基于源网荷储的海岛型微电网建设模式研究

廖文娟

（中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

海岛地区风、光资源丰富，充分利用风、光等可再生能源建设风光柴储发电系统，可有效解决岛屿的电量需求及柴油发电的环境污染与噪声问题。中国海岛众多，由于海岛地区远离陆地，总体用电量较小等原因，通过铺设海底电缆进行供电的前期投入较大，且后期运行维护成本大，因此目前这些地区多由柴油发电机供电。但是，最近几年柴油发电成本不断增加，消耗柴油的同时还会导致污染物的排放，严重破坏环境且与国家的“双碳”发展目标冲突，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源发电已逐步在海岛利用，并取得显著效果。由此可见，十分有必要开展风、光等多种电源的微电网建设模式研究。

1 海岛供电现状分析

中国海岛众多，面积达500 m2以上的岛屿有7 000多个，总面积达70 000km2以上，岛屿岸线长14 217.8 km，其中有人岛屿达450个。各岛屿中，小岛和无人岛占比较多，大部分岛缺淡水资源。

目前，海岛的电力供应基本以柴油机供电为主。由于地区偏远，远离电网且岛上人口较少，总体用电量较少等，采用远距离海底电缆提供市电供电不符合经济效益，故这些地区多由柴油发电机供电。但随着最近几年柴油发电成本的不断攀升，利用风能、太阳能、潮汐能等可再生能源发电成为解决岛上用电最行之有效的方案，而微电网是实现这一目标的重要技术与经济手段。

2 海岛电网建设原则

针对海岛的实际情况，构建风、光、柴、储等不同能源类型组合的海岛微电网，其建设原则如下[1]。

（1）满足海岛生产、生活用电的需要，保障海岛经济社会的有效发展；（2）充分利用海岛当地的可再生能源资源，降低化石能源的消耗；（3）综合考虑接入地区配电网的设备水平和运行情况，满足供电的可靠性要求；（4）适应新能源快速发展的要求，满足多元化接入与个性化需求；（5）满足远期电网发展的灵活性；（6）方案统一规划、分步建设，提高供电的经济性。

3 微电网的构成

（1）分布式电源，海岛微电网的分布式电源主要包含光伏发电、风力发电以及潮汐发电等；（2）负荷，海岛型电网的负荷主要以居民负荷和旅游负荷为主，负荷结构单一，峰谷差大；（3）储能装置，储能装置用于新能源发电的能量存储、负荷的削峰填谷；（4）控制装置，由控制装置构成控制系统，实现分布式发电控制、储能控制、并离网切换控制、微电网实时监控以及微电网能量管理等。微电网的构成如图1所示。

图1 微电网的构成

4 电源形式

从容量角度可以将微电网分为单用户级、多用户级、馈线级。海岛台风较为频繁，目前市场上抗台风的机型容量较大，在产风机单台装机容量大于2.5 MW，因此对于单用户级的微电网，由于容量较小，建议采用光储，并将柴发作为补充电源。多用户级可考虑采用风光互补的形式提高供电可靠性，而馈线级别的微电网由于风力发电经济性较好，因此建议采用以风电为主的供电方式[2]。表1为不同容量微电网的电源形式选择。

表1 不同容量微电网的电源形式选择

5 储能形式及容量确定

储能技术按照能量储存方式不同主要分为机械储能（如压缩空气储能、抽水储能、飞轮储能等）、电化学储能（如锂离子电池储能、液流电池储能、铅蓄电池储能、钠硫电池储能等）、化学储能（如氢储能、合成燃料储能等）以及电磁储能（如超级电容器、超导磁储能）。

近年来，“弃风”“弃光”“富余水电”等可再生能源电力消纳不力的问题日益凸显，已成为当前可再生能源电力发展的瓶颈之一。储能系统的双向储能变流器（Power Conversion System，PCS）控制功率能力及灵活调节性能可以提高微网对新能源的接纳能力。因此，储能技术在微电网中发挥着重要的补充调节作用。常见的适用于新能源项目开发配置的储能技术主要包括抽水蓄能、电化学储能以及氢储能。

海岛型微电网中，在可再生能源电源配置已经确定的情况下，应根据用户的负荷曲线，以满足用户的用电需求及用电质量为重要条件，统筹考虑配置储能系统的经济性及安全性，确定储能系统的功率及储能时长。储能系统容量应能满足一定时间内系统的不平衡功率，储能系统的放电时长应体现在储能系统额定功率下具备足够放电时间，使系统能安全的过渡到稳定的状态[3]。

储能系统额定功率PN定义为

式中：εp为额定功率与峰荷的比例系数；PL为系统峰荷。

储能系统容量EN需满足

式中：η为储能系统转换效率；Ddod为储能放电深度；T为储能放电时间。

海岛电网储能用于满足岛上人员的晚上用电需求及参与微电网的调峰调频，解决微电网的光伏弃电等[4]。

6 基于源网荷储的控制策略

6.1 有日照时段的控制方案

在白天光伏发电量增加期间，微网控制系统控制光伏系统对电池PCS进行短时间充电，以维持发电机的安全负载范围。当电池逆变器的充电功率超过允许上限或电池剩余电量（State of Charge，SOC）达到允许上限时，微网控制器可以控制停运发电机组。

下午光伏发电功率下降时，微电网控制器可以控制储能电池逆变器放电来短时间补充光伏发电下降量，以维持输出功率维持在安全负载范围内。当蓄电池的放电功率超过允许上限或蓄电池SOC达到允许下限时，微网控制系统将启动光伏场区一定容量的柴油发电机组[5]。

6.2 无日照时段的控制方案

夜间没有光照，光伏系统没有电力输出。电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）在恒定功率控制模式下运行，并连接到电网。当电池逆变器的放电功率超过允许下限或电池SOC达到允许下限时，微网控制器可以控制启动发电机组[6]。在此期间，BESS还可以以有差模式与发电机组并联运行，以防止单台机组突然故障造成的不稳定风险，提高系统供电的可靠性。所有柴油发电机组均可以由微电网控制器以通信方式进行自动控制[7]。

6.3 光伏限功率

本系统依靠BESS系统来吸收多余的光伏电能，但由于电池容量规划有限，BESS很难长时间在大功率充放电模式下运行。因此，当电池充电达到上限时，应该限制光伏功率维持系统的稳定[8,9]。

7 案例分析

7.1 用电现状介绍

广东某海岛尚未实现与市电连接，现有电压等级为10/0.4 kV，由1座配电站实现孤网运行，岛上电源主要由柴油发电机组组成，总装机为2 000 kVA。为保证负荷24 h不间断供应，采用柴油机轮流发电，高峰运行950 kW柴油机组，全年用电量约为212万kW·h。

7.2 电源形式及配置规模

由于该岛用电量较少，多为居民和旅游酒店负荷，容量小于2 MW，属于单用户级用户。根据表1电源采用单一形式，并配合相应的储能进行供电。表2、表3以及表4选取了3种配置方案进行技术经济比选。方案1和方案2为光伏+储能，方案3为风电+储能，其中方案1考虑白天由光伏供电，晚上储能电量不够时考虑由柴油发电机进行供电，方案2、方案3柴油发电机只作为应急电源及连续天气状况不好时使用。各方案综合造价比选如表2所示。

表2 各方案综合造价比选

从表2可以得出方案1造价最低，其次是方案3，方案2造价最高。

将本体造价分摊到整个寿命周期，其中光伏为25年，风电为20年，储能为10年。柴油发电成本按3.2元/（kW·h）进行计算，得出结果如下。方案1的光伏发电量较少，柴油发电占比较高，加权平均电价达到1.5元/（kW·h），年收益最差；方案2的光伏发电量高，弃电量较多，年收益处于中等水平；方案3的风机发电量刚好满足全年用电量，弃电量少，年收益最好。各方案发电量及加权电价如表3所示。

表3 各方案发电量及加权电价

表4为各方案技术指标比选，从中可以得出方案1技术指标均偏差，其次是方案3，而方案2技术指标最好。

表4 各方案技术指标比选

方案1新能源发电占比较少，年收益较差；方案2新能源发电占比较高，年收益居中，且可靠性高；方案3新能源发电占比居中，年收益最好，但由于单台风机出力不稳定，极易导致停电。综合考虑各项指标后确定方案2为最终方案，即光伏装机2 000 kW，储能3 000 kW·h，年发电量260万kW·h。

7.3 储能容量确定

岛上高峰时的最大负荷约为800 kW，考虑额定功率与峰荷系数比为1.25，因此储能的功率确定为1 000 kW。按照储能装置效率为95%，放电深度为85%，岛上用户的晚高峰用电时间为19:00—23:00，高峰期的平均负荷率为40%，其他时段负荷率为10%，最大负荷支撑时间为2.5 h。

7.4 运行策略

采用光伏+电化学储能+柴油发电机构成微电网，其运行方案如图2所示[10]。

图2 系统运行方案

正常运行方式下，白天由光伏发电系统进行供电，多余电力向电化学储能电池充电，晚上由储能系统进行供电，实现区域内削峰填谷，缓解高峰期的用电压力，提高设备利用率与能源使用效率。当遭遇阴雨天气时，光伏出力下降，此时岛内电源出力将不满足供电负荷平衡需求，优先转由电化学储能供电，当电化学储能容量不足时，需转由柴油发电机组供电。

8 结 论

结合海岛特性、分布式电源及储能的特性，分析微电网的构成及容量，确定微电网的建设模式。结合负荷特性、电源出力特性，制定源网荷储的协调控制策略，有效降低海岛的供电成本，同时降低化石能源的消耗量，助力碳减排。