海岛微电网多种分布式电源定容研究

郑秀玉，黄娜，余建华，马红伟

（1.武汉电力职业技术学院，湖北武汉430079；2.许继电气股份有限公司，北京100085）

海岛微电网多种分布式电源定容研究

郑秀玉1,2，黄娜1，余建华1，马红伟2

（1.武汉电力职业技术学院，湖北武汉430079；2.许继电气股份有限公司，北京100085）

海岛微电网组网方式分为并网型和独立型两种，均存在多种分布式电源定容问题。鉴于此，研究了海岛微电网组网时的多种分布式电源定容。对于并网型，按计划离网配置适合选择保证综合负荷供电配置，按非计划离网配置适合选择保证重要负荷供电配置，也可以综合两者进行配置，既满足在计划离网时的综合负荷需求，又满足在非计划离网时的重要负荷需求。对于独立型，则利用全年资源满足综合负荷需求进行优化配置。以某一海岛微电网组网为例，给出了具体配置过程，从而提供一定的参考和借鉴。

海岛；微电网；分布式电源；定容；负荷需求

我国拥有约300万平方公里的领海面积，属于一个多岛屿的国家。对海岛开发利用而言，基础设施建设难，各类补给成本较高，特别是供电问题成为海岛开发利用的最大束缚。我国海岛供电方式具体分为海底电缆铺设直接供电和柴油发电两种。第一种方式普遍应用于距离大陆较近的海岛，全国有海岛的省份几乎都敷设有海底电缆，由大陆向海岛供电，以供给常规能源为主；第二种方式广泛适用于具备一定条件，但因距离等因素无法通过电缆直接供电的海岛。在第二种方式中，海岛用电还基本以中小功率的柴油发电机为主，为满足大规模负荷需要，必须增加柴油发电容量，对于保护海岛地区的自然环境将造成非常不利的影响[1]。

近年来技术日臻完善的风能、太阳能、潮汐能等可再生能源发电，可以有效降低对常规能源和柴油发电的依赖。然而，形式多样、性能各异的分布式电源简单并联在一起并不能构成一个稳定的供电网络，系统电能质量、保护和运行等方面较差。因此，寻找基于可再生能源利用的海岛能源供给方案，是解决海岛可持续发展、建设生态海岛的关键。在此背景下，随着微电网的出现，以新能源为主的海岛微电网系统应运而生[1]。

海岛微电网组网方式分为并网型和独立型两种，均存在多种分布式电源定容问题[2-6]。因此，本文研究了并网型和独立型海岛微电网中多种分布式电源定容，并以某一海岛微电网组网为例，给出了具体配置过程，从而提供一定的参考和借鉴。

1 多种分布式电源定容

1.1 并网型海岛微电网组网方式

并网型海岛微电网通过海底电缆与大陆大电网相连。在并网运行时，柴油机发电退出运行，风力发电和光伏发电全部投入，充分利用新能源，主要通过海底电缆保持海岛供电系统功率平衡。在大电网故障、电缆故障或计划检修期间的离网运行时，对海岛微电网中的风力发电、光伏发电、柴油机发电和储能电池优化配置，为海岛负荷可持续供电。可见，海岛微电网中多种分布式电源定容在很大程度上是针对离网运行而言的，即确定海岛微电网中所包含的各分布式电源容量以满足负荷需求。

根据满足负荷需求和投资成本不同，并网型海岛微电网多种分布式电源容量根据以下3种配置方式进行配置。

1.1.1 按计划离网配置

按计划离网要求组建的微电网必须满足在海底电缆检修时能够保证海岛综合负荷可持续供电。令=1，即在满足综合负荷需求的前提下，通过HOMER按照投资成本最低对每个月进行的定容，确定投资成本，选择投资成本最低月份的定容作为微电网多种分布式电源定容，即满足条件下的配置容量为，定义为配置方式1。

1.1.2 按非计划离网配置

按非计划离网要求组建的微电网必须满足在海底电缆故障或大电网故障时能够保证海岛重要负荷可持续供电。令0＜＜1，即在满足重要负荷需求的前提下，通过HOMER按照投资成本最低对每个月进行的定容，确定配置容量，选择各电源容量最大值，即max()，定义为配置方式2。

1.1.3 综合计划离网和非计划离网配置

配置方式1侧重于选择何时计划离网在保证综合负荷需求的情况下使投资成本最低，而配置方式2则侧重于任意时刻离网运行保证重要负荷可持续供电。如果既满足在计划离网时的综合负荷需求，又满足非计划离网时的重要负荷需求，就需要将配置方式1和2综合起来，即各电源容量取两者中容量较大的，即，定义为配置方式3。

1.2 独立型海岛微电网组网方式

独立型海岛微电网是一个独立供电系统，在组网时必须综合考虑整个运营期内的供电可靠性和投资成本。在满足综合负荷(=1,2,…,12)需求的前提下，利用全年资源，由HOMER计算最优配置为：

在此，将独立型海岛微电网组网方式下的多种分布式电源定容定义为配置方式4。

2 案例分析

在此以某一海岛微电网组网为例研究多种分布式电源定容。首先根据该海岛资源情况、负荷特性和组网要求确定多种分布式电源类型，然后分别按照本文给出的配置方式1～4进行多种分布式电源定容，最后对配置结果进行分析。

2.1 分布式电源类型确定

图1给出了该海岛一年中各月不同时刻的风速，图2给出了各月不同时刻的光照强度，直观地反映了海岛风力资源丰富、光照充沛，具有一定的风能和太阳能开发价值。图3给出了该海岛规划年的月平均负荷曲线，负荷季节性规律为：5月～9月为用电高峰期，10月～次年4月为用电低谷期，夏季负荷大于冬季负荷，且季节用电差异较大。图4给出了典型月的日负荷曲线，白天负荷大于夜晚负荷，并且日负荷曲线呈双高峰特征分布。结合图3和图4，对于负荷最小月份（1月），日最大负荷约为5000 kW，日最小负荷约为1500 kW；对于负荷最大月份（8月），日最大负荷接近17000 kW，日最小负荷略高于4000 kW。

图1 各月不同时刻风速

图2 各月不同时刻光照强度

图3 规划年的月平均负荷曲线

图4 规划年典型月的日负荷曲线

风速具有夏季小冬季大、白天小夜晚大的特性，太阳辐射量具有夏季大冬季小、仅白天有光照的特性，负荷具有夏季大冬小、白天大夜晚小的规律。可见，在能源供给上风能与太阳能可以形成较好的互补，而在能源供需上太阳能发电与负荷需求趋势相似，所以适合开发风能和太阳能。考虑到风力、光伏发电出力变化和负荷波动，为消减间歇式电源的波动特性，并起到消峰填谷及热备用的作用，需要配置一定容量的储能设备。为保证离网或独立模式下能够安全稳定地提供充足的电能，需要配置一定容量的柴油发电机作为微电网的主电源运行，并能够在电网崩溃的情况下实现海岛微电网黑启动。另外，出于对海岛环境的保护以及海岛资源情况的考虑，不建设其它类型的大型燃料型发电设备。因此，该微电网选取了风力发电、光伏发电、柴油发电和储能设备四种分布式能源。

2.2 电源定容

鉴于HOMER是通过对一年8760h的平衡计算来模拟系统运作的，针对某月份，将全年均采用该月风能资源、太阳能资源和负荷需求，即全年均在该月资源和负荷需求条件下微电网独立运行计算营运期内的投资成本。该海岛供电主网电压等级为10 kV，重要负荷比例范围一般在25%～55%，本文为简化起见折中选定每月的重要负荷比例均为40%。在设置各电源容量时，光伏发电（PV）变化量为100 kWp，风力发电变化量为1台，柴油发电变化量为500 kW，储能电池变化量为50包（电池包容量为2V/3000A/6 kW）。在HOMER软件中，搭建微电网独立运行方式下的配置模型，并输入各分布式电源的经济参数（如表1所示）及备选容量、日负荷和资源数据，计算最优配比。满足重要负荷、综合负荷各月配置分别如表2和表3所示，分别按配置方式1～4配置的电源容量如表4所示。

表1 各分布式电源的经济参数

表2 满足重要负荷的各月配置

表3 满足综合负荷的各月配置

表4 按配置方式1～4的配置

2.3 结果分析

若组建并网型海岛微电网，则针对海底电缆检修，计划离网时间约为一个月，组建微电网时应该按配置方式1配置，以保证综合负荷可持续供电；而对于海底电缆或大电网故障导致非计划离网，其离网时间一般较短，组建微电网时按配置方式2配置，以保证重要负荷的可持续供电。在投资方面，按配置方式1配置投资成本为7.18亿元，按配置方式2配置投资成本为11.89亿元。以按配置方式1配置为例，其投资成本构成如图5所示，柴油发电所占比例最大，仅柴油消耗占总投资成本的一半以上，这是由于投资成本为考虑到全年离网运行计算营运期内（本文设定为25年）的投资成本。这样计算出的投资成本仅用于配置的选取，并不是电网实际运行投资成本。在电网实际运行中，大部分时间处于并网运行状态，因海底电缆检修而计划离网时间每年仅约一个月，而由故障引起的非计划离网时间一般较短，可以忽略不计。可见，分别按配置方式1和方式2配置的实际投资成本仅在设备投资及维护费用上不同，并且主要为设备投资不同。在电源定容方面，光伏发电和风力发电规模增大，虽然在设备投资及维护费用上有所增加，但是考虑到微电网实际运行中大部分时间处在并网运行状态，可以有效利用可再生能源；而柴油发电在离网运行时才投入，储能设备单价比较昂贵，其配备容量均不宜过大。

图5 投资成本构成

在并网型海岛微电网组网时，根据侧重点不同，既可以选择配置方式1或方式2对电源容量进行配置，也可以综合配置方式1和方式2对电源容量进行配置（即配置方式3）。值得说明的是：因为配置的各电源容量大小受自然资源、负荷需求（如季节性、日负荷曲线、重要负荷比例）的影响，所以在组建不同地区的微电网时按配置方式2配置的各电源容量和投资成本并不一定均大于按配置方式1配置的各电源容量和投资成本。如表4所示，配置方式3与按配置方式1配置相比，柴油发电装机容量增加1500 kW，且比例为37.5%；而储能电池增加50包（即300 kW），其比例为9.1%，增加投资在可接受范围内。

针对组建独立型海岛微电网，按配置方式4进行多种分布式电源定容。如表4所示，除了光伏发电的容量外，配置方式4中分布式电源的容量均大于配置方式1～3配置中的相应容量：风电装机容量是后者的将近2倍，柴油发电装机容量是后者的3倍左右，储能电池配备容量是后者的1.5倍以上。

在投资方面，并网型海岛微电网基本并网运行，为了充分利用清洁资源，柴油发电退出，光伏发电和风力发电尽量全部投入，海岛微电网通过海底电缆与大电网进行电力平衡，使并网型海岛微电网组网方式下的实际投资要小于表4中对应的数值；而独立型海岛微电网不存在并网情况，其投资成本就是表4中对应的数值。在表4中的数值上，独立型海岛微电网组网在投资成本上远大于并网型海岛微电网，主要原因是在此没有计入组建并网型微电网所需的海底电缆建设及运维成本。

3 结论

本文研究了海岛微电网组网时的多种分布式电源定容，可为海岛微电网组网提供一定的参考和借鉴。对于并网型海岛微电网，根据满足负荷需求和投资成本的侧重点不同，可以选择配置方式1、2或3对多种分布式电源容量进行配置。对于独立型海岛微电网，则利用全年资源满足综合负荷需求进行优化配置。此外，构建海岛微电网必须基于现有微电网技术发展和建设的技术成果、工程经验，并结合海岛实际情况，进行技术、经济效益、社会效益、环境保护四位一体的海岛微电网技术研究。

[1]JI P，ZHOU X X，WU S Y.Review on sustainable development of islandmicrogrid[C]//2011 International Conference onAdvanced Power SystemAutomation and Protection.Beijing：IEEE Conference Publications，2011：1806-1813.

[2]罗运虎，王冰洁，梁昕，等.电力市场环境下微电网不可再生分布式发电容量的优化配置问题[J].电力自动化设备，2010，30(8)：28-36.

[3]李鹏，张玲，王伟，等.微网技术应用与分析[J].电力系统自动化，2009，33(20)：109-114.

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[7]亓伟，耿世彬，高虎杉，等.基于HOMER仿真的太阳能混合发电系统设计[J].电工电气，2011(8)：27-32.

Research on capacity configuration for distributed resources in islandmicro-grid

ZHENG Xiu-yu1,2,HUANG Na1,YU Jian-hua1,MA Hong-wei2

The problem of capacity configuration for distributed resources was existed in both grid-tiedmode and independentmode.The capacity configuration for distributed resources in islandmicro-grid was studied.For the grid-tiedmode,the configurationmeeting comprehensive load demand was suitable for capacity configuration on the basis of intentional island,while the configurationmeeting significant load demand was suitable for capacity configuration on the basis of unintentional island.In addition,capacity configuration could be carried out by combining both of them.For the independentmode,the capacity configurationmeeting comprehensive load demand was carried out by use of annual resources.For instance of building a certain islandmicro-grid,the specific process of configuration was given,thus the definite reference and experience were provided.

island;micro-grid;distributed resources;capacity configuration;load demand

TM 727

A

1002-087 X(2014)10-1913-04

2014-03-10

郑秀玉(1982—)，男，安徽省人，博士，讲师，主要研究方向为分布式发电与微电网技术、电力系统运行与控制。