伏组件、风机的主要设备均位于户外，台风会对它们产生较大的影响。海岛户用系统中的光伏组件一般安装在用户的屋顶，为了减小台风的影响，在安装时可以适当减小光伏组件的安装倾斜角，通过利用楼顶女儿墙的高度来防止台风将组件向上拔起；同时应根据安装环境的具体位置及风向情况，在光伏组件满足太阳能发电允许方向角的前提下，尽可能使光伏组件方向角和安装点位置风向之间的角度差控制在0～90°，从而使台风从组件的侧面吹过时产生向下的压力而不是向上的拉力；另外，在安装时还要充分考虑光伏组件和支架以及支架和用户屋顶之间的可靠连接，采取相应的加固措施。

为了应对台风影响，户用系统中的风机也应特别注意其安全可靠和环境适用性。当风速超过25 m/s时，风机系统应能够停止发电进入保护自锁状态；同时应根据海岛的安装环境及实际的风力资源等级选择不同高度的杆塔，从而可以在充分利用风能资源的情况下，保证风机的安全可靠运行。在风机安装时，还需要考虑海岛环境，因地制宜地选择合适的安装方式及加固方案，比如可以通过加大风机的浇筑基础、加固硬连接式斜拉杆和防机械疲劳式斜拉索等方法，增强抵御台风的能力。

3.3 户用系统的抗雷暴能力

雷暴天气也是海岛常见的气象。海岛户用系统中的户外设备一般具有高耸、突出等易受雷击的特征，当雷暴释放出巨大能量时，极易造成光伏组件、风力发电机的损坏，甚至引起发电系统过电压，导致电机击穿和控制设备的烧毁。因此，户用系统在建设时要采取充分的防雷措施。

4 结语

我国的海岛数量众多，作为解决海岛供电问题的一种有效方式，海岛微电网以其独特的优势得到了快速发展，并已有多个工程应用实例。户用系统简单可靠，且可灵活接入海岛微电网系统，具备“即插即用”能力，具有较强的扩展性。在未来海岛微电网建设中可以作为有效补充。

[1]谭茂强，邓长虹．海岛微网建设关键技术研究[J]．电力建设，2013，32（2）∶60-63．

[2]刘杰，姜海波．偏远岛礁可再生能源开发利用技术经济分析[J]．可再生能源，2012，30（3）∶118-121．

[3]苏玲，张建华，王利，等．微电网相关问题及技术研究[J]．电力系统保护与控制，2010，38（19）∶235-238．

[4]杨琦，马世英，李胜，等．微型电网运行及控制设计[J]．电工技术学报，2011，26（S1）∶267-273．

[5]张原飞，杜伟，顾煜炯，等．基于海洋能的海岛供电技术的研究[J]．华东电力，2013，41（1）∶185-189．

[6]郭天勇，赵庚申，赵耀，等．基于风光互补的微网系统建模与仿真[J]．电力系统保护与控制，2010，38（21）∶104-108．

[7]谈蓓月，杨金焕，李康弟．改进风/光互补发电系统优化设计的新方法[J]．华东电力，2005，33（12）∶5-9．

[8]郭创新，张理，张金江，等．风光互补综合发电系统可靠性分析[J]．电力系统保护与控制，2013，41（1）∶102-108．

[9]宋洪磊，吴俊勇，冀鲁豫，等．风光互补独立供电系统的多目标优化设计[J]．电工技术学报，2011，26（7）∶104-111．

[10]杨茂荣，高金锐，郭小坚．新型户用风光互补供电系统[J]．可再生能源，2006，24（3）∶70-72．

[11]陈松利，田德，孙云峰，等．离网型户用风光互补发电系统的匹配[J]．吉林大学学报，2012，42（4）∶882-886．

[12]邓威，李欣然，李培强，等．基于互补性的间歇性分布式电源在配网中的优化配置[J]．电工技术学报，2013，28（6）∶216-225．

（本文编辑：陆莹）

Application Research of Household Hybrid Wind-Solar Hybrid Generation System under Island Microgrid Power Supply Mode

ZHAO Shen1，SUN Jingliao1，LIN Shixi1，LIN Qun1，DU Junhong2
（1.State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2.State Grid Hangzhou Xiaoshan Power Supply Company，Hangzhou 311200，China）

Based on the brief introduction of the components of hybrid wind-solar generation system，the function interaction between household system and island microgrid as well as the role of household system plays in island microgrid are studied.Aiming at the climate and natural environment condition of island which are different from those of the continent，special requirements on material selection，production and installation of household system are put forward.The hybrid household wind-solar generation system can maximize the utilization of wind and solar resources on island；moreover，it can involve in microgrid operation control as an effective regulation measure through interacting with island microgrid control center and thus achieves the optimal，economical and reliable operation of whole island microgrid.

island；microgrid；household hybrid wind-solar generation system；function interaction

TM614∶TM615

：B

：1007-1881（2014）05-0022-05

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2011AA05A107）

2013-10-09

赵深（1970-），男，浙江温州人，高级工程师，研究方向为分布式发电及微电网技术。