沿海可开发岛屿供电方式研究

汤 易，藏玉清，钟 磊，高 挺，罗纪平，姜 念，王泽民

（1.国网浙江省电力有限公司台州供电公司，浙江 台州 318000；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

由于四面环海，地理位置比较偏僻，岛屿供电往往面临着最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄、铺设海缆价格昂贵、气候环境恶劣等问题，这是岛屿供电与陆地上供电的主要区别。目前，国外负荷较大的岛屿新能源发电装机占比较高，负荷较小的岛屿主供电源仍然是柴油发电机组，新能源发电装机占比较小[1]。国内近海岛屿一般采用联网型供电，配置少量的新能源发电机组；远离大陆的岛屿采用独立型微电网供电，同时配置较大比例的新能源发电机组以及较大容量的储能装置。国内如担杆岛、东澳岛、南麂岛等岛屿已开展了配电网建设工作，但对岛屿供电需求、供电可靠性、经济合理性等尚未开展系统化、科学化、普适性的研究。

1 总体研究思路

以《浙江省重要海岛开发利用与保护规划》中对岛屿功能的分类为基础，开展岛屿配电网建设研究，构建差异化建设方案，具体流程如图1 所示。第一步，开展岛屿负荷预测研究，分析不同岛屿的用电特点以及不同预测方法的特点，从而得出不同岛屿适合的负荷预测方法。第二步，开展岛屿上配电网组网模式（包括联网型组网模式和离网型组网模式）研究，分析联网型不同接线模式的特点，离网型风光柴储的配置规模与比例，得出不同岛屿适合的组网模式。第三步，开展岛屿供电方式研究，对联网型和离网型配电网的建设成本、运维成本、供电质量、供电可靠性进行分析论证，得出不同岛屿适合的供电方式。

图1 岛屿供电方式研究流程

2 负荷预测研究

2.1 负荷特性

根据《浙江省重要海岛开发利用与保护规划》中对岛屿用地性质和产业发展的分类，在台州现有岛屿中选取相应用电性质岛屿的月负荷曲线和日负荷曲线进行分析。

（1）综合型负荷：如图2 所示，年最大负荷一般出现在8 月份，最小负荷出现在2 月份；实测日负荷呈现“三峰三谷”的特性，最高负荷出现在10:00，最小负荷出现在16:00。

（2）工业型负荷：如图3 所示，年最大负荷一般出现在8 月份，最小负荷出现在2 月份；实测日负荷呈现“两峰两谷”的特性，最高负荷出现在9:00，最小负荷出现在16:00。

图2 综合型负荷特性曲线

图3 工业型负荷特性曲线

（3）居住型负荷：如图4 所示，年最大负荷一般出现在8 月份，最小负荷出现在5 月份；实测日负荷呈现“两峰两谷”的特性，最高负荷出现在20:00，最小负荷出现在16:00。

图4 居住型负荷特性曲线

（4）旅游型负荷：如图5 所示，年最大负荷一般出现在10 月份，最小负荷出现在12 月份；实测日负荷曲线较为平缓，最高负荷出现在12:00和22:00。

图5 旅游型负荷特性曲线

结合现状数据，分析得到各类岛屿的用地性质和负荷特性如表1 所示。

表1 各类岛屿负荷特性

2.2 预测方法

近中期负荷预测：对于近中期地块开发较多，负荷跳跃式增长的岛屿适合采用大用户加自然增长率法。对于已经有一定开发规模，近中期报装用户不多，负荷平稳增长，且有历史年用电负荷数据的岛屿适合采用年均增长率法。

远景年负荷预测：建筑负荷密度法适用于有控制性详细规划区域的饱和负荷预测。占地负荷密度法适用于预测仅有乡镇总体规划区域的饱和负荷。人均用电负荷法适用于负荷与人口的多少有直接关联区域的饱和负荷预测。

各类岛屿不同时期适合的预测方案和推荐的负荷密度、人均负荷等见表2。

3 组网模式研究

3.1 联网型组网模式

岛屿与陆地联网供电时，可分为35 kV 及以上联网供电和10（20）kV 联网供电。当岛屿上有35 kV 及以上变电站时，岛屿上的配电网建设与陆地上的基本一致，根据岛屿用电性质、负荷密度、供电可靠性要求选择相应的组网模式，参照《配电网规划设计技术导则》。各类岛屿联网推荐组网模式如表3 所示。

表2 各类岛屿推荐负荷预测方法

表3 各类岛屿联网推荐组网模式

3.2 离网型组网模式

离网型电网（独立型微电网）的常见电源有风力发电、光伏发电、备用的柴油发电机组和起调节作用的蓄电池组，常称为“风光柴储”微电网[2-3]。根据岛屿资源情况，有些微电网也增加波浪能发电、抽水蓄能系统、海水淡化系统、制冰机、电动汽车充换电站等电源和可控负荷[4]。

根据台州地区日光照强度、风能资源和现有电厂出力情况得到台州地区的日出力曲线如图6—10 所示。

图6 台州地区光伏、风力日出力曲线

图7 综合型岛屿日负荷曲线与风光互补日出力曲线

图8 工业型岛屿日负荷曲线与风光互补日出力曲线

图9 居住型岛屿日负荷曲线与风光互补日出力曲线

图10 旅游型岛屿日负荷曲线与风光互补日出力曲线

（1）综合型岛屿：建设独立微电网时，风力发电机组容量为最大负荷的0.9 倍，光伏发电容量为最大负荷的1.1 倍为宜。在此风光比配置下，19:00～21:00 系统的供电能力不足，需要配置满足0.2 倍最大负荷运行2 h 的锂电池组，同时需要配置容量为最大负荷0.1 倍的柴油发电机组作为重要负荷的备用电源。

（2）工业型岛屿：建设独立微电网时，风力发电机组容量为最大负荷的0.6 倍，光伏发电容量为最大负荷的1.3 倍为宜。

（3）居住型岛屿：建设独立微电网时，风力发电机组容量为最大负荷的1.2 倍，光伏发电容量为最大负荷的0.6 倍为宜。在此风光比配置下，19:00～22:00 系统的供电能力不足，需要配置满足0.2 倍最大负荷运行2 h 的锂电池组。

（4）旅游型岛屿：建设独立微电网时，风力发电机组容量为最大负荷的1.2 倍，光伏发电容量为最大负荷下的0.9 倍为宜。在此风光比配置下，16:00～21:00 系统的供电能力不足，需要配置满足0.2 倍最大负荷运行2 h 的锂电池组，同时需要配置容量为最大负荷0.1 倍的柴油发电机组作为重要负荷的备用电源。

根据各种类型岛屿的用电负荷特性，以满足用电需求为前提，采用拟合法得到各类岛屿微电网的风光柴储配置方式，如表4 所示。

表4 各类岛屿离网推荐组网模式

4 供电方式研究

4.1 电网建设成本

4.1.1 距离因素

距离的远近，对联网型海岛供电的影响主要体现在海缆铺设的长度上，距离越远投资越高，且呈线性关系；对离网型海岛供电的影响主要体现在物资运输的费用上，距离越远运输费用越高，但增长幅度不大[5]。根据台州市历史海缆投资情况统计，海缆导线截面和海域条件对综合投资都有一定影响，中压海缆每公里投资基本在200 万元上下波动，高压海缆每公里投资基本在300 万元上下波动。

式中：T1为海缆建设成本；L 为海缆长度。

4.1.2 负荷因素

负荷的大小，对离网型海岛供电的影响主要体现在微电网电源的建设规模上[6]，对联网型海岛供电的影响主要体现在配电网建设的规模上。海岛上配电网建设投资沿用大陆上总结出的“单位投资增供负荷”来估算，考虑到海岛负荷一般不大，海岛配电网建设标准更高，也会影响单位投资，因此选择0.5 W/元作为海岛的配电网建设投资估算依据。

式中：T2为岛屿上配电网建设成本。

根据台州地区风光柴储的建设成本，结合岛屿离网型风光柴储的配置比例（表4），得到微电网投资成本计算公式：

式中：T3为微电网建设成本。

表5 给出了独立微电网投资估算。

4.2 电网运维成本

4.2.1 维护检修

离网型电网的维护费用主要是各种设备的维护检修费用。联网型电网的维护费用主要体现在海缆的维护费用上，包含正常使用过程中的运行维护费用和出现故障时的应急维修费用，海缆建好后出现故障的概率很低，本文忽略不计。

柴油发电机：根据行业标准，柴油发电机每年的电机设备维护费用按机组购置金额的6%计算。

风力发电机：按照现有故障率推测，风力发电机每年的电机设备维护费用按机组购置金额的2%计算。

表5 独立微电网投资估算

太阳能电池板：目前大多数太阳能电池板和蓄电池是免维护的，只需日常人工除尘。

式中：T4为微电网维护检修费用；t 为设备全寿命周期。

4.2.2 运行成本

微电网的运行成本主要是柴油发电成本，它高于普通发电成本，另外风力发电和光伏发电都没有直接的运行成本。柴油发电机的耗油量大约在0.25 L/kWh，考虑到海岛运输费用，按每升柴油8.5 元计算，柴油发电机发电成本约为0.25×8.5=2.1 元/kWh。则全年微电网运行成本T5为：

式中：h 为海岛最大负荷利用小时数；η 为柴油机组发电量占全岛用电量的比例。

联网型供电的运行成本主要是大电网的发电成本，而大电网的电源主要为火电厂，联网型供电的运行成本计算也就等效成火电厂的发电成本。根据台州地区统计数据，火力发电成本约为0.2 元/kWh。

式中：T6为联网型发电成本。

4.3 电能质量影响

海缆单位长度充电电容远远大于同电压等级的架空线路，岛屿采用长距离海缆联网供电时，充电电流将严重降低线路的输送能力，同时过大的充电功率亦将造成无功倒送和电缆末端电压升高，需要在线路上并联电抗器通过感性无功补偿来解决。

电缆单位长度等值电路如图11 所示。由于海缆的电抗X 远小于电阻R，电导G 远小于电纳B，计算时一般忽略，则长度为l 的海缆阻抗Z和导纳Y 的计算公式为：

图11 电缆单位长度等值电路

海缆线路的充电电流和充电功率为：

海缆线路的电压降和线路末端电压为：

可以看出，海缆线路末端电压与线路长度的平方、电容电流、线路电阻成正比。

式（11）—（12）中，通常r 取值为0.04 Ω/km；10 kV 海缆c 取值为0.6 μF/km，35 kV 海缆c 取值为0.4 μF/km，110 kV 海缆c 取值为0.25 μF/km。表6 给出了空载情况下海缆相关参数。

由此可以计算得到：

（1）10 kV 海缆长度达到9 km 时，末端电压为11.7 kV。而常用10 kV 海缆最高工作电压Um为12 kV，则10 kV 海缆的供电半径是9 km，在首末两端加装并联电抗器（容量为海缆产生的充电无功功率的一半）的情况下，供电半径提高至12 km。

（2）35 kV 海缆长度达到11 km 时，末端电压为40.9 kV。而常用35 kV 海缆最高工作电压Um为40.5 kV，则35 kV 海缆的供电半径是11 km。在首末两端加装并联电抗器（容量为海缆产生的充电无功功率的一半）的情况下，供电半径提高至15 km。

（3）110 kV 海缆长度达到14 km 时，末端电压为127.6 kV。而常用110 kV 海缆最高工作电压Um为126 kV，则110 kV 海缆的供电半径是14 km。在首末两端加装并联电抗器（容量为海缆产生的充电无功功率的一半）的情况下，供电半径提高至20 km。

4.4 可靠性的影响

对于军事型、港口物流型供电可靠性要求较高的海岛，可以采用联网型供电方式，同时也可以在海岛上建设部分柴油机组作为备用电源。对于旅游型、渔业型供电可靠性要求一般的海岛，根据岛屿资源可采用离网型供电方式。

5 结论

联网型供电投资估算公式：

离网型供电投资估算公式：

联网型供电和离网型供电投资成本对比如表7 所示。可开发岛推荐供电方式见表8。

（1）当岛屿饱和负荷大于8 MW 时，推荐35（110）kV 及以上联网供电模式。

（2）当岛屿饱和负荷在3～8 MW，距离大陆电源在12 km 以内时，推荐采用10（20）kV 联网供电。

表6 空载情况下海缆相关参数

表7 联网型供电与离网型供电投资成本对比

表8 可开发岛屿推荐供电方式

（3）当岛屿饱和负荷在3～8 MW，距离大陆电源在12 km 以外时，需进行方案比选，选择35（110）kV 及以上联网供电或微电网供电。

（4）当岛屿负荷小于3 MW，距离大陆电源在12 km 以外时，优先选择微电网供电。

（5）当岛屿负荷小于3 MW，距离大陆电源在12 km 以内时，需进行方案比选，选择10（20）kV 联网或微电网供电。

（6）岛屿采用联网供电时，需根据岛屿可靠性要求和资源情况，合理建设新能源发电或柴油发电机组，提高岛屿的供电可靠性。