王 冬，王福家，許衛(wèi)國，杭軍兵

（江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引言

離岸島嶼的供電有兩種基本模式，自發(fā)自用構(gòu)建的獨立電網(wǎng)和通過長距離水底電纜與大電網(wǎng)相連。自發(fā)自用大多是基于柴油發(fā)電機系統(tǒng)作為常用發(fā)電設(shè)備，使用成本高、噪聲污染嚴(yán)重；利用水底電纜由大電網(wǎng)供電雖具有較高的可靠性，但成本高、維護(hù)困難[1-2]。大部分離岸島嶼地理位置獨特，風(fēng)能、太陽能等資源充足，非常適合微電網(wǎng)的構(gòu)建。微電網(wǎng)也是為大電網(wǎng)覆蓋困難地區(qū)提供電能的一種有效途徑，合理、有效的利用清潔能源發(fā)電來組建微電網(wǎng)，對解決離岸島嶼高質(zhì)量供電問題具有顯著的實際意義[3-4]。

某離岸島嶼總面積約110 畝，常住人口125 人且配套設(shè)施齊全，島上用電基本沒有保障。但該島嶼在核心景區(qū)附近，環(huán)境優(yōu)美、人流量大，當(dāng)?shù)卣媱潓⒃搷u嶼打造成綠色旅游島。文中基于該島嶼清潔能源智能供電供水項目，充分依據(jù)可行性研究報告以及項目現(xiàn)場的實際情況，提出一個利用清潔能源發(fā)電就可以滿足該島嶼日常用電的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 島嶼負(fù)荷現(xiàn)狀估算

在項目初步設(shè)計階段，負(fù)荷估算與分析是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總負(fù)荷可分為已知可計算負(fù)荷和不確定負(fù)荷。針對部分不確定用電負(fù)載，根據(jù)離岸島嶼的自然條件與負(fù)荷需求狀況，參考城市規(guī)劃設(shè)計規(guī)范和各類建筑負(fù)荷密度指標(biāo)要求[5-6]，采用負(fù)荷密度法估算，估算出該島嶼的不確定負(fù)荷，如表1 所示。詳細(xì)分析該島嶼遠(yuǎn)景負(fù)荷的用電需求，將接入系統(tǒng)的負(fù)荷統(tǒng)計如表2所示。

表1 不確定負(fù)荷估算匯總表

表2 系統(tǒng)負(fù)荷估算匯總表

通過最終核算，該離岸島嶼的最大設(shè)備預(yù)估功率為278.08 kW，該島嶼不確定負(fù)荷多為阻性負(fù)荷?？紤]用電設(shè)備的同時使用率、功率因數(shù)等情況，結(jié)合現(xiàn)有資料，參照文獻(xiàn)[6]中的需用系數(shù)負(fù)荷換算方法估算，取遠(yuǎn)景年最大負(fù)荷240 kW。另外，按照該島嶼用電負(fù)載的重要程度，可以將用電負(fù)荷分為重要負(fù)荷與可控負(fù)荷。重要負(fù)荷包括：微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運行負(fù)荷、路燈及公共照明負(fù)荷、設(shè)備預(yù)制倉照明負(fù)荷。其中，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運行負(fù)荷約3 kW?？煽刎?fù)荷可以根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)，手動或策略控制負(fù)載的投切。

2 島嶼負(fù)荷需求分析

按照全天不同時段該島嶼用電負(fù)荷的大小，可以將用電負(fù)荷分為早峰、午峰、晚峰、低負(fù)荷、空閑5 個狀態(tài)，不同時段負(fù)荷關(guān)系用公式（1）表示。各時段負(fù)荷分配計算如表3 所示，根據(jù)表3 可計算出全島日消耗最大電量約為2 481.6 kW·h。

表3 不同時段負(fù)荷用電數(shù)據(jù)分析匯總表

式中：PM—不同時段的最大使用功率；PE—系統(tǒng)額定功率；K1—不同時段最大功率占比；K2—線路傳輸、無功等消耗占比。

3 島嶼可利用清潔能源現(xiàn)狀

參考我國城市峰值日照時間，該離岸島嶼所在地全年日照峰值平均時間為4.02 h，每月日照峰值平均時間如圖1 所示，每年的1月份與12月份日照峰值平均時間略低于3 h，其余月份均高于3 h，5月份最高，約為5.35 h。該地區(qū)的光照與在我國各大城市的光照時間對比，屬于光照較好的地區(qū)，可以建設(shè)光伏發(fā)電站。

圖1 該地區(qū)全年日照峰值時間曲圖

圖2 為該島嶼附近湖區(qū)監(jiān)測的年平均風(fēng)速變化曲線（30 m塔桿），2、3、4月份平均風(fēng)速較高，約為8 m/s，10月份最低，約為4.5 m/s，全年平均風(fēng)速約6.5 m/s，風(fēng)速波動小。結(jié)合現(xiàn)場實際檢測情況、業(yè)主需求，認(rèn)為可以建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站。

圖2 附近湖區(qū)檢測的年平均風(fēng)速變化曲線

4 系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

基于文中對該地區(qū)負(fù)荷的估算與分析、可用清潔能源現(xiàn)狀的分析，考慮負(fù)荷供需平衡，若單獨使用光伏發(fā)電，按照該地區(qū)平均日光照使用時間4.02 h 估算，光伏容量需要約617 kWp；若單獨使用風(fēng)力發(fā)電，考慮中大型風(fēng)力發(fā)電機島上施工難度，暫定選用30 kW 小型風(fēng)力發(fā)電機，根據(jù)30 kW 風(fēng)機風(fēng)力發(fā)電量評估報告測算[7]，該風(fēng)機在平均風(fēng)速7 m/s 狀態(tài)下，年發(fā)電量為87 060.9 kW·h。以一年365 天計算，可計算出日發(fā)電量為238.5 kW·h，需要建設(shè)10臺30 kW 風(fēng)力發(fā)電機組。為了滿足負(fù)荷與業(yè)主需求，且充分利用離岸島嶼的風(fēng)光條件，計劃采用風(fēng)光儲互補微電網(wǎng)方案。該方案留有一個系統(tǒng)應(yīng)急啟動用的3 kW 柴油發(fā)電機接入口，以保障UPS、儲能放電過度無法啟動設(shè)備等極端情況下的系統(tǒng)重新上電。

4.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

島上可用土地面積分布不集中，根據(jù)島嶼可利用土地實際情況，本項目計劃將光伏陣列分布于4 個地塊，通過組串式逆變器匯流逆變?yōu)?.4 kV交流電接入電氣設(shè)備預(yù)制倉低壓開關(guān)柜。

選用逆變器的直流輸入?yún)?shù)：最大輸入電壓1 100 V，額定電壓585 V，MPPT 工作電壓范圍200~1 000 V，8 路MPPT，每 路MPPT 最 大 可 輸入2 路。

選用光伏組件的電氣參數(shù)：最大功率405 Wp，開路電壓41.2 V，最大功率點的工作電壓34.2 V；溫度影響參數(shù)：最大功率溫度系數(shù)-0.34%/℃，開路電壓溫度系數(shù)-0.25%/℃；光伏組件工作外部環(huán)境極限低溫-15 ℃，極限高溫42 ℃。

用公式（2）、（3）[8]計算接入逆變器光伏組件串聯(lián)數(shù)：

式中：KV、K'V分別為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)和工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N取整數(shù)）；t、t'分別為光伏組件工作條件下的極限低溫和極限高溫；Voc、Vpm分別為光伏組件的開路電壓和工作電壓；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓值；Vmpptmax、Vmpptmin分別為逆變器MPPT電壓最大值和最小值。

把逆變器、光伏組件相關(guān)數(shù)值代入公式（2）、（3）中，計算出：N≤24，7≤N≤25。選用的逆變器額定電壓585 V，光伏組件工作最大功率點的工作電壓34.2 V，用額定電壓除以工作電壓可以計算出光伏組件最佳串聯(lián)數(shù)為17 或18 塊。綜合考慮環(huán)境因數(shù)，取每路光伏組件串聯(lián)數(shù)18塊，則光伏電站總?cè)萘繛?66 560 W=8×2×18×4×405 W。

考慮光伏整列傾角、光照利用率、線路損耗、逆變器損耗等因數(shù)[8]，取折算系數(shù)0.85，正常發(fā)電功率為396.6 kWp，日發(fā)電量為1 594.3 kW·h，該光伏電站設(shè)計壽命25年，年衰減0.7%，則25年后發(fā)電功率為313.8 kWp，日發(fā)電量約為1 261.5 kW·h。

4.3 風(fēng)力發(fā)電設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電機的接入可以保障系統(tǒng)在陽光不足、風(fēng)資源充足環(huán)境下系統(tǒng)連續(xù)運行的穩(wěn)定性，同時，當(dāng)?shù)卣媱潓⒃搷u嶼打造成觀光旅游島嶼，風(fēng)機的安裝可以增加觀賞性，增加清潔能源應(yīng)用的示范展示作用。該島嶼離湖岸比較遠(yuǎn)，居民集中居住在主島，主島周圍分布了許多窄長的小地塊，復(fù)雜的地理環(huán)境決定了中大型風(fēng)力發(fā)電機的施工難度。

根據(jù)周圍環(huán)境，選用4 臺30 kW 小型風(fēng)力發(fā)電機安裝在島嶼風(fēng)資源比較集中的地塊[9]，每個地塊安裝兩臺風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)機發(fā)電動力線路采用AC-DC-AC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個地塊配置一個匯流箱，信號與動力線路匯流后分別接入微電網(wǎng)控制柜與低壓開關(guān)柜。風(fēng)機整體重量約2.8 t，風(fēng)輪直徑13.1 m，用吊機配合液壓缸進(jìn)行安裝。根據(jù)地質(zhì)勘察報告分析，采用鋼管樁基礎(chǔ)作塔架安裝基礎(chǔ)，整體塔架高22 m。風(fēng)機的其它參數(shù)：啟動風(fēng)速2.5 m/s，工作風(fēng)速3~25 m/s，極端風(fēng)速59.5 m/s，額定轉(zhuǎn)速105 r/min，主動偏航，機械離心變槳距，大風(fēng)環(huán)境下采用變槳調(diào)控加智能安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)動力線路，動力線路采用AC-DC-AC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.4 儲能系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)自發(fā)自用，不與大電網(wǎng)相連，儲能裝置是支撐系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的核心設(shè)備。在風(fēng)、光資源不能滿足系統(tǒng)負(fù)荷的情況下，儲能放電，按照系統(tǒng)運行策略，保障負(fù)荷用電；反之，儲能充電，存儲多余能量，保證資源的有效利用。

根據(jù)該島嶼的負(fù)荷情況，本方案設(shè)計在無風(fēng)無光的條件下，保障系統(tǒng)空閑負(fù)荷狀態(tài)運行12 h，根據(jù)公式（4）計算出儲能容量不小于657.4 kW·h。

式中：WC—儲能容量；PMF—空閑負(fù)荷最大使用功率；KLR（取值85%）—逆變器、線路等損失系數(shù)；SOC（取值85%）—儲能放電深度。

根據(jù)上述計算配置儲能變流器與儲能電池。其中，儲能變流器的主要參數(shù)：直流輸入電壓范圍520~1 000 V，最大輸入電流1 077 A，8 路直流輸入；儲能電池主要參數(shù)：單體電芯（額定電壓3.2 V，額定容量100 Ah，電芯工作電壓范圍（2.5～3.65 V），1 C 放電，將260 節(jié)單體電池串聯(lián)（每20 塊電池一個插箱，13 個插箱）一簇，共8 路接入儲能變流器。實際配置容量665.6 kW·h（3.2 V×100 Ah×260×8），儲能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 儲能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.5 系統(tǒng)運行分析

假設(shè)系統(tǒng)在最大負(fù)荷狀態(tài)下運行：陽光與風(fēng)資源充足情況下，系統(tǒng)發(fā)電效率最高，儲能充電，能滿足所有設(shè)備峰值使用情況下的供電；陽光與風(fēng)資源波動性大，儲能可以在設(shè)備負(fù)荷早峰與午峰、午峰與晚峰之間充電，峰值期間配合風(fēng)光給設(shè)備供電；陽光充足、風(fēng)力小于風(fēng)機啟動值情況下，光伏發(fā)電可以滿足所有設(shè)備峰值使用情況下的供電；風(fēng)資源充足、無光的條件下，此時最大發(fā)電功率120 kW，能滿足空閑、低負(fù)荷時段供電，其它時段需要儲能輔助出力；風(fēng)、光資源不滿足發(fā)電條件下，儲能保障系統(tǒng)空閑負(fù)荷狀態(tài)運行12 h，此環(huán)境下，系統(tǒng)會定時進(jìn)入策略運行或運行維護(hù)人員手動控制運行狀態(tài)，以保障重要電源供電，微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上島實際調(diào)研情況，島上一般只有七成島民長期居住，漁家樂全年營業(yè)時間不到一半的時間，系統(tǒng)實際用電負(fù)荷小于統(tǒng)計估算負(fù)荷，該系統(tǒng)負(fù)荷完全可以滿足島嶼日常用電需求。

5 結(jié)語

文中根據(jù)某離岸島嶼的實際情況，對該島嶼用電負(fù)荷進(jìn)行估算與分析、對可利用的風(fēng)光資源進(jìn)行分析，在對負(fù)荷與能源分析的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃，提出了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲能電站的設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案，對系統(tǒng)進(jìn)行了運行分析。我國在剛剛出臺的“十四五”規(guī)劃中提到碳中和、能源的綠色環(huán)保等相關(guān)概念，相信在近期的未來，利用清潔能源發(fā)電一定會蓬勃發(fā)展。本方案為類似項目提供了實施參照，也是解決遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的地區(qū)供電的可行方案。