离网型微电网在海岛中的应用

王宏伟 盛化才 黎光泽

上海置信节能环保有限公司

0 背景

由于与陆地隔离，海岛开发深受电力、交通和饮用水等制约。长期以来，偏远海岛用电保障十分困难，大陆远距离送油发电是目前解决海岛供电的主要途径[1]。该供电方式受制于柴油供应等外界因素制约，且海岛柴油发电生产成本高，同时还产生大量污染和噪声，严重破坏和影响了海岛生态环境。

海岛电网由于其天然局限性，只能孤网运行或与主网存在较弱的联系，因而海岛用电普遍存在严重的安全性和可靠性问题。海岛风能、太阳能等可再生能源资源丰富，有效开发可缓解海岛电力不足，对海岛可持续发展具有重大意义。微电网是一种将分布式能源、负荷、储能装置、变流器及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[2]。微电网作为大电网的重要补充，经过10余年发展，在分布式能源与可再生能源大规模接入方面的应用日益增长。凭借微电网运行控制和能量管理等关键技术，可实现其并网或离网运行，同时，微电网在提高供电可靠性、安全性及解决偏远地区和海岛供电等方面，扮演着愈益重要的角色。

1 项目概况

1.1 海岛现状

某海岛（以下简称A海岛）远离大陆，由大、小岛屿和15处海礁组成，总面积0．64 km2。岛上现有居民20余户，主要以渔业为生。A海岛海洋资源丰富、四面环海、环境优美、气候宜人，是旅游、避暑、度假的理想场所。目前，海岛供电与外部电网没有连接，属孤立电网，岛上供电采用柴油发电单一供电方式：柴油发电机2台，单台发电机功率为90kW；并机柜和相应的低压设备一套。柴油发电机总装机容量180kW，并网电压380V。

1.2 存在问题

目前，当地政府正大力开发海岛旅游资源，岛上仅有的柴油发电难以满足当地居民生活和旅游开发的需求，迫切需要改善海岛生态环境和供电可靠性。在供电保障、电能质量和环境保护等方面存在以下主要问题：

（1）电能供应单一。海岛上所有电能需求都依赖柴油发电，整个能源系统安全性取决于燃料供应的及时性和柴油发电的可靠性。

（2）电能质量有待改善。海岛居民较分散，架空线路规范性较差；同时，由于供电距离远，在供电末端存在电压过低现象，供电可靠性难以保证。

（3）环境污染。柴油发电能源利用率较低，存在能源浪费、废气和噪声污染等，影响海岛生态环境。

1.3 需求分析

根据用电统计数据，岛上现有电力用户约20家，均为岛内居民用户，用电峰时负载功率为40kW（正常负载功率为12．5kW）。为满足用户能源需求，建设微电网时需考虑离网运行和负荷响应能力；为保证供电可靠性，应采用光伏、风力等多能互补方式；在设备选型及运行方式方面，应满足技术成熟、安全可靠、操作简单、自动化程度高、无人值守等[3]。

2 微电网方案

2.1 总体方案

结合A海岛现有供电系统和负荷分布现状，充分利用岛上地形和丰富的自然资源-太阳能和风力等清洁能源，综合考虑最大化利用可再生能源，减少柴油发电，同时兼顾蓄电池特性和使用寿命，建设一套离网型多能互补微电网。微电网采用“风、光、柴、储”多能互补方案，提供清洁、高效、可靠的能源供应，以满足岛上供电安全性和可靠性。本项目建设规模包括：1套94．8kWp分布式光伏发电系统、1套100kW/461kWh储能系统、2套5kW风力发电机组和作为备用的原有柴油发电机组；在微网上配置了一套能源管理系统，用于微电网运行、策略控制及能量管理，保障电网安全、可靠、稳定运行。该方案具有供电可靠性高、供电方式灵活、运行控制简单和清洁无污染等优点，微电网总体方案架构示意图（见图1）。

图1 微电网总体方案架构示意图

2.2 分布式光伏

利用海岛现有建筑物屋顶、小山坡和球场等场地布置光伏组件。光伏装机总容量为94．8kWp，光伏发电主要用于居民消耗，采用“孤岛运行”方案。分布式光伏包括2个子发电系统：

（1）容量为33kWp的#1发电子系统

#1发电子系统位于配电房屋顶和小山坡上。站房屋面为混凝土结构，组件采用固定倾角安装，小山坡组件也采用固定倾角安装。发电经1台组串式光伏并网逆变器逆变后，由交流电缆接至汇流箱完成汇流，再通过#1低压并网柜并网。

（2）容量为62kWp的#2发电子系统

#2发电子系统位于球场上，采用固定倾角方式安装。发电经2台组串式光伏并网逆变器逆变后，由交流电缆接至汇流箱完成汇流，再通过#1低压并网柜并网。

分布式光伏容量统计见表1。

表1 分布式光伏容量统计

根据光伏组件安装方式、太阳辐射能量、系统组件总功率、系统总效率等数据，可预测本系统年发电量：考虑光伏组件25年效率衰减不超过20%，本系统25年年平均发电量约为8．7万度，25年发电总量约为218万度。

2.3 分布式风电

根据A海岛周边气象站多年观测统计数据，该海岛气象站10m高度年平均风速为3．0m/s～3．5m/s；主风向为东南风、东北风和西北风。根据风电资源划分标准，该海岛为风能资源可利用区域，见图2海岛年平均风速统计。

本项目选用2台水平轴风力发电机组，单机容量为5kW，配置基座，杆塔高度9米，倾斜支撑。风机主要性能参数见表2。

表2 风机主要性能参数表

图2 海岛年平均风速统计

2.4 储能系统

本项目是离网型微电网，储能系统是必要部分，在微电网安全稳定运行中发挥重要作用。蓄电池储能系统主要由储能电池组、电池管理系统（BMS）、隔离变压器、储能双向变流装置（PCS）、储能监控系统等组成。储能电池储存的电量经汇流柜、PCS逆变后接入微网。PCS可实现电能双向转换：充电时，PCS作为整流器将电能从交流变成直流储存到储能装置；放电时，PCS作为逆变器将储能装置储存的电能从直流变为交流输送到微电网。

本项目根据分布式光伏、分布式风电和用电负荷规模，结合海岛用电时段及储能电池容量衰减，配置储能系统容量为50kW/461kWh；针对不同储能技术，从电池放电深度、工作温度范围和循环寿命等对铅碳等三种储能电池进行对比分析，选择技术成熟、能量转换效率高、安全隐患低的铅碳电池。储能电池性能比较（见表3）。

2.5 能源管理系统

微电网能源管理系统主要功能包括：采集实时监控的电网信息、分布式电源信息和负荷信息；实现分布式电源、储能和负荷之间最优匹配；实现多种分布式能源的切换等。能源管理系统主要分为4层结构，分别是数据采集与控制层、消息服务与持久层、业务层和展示层。能源管理系统总图（见图3），能源管理系统实时数据（见图4）。

2.6 运行方式

微电网采用孤岛离网运行方式，通过能量管理系统合理调度可再生能源、储能、同步发电机等，最大限度利用可再生能源，提高微电网运行经济性。系统主要有蓄电池、PCS、并网逆变器（风、光）、光伏板、风机（含风机控制器）等。

（1）当光照充足和风力较强时，风、光发电除保证负载正常供电外，多余的能量存储到蓄电池内；若发电量仍然过剩，则通过卸荷器进行卸荷。

表3 三种类型储能电池性能比较

图3 能源管理系统总图

图4 能源管理系统实时数据

（2）当光照和风力较弱，风、光发电无法满足负载需求时，通过PCS由蓄电池放电。

（3）当蓄电池、风、光发电都不能满足负载需求时，启动柴油机发电机组建立交流母线电压，供负载使用。

3 结论

A海岛建设的基于离网型的多能互补微电网是集分布式光伏、风电、储能、柴油发电于一体的分布式能源，为岛上居民提供清洁、安全、稳定、可靠的电力。对多能互补清洁可再生能源为海岛提供安全可靠供电及互联网+智慧能源运营模式进行探索和实践，有利改善海岛居民生活品质，促进海岛旅游业和可持续发展，具有良好的经济、环境和社会效益。该项目是可复制、推广的微电网典型示范案例，海岛微电网为后续建设提供经验借鉴和实践探索。