一种用清洁能源保障某离岸岛屿供电的应用系统设计

王 冬，王福家，许卫国，杭军兵

（江苏丰海新能源工程技术有限公司，江苏 盐城 224100）

0 引言

离岸岛屿的供电有两种基本模式，自发自用构建的独立电网和通过长距离水底电缆与大电网相连。自发自用大多是基于柴油发电机系统作为常用发电设备，使用成本高、噪声污染严重；利用水底电缆由大电网供电虽具有较高的可靠性，但成本高、维护困难[1-2]。大部分离岸岛屿地理位置独特，风能、太阳能等资源充足，非常适合微电网的构建。微电网也是为大电网覆盖困难地区提供电能的一种有效途径，合理、有效的利用清洁能源发电来组建微电网，对解决离岸岛屿高质量供电问题具有显著的实际意义[3-4]。

某离岸岛屿总面积约110 亩，常住人口125 人且配套设施齐全，岛上用电基本没有保障。但该岛屿在核心景区附近，环境优美、人流量大，当地政府计划将该岛屿打造成绿色旅游岛。文中基于该岛屿清洁能源智能供电供水项目，充分依据可行性研究报告以及项目现场的实际情况，提出一个利用清洁能源发电就可以满足该岛屿日常用电的微电网系统。

1 岛屿负荷现状估算

在项目初步设计阶段，负荷估算与分析是系统设计的基础。系统总负荷可分为已知可计算负荷和不确定负荷。针对部分不确定用电负载，根据离岸岛屿的自然条件与负荷需求状况，参考城市规划设计规范和各类建筑负荷密度指标要求[5-6]，采用负荷密度法估算，估算出该岛屿的不确定负荷，如表1 所示。详细分析该岛屿远景负荷的用电需求，将接入系统的负荷统计如表2所示。

表1 不确定负荷估算汇总表

表2 系统负荷估算汇总表

通过最终核算，该离岸岛屿的最大设备预估功率为278.08 kW，该岛屿不确定负荷多为阻性负荷。考虑用电设备的同时使用率、功率因数等情况，结合现有资料，参照文献[6]中的需用系数负荷换算方法估算，取远景年最大负荷240 kW。另外，按照该岛屿用电负载的重要程度，可以将用电负荷分为重要负荷与可控负荷。重要负荷包括：微电网监控系统运行负荷、路灯及公共照明负荷、设备预制仓照明负荷。其中，微电网监控系统运行负荷约3 kW。可控负荷可以根据设备运行状态，手动或策略控制负载的投切。

2 岛屿负荷需求分析

按照全天不同时段该岛屿用电负荷的大小，可以将用电负荷分为早峰、午峰、晚峰、低负荷、空闲5 个状态，不同时段负荷关系用公式（1）表示。各时段负荷分配计算如表3 所示，根据表3 可计算出全岛日消耗最大电量约为2 481.6 kW·h。

表3 不同时段负荷用电数据分析汇总表

式中：PM—不同时段的最大使用功率；PE—系统额定功率；K1—不同时段最大功率占比；K2—线路传输、无功等消耗占比。

3 岛屿可利用清洁能源现状

参考我国城市峰值日照时间，该离岸岛屿所在地全年日照峰值平均时间为4.02 h，每月日照峰值平均时间如图1 所示，每年的1月份与12月份日照峰值平均时间略低于3 h，其余月份均高于3 h，5月份最高，约为5.35 h。该地区的光照与在我国各大城市的光照时间对比，属于光照较好的地区，可以建设光伏发电站。

图1 该地区全年日照峰值时间曲图

图2 为该岛屿附近湖区监测的年平均风速变化曲线（30 m塔杆），2、3、4月份平均风速较高，约为8 m/s，10月份最低，约为4.5 m/s，全年平均风速约6.5 m/s，风速波动小。结合现场实际检测情况、业主需求，认为可以建设风力发电站。

图2 附近湖区检测的年平均风速变化曲线

4 系统设计方案

4.1 系统总体规划

基于文中对该地区负荷的估算与分析、可用清洁能源现状的分析，考虑负荷供需平衡，若单独使用光伏发电，按照该地区平均日光照使用时间4.02 h 估算，光伏容量需要约617 kWp；若单独使用风力发电，考虑中大型风力发电机岛上施工难度，暂定选用30 kW 小型风力发电机，根据30 kW 风机风力发电量评估报告测算[7]，该风机在平均风速7 m/s 状态下，年发电量为87 060.9 kW·h。以一年365 天计算，可计算出日发电量为238.5 kW·h，需要建设10台30 kW 风力发电机组。为了满足负荷与业主需求，且充分利用离岸岛屿的风光条件，计划采用风光储互补微电网方案。该方案留有一个系统应急启动用的3 kW 柴油发电机接入口，以保障UPS、储能放电过度无法启动设备等极端情况下的系统重新上电。

4.2 光伏发电系统设计

岛上可用土地面积分布不集中，根据岛屿可利用土地实际情况，本项目计划将光伏阵列分布于4 个地块，通过组串式逆变器汇流逆变为0.4 kV交流电接入电气设备预制仓低压开关柜。

选用逆变器的直流输入参数：最大输入电压1 100 V，额定电压585 V，MPPT 工作电压范围200~1 000 V，8 路MPPT，每 路MPPT 最 大 可 输入2 路。

选用光伏组件的电气参数：最大功率405 Wp，开路电压41.2 V，最大功率点的工作电压34.2 V；温度影响参数：最大功率温度系数-0.34%/℃，开路电压温度系数-0.25%/℃；光伏组件工作外部环境极限低温-15 ℃，极限高温42 ℃。

用公式（2）、（3）[8]计算接入逆变器光伏组件串联数：

式中：KV、K'V分别为光伏组件的开路电压温度系数和工作电压温度系数；N为光伏组件的串联数（N取整数）；t、t'分别为光伏组件工作条件下的极限低温和极限高温；Voc、Vpm分别为光伏组件的开路电压和工作电压；Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压值；Vmpptmax、Vmpptmin分别为逆变器MPPT电压最大值和最小值。

把逆变器、光伏组件相关数值代入公式（2）、（3）中，计算出：N≤24，7≤N≤25。选用的逆变器额定电压585 V，光伏组件工作最大功率点的工作电压34.2 V，用额定电压除以工作电压可以计算出光伏组件最佳串联数为17 或18 块。综合考虑环境因数，取每路光伏组件串联数18块，则光伏电站总容量为466 560 W=8×2×18×4×405 W。

考虑光伏整列倾角、光照利用率、线路损耗、逆变器损耗等因数[8]，取折算系数0.85，正常发电功率为396.6 kWp，日发电量为1 594.3 kW·h，该光伏电站设计寿命25年，年衰减0.7%，则25年后发电功率为313.8 kWp，日发电量约为1 261.5 kW·h。

4.3 风力发电设计

风力发电机的接入可以保障系统在阳光不足、风资源充足环境下系统连续运行的稳定性，同时，当地政府计划将该岛屿打造成观光旅游岛屿，风机的安装可以增加观赏性，增加清洁能源应用的示范展示作用。该岛屿离湖岸比较远，居民集中居住在主岛，主岛周围分布了许多窄长的小地块，复杂的地理环境决定了中大型风力发电机的施工难度。

根据周围环境，选用4 台30 kW 小型风力发电机安装在岛屿风资源比较集中的地块[9]，每个地块安装两台风力发电机，风机发电动力线路采用AC-DC-AC 拓扑结构，每个地块配置一个汇流箱，信号与动力线路汇流后分别接入微电网控制柜与低压开关柜。风机整体重量约2.8 t，风轮直径13.1 m，用吊机配合液压缸进行安装。根据地质勘察报告分析，采用钢管桩基础作塔架安装基础，整体塔架高22 m。风机的其它参数：启动风速2.5 m/s，工作风速3~25 m/s，极端风速59.5 m/s，额定转速105 r/min，主动偏航，机械离心变桨距，大风环境下采用变桨调控加智能安全防护系统进行保护动力线路，动力线路采用AC-DC-AC 拓扑结构。

4.4 储能系统设计

本系统自发自用，不与大电网相连，储能装置是支撑系统稳定、可靠运行的核心设备。在风、光资源不能满足系统负荷的情况下，储能放电，按照系统运行策略，保障负荷用电；反之，储能充电，存储多余能量，保证资源的有效利用。

根据该岛屿的负荷情况，本方案设计在无风无光的条件下，保障系统空闲负荷状态运行12 h，根据公式（4）计算出储能容量不小于657.4 kW·h。

式中：WC—储能容量；PMF—空闲负荷最大使用功率；KLR（取值85%）—逆变器、线路等损失系数；SOC（取值85%）—储能放电深度。

根据上述计算配置储能变流器与储能电池。其中，储能变流器的主要参数：直流输入电压范围520~1 000 V，最大输入电流1 077 A，8 路直流输入；储能电池主要参数：单体电芯（额定电压3.2 V，额定容量100 Ah，电芯工作电压范围（2.5～3.65 V），1 C 放电，将260 节单体电池串联（每20 块电池一个插箱，13 个插箱）一簇，共8 路接入储能变流器。实际配置容量665.6 kW·h（3.2 V×100 Ah×260×8），储能管理系统结构图如图3所示。

图3 储能管理系统结构图

4.5 系统运行分析

假设系统在最大负荷状态下运行：阳光与风资源充足情况下，系统发电效率最高，储能充电，能满足所有设备峰值使用情况下的供电；阳光与风资源波动性大，储能可以在设备负荷早峰与午峰、午峰与晚峰之间充电，峰值期间配合风光给设备供电；阳光充足、风力小于风机启动值情况下，光伏发电可以满足所有设备峰值使用情况下的供电；风资源充足、无光的条件下，此时最大发电功率120 kW，能满足空闲、低负荷时段供电，其它时段需要储能辅助出力；风、光资源不满足发电条件下，储能保障系统空闲负荷状态运行12 h，此环境下，系统会定时进入策略运行或运行维护人员手动控制运行状态，以保障重要电源供电，微电网系统结构如图4所示。

图4 微电网系统结构图

根据上岛实际调研情况，岛上一般只有七成岛民长期居住，渔家乐全年营业时间不到一半的时间，系统实际用电负荷小于统计估算负荷，该系统负荷完全可以满足岛屿日常用电需求。

5 结语

文中根据某离岸岛屿的实际情况，对该岛屿用电负荷进行估算与分析、对可利用的风光资源进行分析，在对负荷与能源分析的基础上，提出了系统设计规划，提出了光伏发电、风力发电、储能电站的设计方案。根据设计方案，对系统进行了运行分析。我国在刚刚出台的“十四五”规划中提到碳中和、能源的绿色环保等相关概念，相信在近期的未来，利用清洁能源发电一定会蓬勃发展。本方案为类似项目提供了实施参照，也是解决远离大电网的地区供电的可行方案。