鸡骨礁微网运行控制策略设计与验证

徐振 汪江楠 杨祥

摘 要：传统的岛礁供电模式主要采用柴油发电机供电为主，需要有人值守对柴油机组不间断的维护，目前岛礁柴油发电模式，已无法满足国家绿色低碳发展要求，而且有人值守模式为值守人员带来诸多不可预见的安全隐患。针对上述问题，通过引入岛礁微网供电模式，制定微网控制策略，尽可能最大限度采用新能源供电方式，减少柴油发电机工作时间，实现从有人值守向无人值守转变。

关键词：微网；运行；控制策略

0 引 言

我国是海洋大国，岛礁众多，由于海岛处在海上重要的地理位置，可作为海上船舶监管和服务手段的延伸，海洋、海事、航保、移动运营等部门常在此类岛礁上设置各类基站。鸡骨礁位于长江口外、上海最东端，距离横沙约28 n mile，面积约2 500 m2。是长江口海事监管和航海保障服务的最前沿和最高端，发挥着“战略要地”的关键作用。作为上海的海上前沿阵地，岛上设置有灯塔、AIS岸基系统基站、VTS雷达站、VHF中继站、中国移动、中国电信基站、海洋水文监测站等重要设施。

为保障鸡骨礁重要设施的连续稳定供电，主要柴油发电机组对设施进行供电。同时，为确保各业务系统和柴油发电机组工作正常，鸡骨礁上配备了多名值守人员，对岛礁上业务设施和供电设施做基础的巡检和维护。

在国家“碳达峰”“碳中和”和能源低碳綠色发展要求下，岛礁柴油发电模式明显已不满足发展要求，同时，岛礁有人值守运维模式存在运维成本高、值守人员安全隐患高等不利因素。因此，2022年下半年，交通运输部东海航海保障中心上海航标处进行了鸡骨礁供配电系统改造，充分利用鸡骨礁自然条件优势，发展可再生能源，以风能、太阳能源为主，柴油发电为辅，形成分布式电源、储能和负载的离网微电网系统，逐步优化岛礁值守及运维模式，提升节能降碳增效水平。

在改造过程中，为充分利用风能及太阳能，减少柴油发电量，引入了微网运行控制系统，根据现场风力和光照情况，制定了控制策略。

1 技术背景

1.1 微电网发展概述

微电网（Micro-Grid）也称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。近年来，微电网引起了世界能源专家和电力工业界的高度重视，许多国家都将其纳入了未来电力发展战略计划。

1.2 鸡骨礁微网系统组成

鸡骨礁微网系统主要由储能系统、储能变流器、EMS能量管理系统、光伏系统、风力发电系统、柴油发电机系统、负载及远程监控等系统组成，系统总体设计图如图1所示。

2 关键问题

孤岛离网微网系统的设计应考虑以下几个关键问题：

1）系统设计应保证储能电池具有较高的运行寿命。一般情况下，在100%放电深度下，电池的充放电循环次数较90%放电深度下的循环次数会有显著衰减，因此系统电池容量应考虑浅充浅放，并遵循储能电池厂家建议值。

2）微网系统的自动化程度。微网系统中各种分布式电源和储能系统的运行控制应能满足无人值守的方式运行，整个系统维护工作量尽量减少，并尽量减少人工干预可能带来的安全隐患。

3）配置柴油发电机时，应尽量减少柴油发电机的发电量，减少柴油运输和消耗。

4）保证微网系统独立稳定运行的重要条件之一是微网内有稳定的电压频率支撑。如果启动柴油发电机，则应将柴油发电机作为微网的主电源，维持电压和频率稳定；如果柴油发电机退出运行，则可以利用储能双向逆变器控制微网的电压和频率保持恒定。

3 设计原则

1）储能电池的充放电循环，可以自动按照充电-放电-再充电的循环进行。尽量避免完全放空电池。此外在充电过程中时，还应对充电电流进行有效控制，在控制策略中设置恒压限流策略，防止较大的充电电流对电池寿命造成影响。

2）当柴油机启动运行时，储能电池如SOC过低则工作在充电状态，并按照预设的充电策略对储能电池充电。新能源多余电力给负荷供电，不足由柴油发电机补充。

3）当柴油发电机作为主电源且储能电池工作在充电状态下，如新能源电源功率较大，导致充电电流大于储能电池最大充电电流时，应限制新能源电源输出或者切除部分新能源电源。

4）储能系统作为主电源工作在放电状态时，如果新能源电源不足以为负载供电时，则不足部分由储能电池补充。新能源电源的输出功率大于负荷，引起电流倒送给储能电池，则应切除部分新能源电源或者限制其功率输出。

5）储能系统作为主电源时，如果分布式电源的输出功率长时间不能满足负荷需求，储能电池容量下降至某一阶段，此时可以启动柴油发电机，将柴油发电机作为主电源，储能电池从放电状态转入充电状态。

6）当柴油发电机关机或者柴油发电机检修时，储能系统从并网充电转入独立放电，系统交流母线不得断电，光伏发电检测到电网电压正常后，重新并网运行。

7）储能系统作为主电源，工作在放电状态时，当储能电池容量放尽，需要启动柴油发电机，应首先启动柴油发电机，待柴油发电机启动正常运行后，闭合柴油发电机并网开关，柴油机必须可以主动限制输出功率，此时储能系统从独立放电转为并网充电状态，并网运行。

8）储能系统的功率按照能够单独满足最大负荷需求设计，为了有效增加整个微网系统的使用寿命，可增大储能电池的容量，使电池工作在较小放电深度下，增加储能电池的充放电循次数。

4 系统控制设计

4.1 正常模式

由新能源EMS控制系统统一调度新能源、储能及油机3个子系统，当自然条件良好时，由风力和光伏给负载供电，剩余电能经储能双向逆变器给储能充电，如图2所示。若电池SOC大于90%，为保护电池，此时关闭光伏，优先电池进行放电，至SOC80%时开启光伏。

当夜间无光照或连续阴雨天时，电池组将储备的电能经储能双向逆变器输出给负载供电，当碰到连续阴雨日且光伏板均输出功率均不足且電池组持续放电至SOC（剩余电量）20%以下时EMS将发出油机启动信号，油机启动完成后EMS控制新能源400 V母线与油机同步后接入油机，油机可以通过新能源母线无缝地向负载供电，同时对电池组进行充电，每次柴发启动时EMS控制三台柴发轮流启动，当电池组充满达到SOC（50%）上限后，EMS发出油机停机信号，油机无缝退出新能源母线，如图3所示。

4.2 应急模式

当新能源系统因各种原因发生故障、失效或储能与新能源系统需要停机检修时，柴油发电机检测到新能源母线电压故障后自动启动，向负载直接供电，油机可完全独立于新能源系统直接供电，如图4所示。

5 应用效果

以2023年2月运行数据为例分析，运行数据如见表1。

如表1所示，2023年2月份柴油发电机总运行时间为72 h，总发电量为2 103 kWh；风力发电总发电量为1 270.8 kWh；光伏总发电量为3 097.9 kWh，负载用电量为5 061 kWh。

受2月份光照条件和气候影响，系统未能达到最优供电状态，但柴油发电机相较以往7*24 h工作时间已有大幅降低。

从储能SOC分析，电池组基本始终处于20%～90%区间，且未出现长期处于亏空或满电量状态的情况，因此，鸡骨礁微网控制策略是基本合理的，后续将根据更多运行数据进行微调，以达到更优的运行状态，减少柴油发电机组的运行时间。

6 结 论

1）在国家“碳达峰”“碳中和”和能源低碳绿色发展要求下，岛礁柴油发电模式明显已不满足发展要求，发展可再生能源，以风能、太阳能源为主，柴油发电为辅，形成分布式电源、储能和负载的离网微电网系统，逐步优化岛礁值守及运维模式，提升节能降碳增效水平，是岛礁岛礁供电模式转型的方向。

2）充分利用岛礁自然能源优势，利用微网运行控制策略，最大限度利用新能源系统进行供电，减少柴油发电机组运行时间。

3）运用新能源发电模式和控制技术，目前鸡骨礁已完成有人值守模式向无人值守模式转变。

参考文献

[1] 王荣华.船载智能巡检设备在航标巡检中的应用[J].航海，2020（2）：70-72.

作者简介：徐振，工程师，研究方向为航海保障关键技术，（E-mail）13818474639@163.com