呂冬翔 李釧 王哲超 姚旭 魏福海 李釗 韓安軍 卞建濤

研究論文

南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)研究及實證

呂冬翔1李釧1王哲超2姚旭2魏福海2李釗1韓安軍3卞建濤3

(1中國電子科技集團公司第十八研究所, 天津 300384;2中國極地研究中心, 上海 200136;3中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 上海 200050)

針對南極泰山站極寒、大風(fēng)、高原缺氧等極端氣候條件, 設(shè)計高可靠性、高耐候性微電網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu), 根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境, 研究并仿真計算了微電網(wǎng)系統(tǒng)的必要運行參數(shù)和安裝實施方式。泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)研制突破了極端氣候條件下太陽能和風(fēng)能發(fā)電能力設(shè)計、光伏板防堆雪設(shè)計、多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)控制設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù), 研究設(shè)計了在無人值守條件下能夠自主運行的智能控制平臺, 通過并網(wǎng)運行與離網(wǎng)運行兩種控制模式, 構(gòu)建了高效穩(wěn)定的風(fēng)、光、燃、儲多能互補型智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝在南極泰山站現(xiàn)場進行了驗證性試運行, 結(jié)果表明微電網(wǎng)系統(tǒng)的各項功能指標(biāo)均能達到設(shè)計要求。南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的驗證性建設(shè)和成功試運行為我國在極地地區(qū)開展可再生能源利用起到良好的探索和示范作用。

南極 泰山站 多能互補 風(fēng)能 太陽能 微電網(wǎng)系統(tǒng)

0 引言

南極洲因其特殊的地理位置和豐富的冰雪資源, 具有極高的研究意義與研究價值。近年來, 各國在南極不斷建設(shè)科學(xué)考察站, 目前南極洲已有的科學(xué)考察站和野外營地總數(shù)已超過150個[1]。南極擁有極其豐富的可再生資源, 其中風(fēng)能與太陽能尤為突出。據(jù)美國麥克默多站觀測統(tǒng)計, 南極麥克默多站年平均風(fēng)速超5 m·s?1, 最高風(fēng)速可以達到41 m·s?1[2]; 由法國、意大利等歐盟國家建設(shè)的康科迪亞考察站統(tǒng)計顯示, 南極內(nèi)陸的最大光照強度超過800 W·m?2[3]。

由于人類在南極的考察活動已經(jīng)對當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境開始造成明顯影響, 2017年6月, 在北京舉行的第40屆南極條約協(xié)商會議(ATCM)上倡導(dǎo)“綠色考察”, 以更好地推動南極的科研和環(huán)保工作, 因此, 各國在建設(shè)考察站時大力推廣使用多能互補技術(shù), 提高清潔能源的利用率。比利時伊麗莎白公主站是位于南極洲上的第一座“零污染”考察站, 伊麗莎白公主站北面配備有9座風(fēng)車和超過600塊太陽能光伏板, 可以完全實現(xiàn)多能互補運行。澳大利亞的馬科里島站使用了太陽能和風(fēng)能發(fā)電作為補充能源; 澳大利亞莫森站采用3臺300 kW的風(fēng)力發(fā)電機作為主要能源[1,4], 傳統(tǒng)燃油能源僅作為補充和應(yīng)急供電。

自2010年以來, 美國麥克默多站和新西蘭斯科特基地在羅斯島風(fēng)場上建設(shè)3臺330 kW風(fēng)力機組用于基地供電, 預(yù)期每年減少柴油消耗約463 000 L, 減少二氧化碳排放量1 242 t, 最終目標(biāo)是依靠風(fēng)能提供兩座考察站的全部能量, 柴油發(fā)電機僅作為備用。到2012年4月, 麥克默多和斯科特站聯(lián)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量達到了計劃發(fā)電量的111%, 提供了斯科特站和麥克默多站(南極洲最大的考察站)11%的能量需求。南極考察站可再生能源使用情況如表1所示。

從表1可以看出, 世界上的一些發(fā)達國家, 包括在南極地區(qū)具有一定話語權(quán)的國家都已經(jīng)在當(dāng)?shù)夭捎每稍偕茉磁浜蟼鹘y(tǒng)化石能源供電的方式進行供電。

這些已經(jīng)利用可再生能源進行發(fā)電的國家普遍在南極經(jīng)營多年, 大多都是經(jīng)濟發(fā)達國家, 具有深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟基礎(chǔ), 能夠?qū)⒋笮凸こ虣C械設(shè)備運抵南極, 在低溫、大風(fēng)等條件下的可再生能源發(fā)電領(lǐng)域具有深厚的技術(shù)積累。建設(shè)的超大型風(fēng)機和光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)?shù)厥褂铆h(huán)境的要求。

我國對南極地區(qū)的可再生能源也早有布局[5-8], 在20世紀(jì)90年代就開始在南極利用可再生能源進行發(fā)電, 并且已經(jīng)在南極中山站和昆侖站建設(shè)了一部分光伏和風(fēng)機的科研示范發(fā)電項目。但是, 受到當(dāng)時經(jīng)濟條件和技術(shù)水平制約, 中山站和昆侖站的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)簡單, 僅能夠獨立支持部分小功率科研設(shè)備供電, 尚未達到利用可再生能源供電替代部分燃油供電的目標(biāo)。

泰山站建在南極內(nèi)陸伊麗莎白公主地, 位于昆侖站與中山站之間, 如圖1所示。泰山站海拔2 600多米, 氣壓較低[9], 但是空氣含氧量相比昆侖站更適合開展?fàn)I建活動。泰山站的定位是南極內(nèi)陸夏季科學(xué)考察站, 冬季為無人值守科研自動觀測站。南極泰山站的設(shè)計指導(dǎo)思想為: “科技、低碳、環(huán)保、安全、人性化”。按照泰山站的設(shè)計理念, 泰山站在設(shè)計的過程中總結(jié)國外優(yōu)秀考察站的先進經(jīng)驗, 吸納國外優(yōu)秀考察站的先進技術(shù)[10-11], 達到我國目前南極建站的領(lǐng)先水平, 能夠與國外類似科考站相媲美。根據(jù)泰山站的建設(shè)定位, 泰山站建成后, 考慮增強考察站的自動化及高科技的研究與應(yīng)用, 加大清潔能源的應(yīng)用比重, 使之成為南極考察站中高科技與環(huán)境保護的示范站。在南極泰山站進行供電、供氣、供水和供暖建設(shè)的二期建設(shè)中, 中國極地研究中心開始規(guī)劃可再生能源供電的使用。

根據(jù)南極的環(huán)境以及能源系統(tǒng)設(shè)計原則, 泰山站能源系統(tǒng)以風(fēng)能、太陽能為主要能源, 滿足泰山站的基本供電需求, 輔以燃油作為保障, 形成先進的風(fēng)、光、燃、儲互補型微電網(wǎng)系統(tǒng), 完成能源系統(tǒng)相變蓄熱、電能智能管理等功能, 把先進、可靠的建筑技術(shù)運用到考察站中。

根據(jù)南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)安排, 計劃在2018—2019年中國第35次南極考察期間完成多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的基本功能建設(shè), 初步具備利用風(fēng)能、太陽能供電能力。然后, 在2019—2020年, 中國第36次南極考察期間完成多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)能、太陽能擴容增量, 全部完成南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)工作。2020年南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)全部建設(shè)完成后, 風(fēng)能、太陽能發(fā)電將能夠滿足考察站大部分用電需求。

本文基于泰山站的能源狀況與供電需求, 設(shè)計了風(fēng)-光-燃-儲多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng), 將光伏、風(fēng)力和燃油發(fā)電綜合利用, 并設(shè)計了可靠、穩(wěn)定的控制系統(tǒng), 采用統(tǒng)一的智能管理系統(tǒng)自動管理調(diào)配, 完成泰山站的智能供電, 并通過仿真和實際結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。

圖1 南極泰山站位置布局圖

Fig.1. Location of Taishan Station in Antarctica

1 系統(tǒng)總體研究設(shè)計

1.1 設(shè)計背景

泰山站自建成以來, 積累了多年的氣象數(shù)據(jù), 包括泰山站全年的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等氣象資料數(shù)據(jù)。圖2—圖5分別給出了2013—2017年泰山站連續(xù)五年主站位置的溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的變化。

從多年積累的數(shù)據(jù)可以看出, 泰山站常年低溫干燥, 降雪較少, 但是風(fēng)速很大, 風(fēng)吹雪是造成建筑和結(jié)構(gòu)大量堆雪的主要因素。多年的數(shù)據(jù)積累對多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計提供了有利的數(shù)據(jù)支撐, 對風(fēng)機和光伏的結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐低溫設(shè)計、抗風(fēng)設(shè)計和防堆雪設(shè)計都是有力的支撐。

圖2 泰山站連續(xù)5年的溫度變化

Fig.2. Temperature variation at Taishan Station for 5 years

根據(jù)南極泰山站的設(shè)計思路, 泰山站擬建設(shè)成為夏季有人值守、冬季無人值守的內(nèi)陸站點, 根據(jù)泰山站的設(shè)備和人員用電需求, 泰山站總的用電和供暖需求為:

南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)需要滿足南極泰山站在每年12月到次年2月夏季有人值守期間, 每日24小時50 kW的需要, 在每年3—12月冬季無人值守期間, 每日24小時10 kW的能量供給要求。

圖3 泰山站連續(xù)5年的濕度變化

Fig.3. Humidity variation at Taishan Station for 5 years

圖4 泰山站連續(xù)5年的風(fēng)向變化

Fig.4. Wind direction variation at Taishan Station for 5 years

圖5 泰山站連續(xù)5年的風(fēng)速變化

Fig.5. Wind speed variation at Taishan Station for 5 years

根據(jù)泰山站的設(shè)計思路, 泰山站多能互補能源系統(tǒng)總共配置可再生能源系統(tǒng)規(guī)模60 kW, 其中, 光伏發(fā)電系統(tǒng)配置40 kW, 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配置20 kW, 儲能電池配置110 kWh, 并配置兩臺80 kW的柴油發(fā)電機(一備一用)作為主能源系統(tǒng)。

在夏季有人值守期間, 總共需要50 kW的連續(xù)供電, 根據(jù)可再生能源系統(tǒng)的規(guī)模, 綜合考慮可再生能源的波動供電特點和儲能電池的能量存儲規(guī)模, 可以估算出可再生能源能夠提供30—40 kW的能源, 能夠滿足泰山站大部分供電需要, 柴油發(fā)電機作為輔助供電和應(yīng)急使用即可。冬季無人值守期間, 在風(fēng)力充足的情況下, 可再生能源系統(tǒng)理論上能夠滿足10 kW的用電需求。

1.2 設(shè)計原則

南極泰山站微電網(wǎng)系統(tǒng)可在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式下工作。在并網(wǎng)工作時, 可再生能源與柴油發(fā)電機同時運行, 可再生能源為負(fù)載供電, 柴油系統(tǒng)作為補充。同時, 可再生能源與柴油發(fā)電也可以通過微電網(wǎng)系統(tǒng)為儲能電池充電。在并網(wǎng)工作模式下, 可再生能源和柴油發(fā)電系統(tǒng)互為支撐, 實現(xiàn)能量的雙向交換。

在多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時, 系統(tǒng)能夠通過開關(guān)斷開與柴油發(fā)電機的物理連接, 從而使整個用電網(wǎng)絡(luò)完全由柴油發(fā)電機供電。當(dāng)柴油發(fā)電機出現(xiàn)故障或可再生能源充足的情況下, 通過開關(guān)可將柴油發(fā)電機旁路掉, 微電網(wǎng)系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為可再生能源獨立供電的離網(wǎng)工作模式, 繼續(xù)為用電網(wǎng)絡(luò)供電。該種用電模式能夠有效提高用電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性, 通過采取先進的控制策略和控制手段, 可保證微電網(wǎng)高電能質(zhì)量供電, 也可以實現(xiàn)兩種運行模式的無縫切換。

本項目將依據(jù)以上原則和可再生能源的配置數(shù)量對泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)中的可再生能源發(fā)電量和微電網(wǎng)系統(tǒng)配置進行計算分析和設(shè)計。

1.3 總體設(shè)計

根據(jù)南極環(huán)境保護的要求和泰山站的能源使用情況, 泰山站的能源供給遵循盡可能多地采用光伏、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電的原則, 根據(jù)能源供給策略, 設(shè)計南極泰山站風(fēng)-光-燃-儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如圖6所示。

圖6 南極泰山站能源系統(tǒng)拓?fù)鋱D

Fig.6. Topological map of energy system for Taishan Station

微電網(wǎng)系統(tǒng)運行以可再生能源發(fā)電為主, 柴油發(fā)電為補充。微電網(wǎng)系統(tǒng)供電輸出為380V/ 50Hz交流電, 直流母線完成微電網(wǎng)系統(tǒng)的供配電連接, 微電網(wǎng)的供電母線采用400 V高壓直流母線, 風(fēng)力、光伏、燃油等發(fā)電裝置所發(fā)電力都并入微電網(wǎng)系統(tǒng)中。同時, 不同形式的發(fā)電裝置都具有單獨脫開母線電網(wǎng)的開關(guān), 能夠根據(jù)智能監(jiān)測結(jié)果自主控制并網(wǎng)和離網(wǎng)工作狀態(tài)。

2 分系統(tǒng)研究設(shè)計

2.1 光伏發(fā)電分系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 光伏最優(yōu)傾角計算

由于泰山站地處伊麗莎白公主地, 夏季多為極晝, 光照十分充足, 有著豐富的太陽能資源, 而冬季多為極夜, 光照匱乏, 太陽能資源不足。根據(jù)這一特性, 光伏分系統(tǒng)應(yīng)充分利用南極夏季的太陽能資源, 設(shè)計最優(yōu)傾角, 使夏季的太陽能發(fā)電量達到最高。

對光伏發(fā)電角度的優(yōu)化計算如下。

從光伏電站的日發(fā)電量預(yù)測公式為:

其中,d(kWh): 每日發(fā)電量預(yù)測;pv: 光伏電站所用組件的總標(biāo)稱功率;stc: 光伏組件標(biāo)定時的標(biāo)準(zhǔn)測試輻照度;: 當(dāng)日輻照量, 通過每日太陽光的照射角度和輻照能量計算得到;b: 雙面光伏組件背面發(fā)電增益系數(shù);s: 系統(tǒng)損耗系數(shù), 包括線路損耗、逆變器功率損失等;T: 溫度系數(shù), 光伏組件發(fā)電功率受溫度影響;a: 安裝角度增益系數(shù), 由于預(yù)測選用輻照量為水平方向, 而實際安裝有一定傾角;r: 衰減系數(shù), 光伏組件隨時間衰減而造成的發(fā)電量損失。

冬至日為伊麗莎白地夏季光照最強的一天, 為了最大化模擬計算光伏發(fā)電量, 首先計算太陽電池的最優(yōu)朝向。

太陽電池所在平面的太陽直接輻射強度計算公式為:

式中,cbr為太陽能電池表面簡化為一個平面后其表面形狀產(chǎn)生的效率,wthr為天氣狀況產(chǎn)生的效率,為大氣外層太陽輻射強度, 它隨日地實際距離變化而變化由式(3)確定,為太陽光與太陽電池所形成的夾角:

其中,0為太陽常數(shù), 取值為1 367,0為地球軌道偏心率取1/60,n為日序數(shù)。

τ通過以下各式計算:

其中,0、h、0、h分別為海平面、h高度的氣壓和大氣質(zhì)量。

通過對南極太陽方向角的計算, 確定太陽電池板北偏東45°發(fā)電量最高, 因此, 對冬至日北偏東45°的同一太陽電池在不同安裝角度下發(fā)電情況進行了仿真計算。太陽電池發(fā)電量結(jié)果如表2所示。

表2 不同安裝角度下單片電池12月22日發(fā)電量仿真

從表2中可以看出, 當(dāng)光伏電池板平行于水平面時, 發(fā)電效率最高, 此時, 太陽能得到了最大程度利用。

2.1.2 光伏板防堆雪設(shè)計

南極伊麗莎白公主地年積雪量為35 mm, 并且地吹雪現(xiàn)象嚴(yán)重, 往往一場地吹雪能堆積幾米高的積雪。為了防止光伏組件被積雪覆蓋, 影響光電轉(zhuǎn)換效率, 太陽能電池需要有防堆雪設(shè)計方案。由于南極區(qū)域被大面積積雪覆蓋, 散射條件比較好, 所以選用高效雙面對稱結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)晶體硅(HIT)太陽電池片。雙面雙玻組件在抗隱裂、抗PID、長期老化性等方面優(yōu)勢明顯, 發(fā)電能力比普通單晶太陽電池高出約20%, 使用壽命更長; 同時背面發(fā)電使得太陽電池組件背面發(fā)熱融雪, 防堆積。

結(jié)合表2所示數(shù)據(jù), 考慮光伏板和光伏支架防堆雪的功能, 光伏安裝選取北偏東方向45°, 既能滿足發(fā)電量最高, 又能滿足光伏室外部分側(cè)向迎風(fēng), 太陽電池板采用傾斜10°為最終安裝角度, 這也符合降雪后雪水融化并通過雪水的自身重力從組件上自然滑落的條件, 防止組件堆雪。

2.1.3 光伏發(fā)電能力計算

冬至日當(dāng)天, 太陽電池鋪設(shè)為正北方向10°時, 單片太陽電池的發(fā)電功率如圖7所示。

圖7 單片太陽電池在冬至日單日發(fā)電功率

Fig.7. Power generation of a single solar cell on winter solstice

光伏電站的年發(fā)電量預(yù)測公式為:

根據(jù)上述計算方法, 仿真計算得泰山站如果建設(shè)40 kWp的光伏發(fā)電分系統(tǒng), 其全年發(fā)電量預(yù)測結(jié)果如圖8所示:

Fig.8. Annual power generation of photovoltaic energy system at Taishan Station

綜上計算, 泰山站預(yù)計光伏年發(fā)電量為80 726 kWh, 相當(dāng)于節(jié)省燃油20.18 t(柴油平均發(fā)電油耗為4 kWh·kg?1)。

2.2 風(fēng)發(fā)電分系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 泰山站風(fēng)能分析

根據(jù)中國極地研究中心對南極泰山站的氣象數(shù)據(jù)多年的測試和記錄, 以2017年為例, 2017年全年南極泰山站在4 m高度測得的風(fēng)速情況如圖9所示。

從圖9中可以看出南極泰山站在夏季12月到次年2月期間, 風(fēng)速較小, 在2—12月期間風(fēng)速較大, 特別在每年3—10月的極夜期間, 平均風(fēng)速最大。2017年泰山站全年最大風(fēng)速22.5 m·s?1, 平均風(fēng)速11.2 m·s?1。

圖9 南極泰山站2017年全年4 m處風(fēng)速情況

Fig.9. Wind speed at Taishan Station, 4 m from the ground in 2017

根據(jù)南極泰山站連續(xù)5年的風(fēng)速和風(fēng)向統(tǒng)計信息得出, 南極泰山站全年最大風(fēng)速一般不超過30 m·s?1, 平均風(fēng)速在10—12 m·s?1之間, 屬于超一類風(fēng)區(qū)。南極泰山站的風(fēng)向全年以東風(fēng)或偏東風(fēng)為主, 在不同月份偶爾會出現(xiàn)東北風(fēng)或東南風(fēng)。

2.2.2 風(fēng)機發(fā)電能力計算

為了能夠充分利用南極豐富的風(fēng)力資源, 配置風(fēng)力發(fā)電機用于配合冬季太陽能不足時由風(fēng)能補充發(fā)電, 并作為冬季極夜條件下, 站點維持基本運行功能的能源保障。風(fēng)機選用能夠在60 m·s?1的風(fēng)速下保障自身安全和穩(wěn)定性的超一類風(fēng)機, 避免小型風(fēng)機和純機械風(fēng)機在大風(fēng)情況下?lián)p壞的問題。

根據(jù)泰山站全年的風(fēng)力、風(fēng)向分析, 采用5 kW風(fēng)機, 工作性能曲線如圖10所示。

圖10 單臺5 kW風(fēng)機組工作性能曲線

Fig.10. Working performance of a single 5 kW fan

從圖10中可以看出, 5 kW的風(fēng)機在11 m·s?1以上的風(fēng)速中工作能夠達到滿功率工作, 當(dāng)風(fēng)速在3—11 m·s?1之間時, 風(fēng)機的發(fā)電功率呈線性上升趨勢。

風(fēng)機的年發(fā)電量計算公式為:

其中,d為當(dāng)月天數(shù),為小時數(shù),P為當(dāng)月風(fēng)機等效功率。理論上計算20 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全年的發(fā)電能量, 計算如表3所示。

從表3中可以看到, 20 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理論發(fā)電總量為33 272.00 kWh, 等效燃油可節(jié)省8.3 t (柴油平均發(fā)電油耗為4 kWh·kg?1)。

2.3 控制分系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 離網(wǎng)運行模式

風(fēng)機和光伏通過控制器向蓄電池進行充電, 儲能逆變器檢測到直流母線電壓后, 設(shè)備啟動運行, 儲能逆變器運行于離網(wǎng)運行模式并向負(fù)載提供交流電能, 控制系統(tǒng)管理風(fēng)光能源向蓄電池充電, 同時將系統(tǒng)狀態(tài)上傳至監(jiān)控平臺。離網(wǎng)運行模式共有以下三種狀態(tài)。

表3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全年的發(fā)電能量

1. 狀態(tài)1: 風(fēng)光資源充足時

當(dāng)風(fēng)光資源充足時, 風(fēng)光資源同時向負(fù)載供電, 蓄電池處于充電模式。當(dāng)電池充滿后, 如果光伏和風(fēng)能還有多余電量, 則統(tǒng)一給風(fēng)光發(fā)電設(shè)備指令, 設(shè)備降額運行, 以防止電池過充。當(dāng)發(fā)電功率不能滿足負(fù)載所需功率時, 系統(tǒng)運行狀態(tài)切換至離網(wǎng)運行狀態(tài)2。當(dāng)監(jiān)測到儲能逆變器的交流側(cè)持續(xù)輸出功率超過額定功率的90%時, 系統(tǒng)切換至離網(wǎng)運行狀態(tài)3。

2. 狀態(tài)2: 風(fēng)光資源不足時

光伏和風(fēng)能發(fā)電不能滿足負(fù)載使用, 則風(fēng)能、光伏、蓄電池同時通過儲能逆變器逆變后對負(fù)載供電。當(dāng)風(fēng)、光、儲合用都不能滿足負(fù)載需求, 儲能電池電壓小于預(yù)設(shè)閾值時, 系統(tǒng)切換至并網(wǎng)運行模式, 柴油機啟動運行, 儲能逆變器運行于并網(wǎng)模式, 柴油機通過儲能逆變器向蓄電池進行充電(柴油機功率需大于負(fù)載總功率), 此時電池以浮充狀態(tài)運行。當(dāng)風(fēng)光發(fā)電滿足負(fù)載使用, 則系統(tǒng)切換至離網(wǎng)運行狀態(tài)1。

3. 狀態(tài)3: 風(fēng)光燃儲離網(wǎng)運行且負(fù)載增大時

若持續(xù)時間未超過閾值, 系統(tǒng)切換至離網(wǎng)運行狀態(tài)1, 若持續(xù)時間超過閾值, 系統(tǒng)切換至并網(wǎng)運行模式, 控制系統(tǒng)發(fā)出開機指令給柴油機, 柴油機開機運行, 儲能逆變器切換至并網(wǎng)模式運行。

2.3.2 并網(wǎng)運行模式

柴油機組作為380/50Hz交流電網(wǎng)供電能源, 儲能逆變器做并網(wǎng)運行, 控制系統(tǒng)時判斷直流母線電壓、交流母線電壓、頻率, 當(dāng)系統(tǒng)檢測到柴油機輸出電流、儲能逆變器輸出總電流小于儲能逆變器的額定輸出電流且持續(xù)時間超過設(shè)定值, 同時電池電壓高于預(yù)設(shè)閾值時, 控制系統(tǒng)發(fā)出柴油機切出、關(guān)機指令, 柴油機切出, 儲能逆變器恢復(fù)離網(wǎng)運行狀態(tài)1。

整套控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

Fig.11. Topology diagram of control system

3 系統(tǒng)發(fā)電能力仿真計算

由于泰山站為夏季有人值守科考站, 所以可將泰山站的用電情況分為兩種情況: 夏季有人值守情況和冬季無人值守兩種情況。

3.1 夏季有人值守情況

在夏季有人值守期間, 微電網(wǎng)系統(tǒng)將充分利用極晝資源, 盡可能利用太陽能發(fā)電, 電能綜合利用, 水、暖、電齊頭并進, 太陽能充足時發(fā)的多余電能用于供暖和存儲, 當(dāng)太陽能和風(fēng)能不足期間, 利用柴油機補充發(fā)電, 柴油機與風(fēng)能、太陽能聯(lián)合供電, 保證站點的能源需求。

南極泰山站夏季的發(fā)電、用電模擬計算如圖12所示。

從圖12中可以看出, 每年夏季有人值守期間, 可再生能源理論發(fā)電量能夠滿足全天24小時15 kW的用電需求。

夏季有人值守期間, 采用太陽能、風(fēng)能和儲能協(xié)調(diào)運行, 60天能夠提供21 600 kWh的電量, 能夠基本滿足站區(qū)用電需求。

3.2 冬季無人值守情況

每年的3月初到當(dāng)年10月中旬, 是泰山站的冬季, 冬季光伏發(fā)電量下降, 因此, 在太陽能不足的時間段, 盡可能采用風(fēng)力發(fā)電作為泰山站的能量供給來源。當(dāng)光伏和風(fēng)力發(fā)電都不滿足能源需求, 或者光伏和風(fēng)能發(fā)電出現(xiàn)問題時, 微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠通過控制系統(tǒng)自動切換實現(xiàn)燃油供電, 保證泰山站的能源供給不受時段和微電網(wǎng)系統(tǒng)故障的影響。

圖12 南極泰山站夏季發(fā)電量與功耗計算

Fig.12. Power generation and consumption calculation of Taishan Station in summer

南極泰山站冬季的發(fā)電、用電模擬計算如圖13所示。

根據(jù)南極泰山站的太陽能風(fēng)能仿真計算可以得出, 在無特殊負(fù)載要求的條件下, 理論上微電網(wǎng)系統(tǒng)配置的可再生能源數(shù)量能夠滿足泰山站冬季無人值守時的能源需求。

圖13 南極泰山站冬季發(fā)電量與功耗計算

Fig.13. Power generation and consumption calculation of Taishan Station in winter

4 系統(tǒng)驗證性建設(shè)和試運行

2018—2019年中國第35次南極科學(xué)考察期間, 泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)在南極泰山站進行了驗證性建設(shè)和試運行。試運行主要對多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作特性, 包括光伏、風(fēng)力發(fā)電能力特性進行驗證, 對儲能系統(tǒng)性能進行驗證, 最重要的是對全系統(tǒng)聯(lián)合運行情況和供電能力進行檢驗。本次泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)試運行將為下一步系統(tǒng)擴容升級提供可靠的數(shù)據(jù)支持, 積累豐富現(xiàn)場工程經(jīng)驗。泰山站驗證性建設(shè)的風(fēng)機和光伏分別如圖14a、b所示。

南極泰山站多能互補微電網(wǎng)通過系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)將系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)和發(fā)電量數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)主控平臺, 主控平臺根據(jù)控制策略對系統(tǒng)運行進行優(yōu)化調(diào)度。微電網(wǎng)系統(tǒng)還能夠通過銥星網(wǎng)絡(luò)將儲能電池的運行狀態(tài)發(fā)送到國內(nèi), 實現(xiàn)對儲能電池狀態(tài)的超遠程監(jiān)控。

從2019年1月14日南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)完成并試運行，到2019年2月4日考察隊離開泰山站期間, 系統(tǒng)試運行結(jié)果如圖15所示。

圖14 泰山站發(fā)電系統(tǒng). a)風(fēng)力發(fā)電分系統(tǒng); b)光伏發(fā)電分系統(tǒng)

Fig.14. Power generation system of Taishan Station. a) the wind power generation subsystem; b) the photovoltaic power generation subsystem

圖15 2019年1月15日—2月4日泰山站日發(fā)電量統(tǒng)計

Fig.15. Daily power generation of Taishan Station from January 15 to February 4, 2019

從圖15中可以看出, 南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)在試運行期間發(fā)電效果良好, 光伏和風(fēng)力在試運行期間, 20天累積發(fā)電約2 000 kWh, 發(fā)電能力符合設(shè)計和計算結(jié)果, 能夠為站區(qū)提供穩(wěn)定、可靠、持續(xù)且環(huán)保的能源供給。

5 結(jié)論

本文根據(jù)南極泰山站的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和確定的輸入?yún)?shù)條件, 采用仿真軟件進行計算預(yù)測分析, 突破了極端氣候條件下太陽能和風(fēng)能發(fā)電能力設(shè)計、光伏板防堆雪設(shè)計、多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)控制設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù), 創(chuàng)新性地研究設(shè)計了在無人值守條件下能夠自主運行的智能控制平臺, 通過并網(wǎng)運行與離網(wǎng)運行兩種控制模式, 構(gòu)建了高效穩(wěn)定的風(fēng)、光、燃、儲互補型智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。

在我國第35次南極科學(xué)考察期間, 在泰山站完成了多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的驗證性運行。試運行結(jié)果表明, 系統(tǒng)的發(fā)電能力符合設(shè)計要求, 試運行發(fā)電量與仿真計算結(jié)果吻合較好, 系統(tǒng)能夠為站區(qū)提供穩(wěn)定、可靠、持續(xù)且環(huán)保的能源供給。

南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的驗證性建設(shè)和成功試運行為可再生能源在極地的發(fā)展應(yīng)用, 實現(xiàn)極地能源原位獲取, 就地使用起到了良好的探索和示范作用。南極泰山站多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的長時運行狀況, 也能夠為將來提升極地地區(qū)多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)水平提供充足數(shù)據(jù)和應(yīng)用參考, 對極地可再生能源技術(shù)發(fā)展具有切實的推動作用, 為后續(xù)我國在極地推廣使用可再生能源, 環(huán)保利用南極資源, 深入貫徹落實習(xí)近平總書記認(rèn)識南極、保護南極、利用南極的思想, 為提升我國的國家形象, 更好地保護南極、利用南極具有重要價值。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A MULTI-ENERGY COMPLEMENTARY MICROGRID SYSTEM AT TAISHAN STATION, ANTARCTICA

Lü Dongxiang1, Li Chuan1, Wang Zhechao2, Yao Xu2, Wei Fuhai2, Li Zhao1, Han Anjun3, Bian Jiantao3

(1The Eighteenth Research Institute of China Electronics Group, Tianjin 300384, China;2Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

A highly reliable and weatherproof microgrid system was designed under extreme climate conditions, including extremely cold, high winds and thin oxygen, at Taishan Station in Antarctica. The essential operating parameters and installation strategy of the multi-energy complementary microgrid system were studied and simulated using the environment of Taishan Station. The development of this system provides a breakthrough for key technologies, such as solar and wind power generation, capacity and design, under extreme climate conditions. Advances in design and operation, including snow protection and control system designs for a multi-energy complementary microgrid and an intelligent control platform that can operate autonomously, were first studied and applied. Through the use of two control modes (grid-connected and off-grid operation modes), an efficient, stable and complementary system, including wind, solar, fuel and storage, was constructed. The system was installed, debugged and tested at Taishan Station; the results showed that the system met the design requirements and calculation results and can be used as a reliable power supply for Antarctic research stations.

Antarctica, Taishan Station, multi-energy complementary, wind energy, solar energy, microgrid system

2019年7月收到來稿, 2019年8月收到修改稿

呂冬翔, 男, 1987年生。工程師, 主要研究方向為極端環(huán)境下多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)和臨近空間無人飛行器能源系統(tǒng)。E-mail: dongxianglv@163.com

10. 13679/j.jdyj.20190036