廖文娟

（中國電建集團城市規(guī)劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

海島地區(qū)風、光資源豐富，充分利用風、光等可再生能源建設風光柴儲發(fā)電系統(tǒng)，可有效解決島嶼的電量需求及柴油發(fā)電的環(huán)境污染與噪聲問題。中國海島眾多，由于海島地區(qū)遠離陸地，總體用電量較小等原因，通過鋪設海底電纜進行供電的前期投入較大，且后期運行維護成本大，因此目前這些地區(qū)多由柴油發(fā)電機供電。但是，最近幾年柴油發(fā)電成本不斷增加，消耗柴油的同時還會導致污染物的排放，嚴重破壞環(huán)境且與國家的“雙碳”發(fā)展目標沖突，太陽能、風能、潮汐能等可再生能源發(fā)電已逐步在海島利用，并取得顯著效果。由此可見，十分有必要開展風、光等多種電源的微電網建設模式研究。

1 海島供電現狀分析

中國海島眾多，面積達500 m2以上的島嶼有7 000多個，總面積達70 000km2以上，島嶼岸線長14 217.8 km，其中有人島嶼達450個。各島嶼中，小島和無人島占比較多，大部分島缺淡水資源。

目前，海島的電力供應基本以柴油機供電為主。由于地區(qū)偏遠，遠離電網且島上人口較少，總體用電量較少等，采用遠距離海底電纜提供市電供電不符合經濟效益，故這些地區(qū)多由柴油發(fā)電機供電。但隨著最近幾年柴油發(fā)電成本的不斷攀升，利用風能、太陽能、潮汐能等可再生能源發(fā)電成為解決島上用電最行之有效的方案，而微電網是實現這一目標的重要技術與經濟手段。

2 海島電網建設原則

針對海島的實際情況，構建風、光、柴、儲等不同能源類型組合的海島微電網，其建設原則如下[1]。

（1）滿足海島生產、生活用電的需要，保障海島經濟社會的有效發(fā)展；（2）充分利用海島當地的可再生能源資源，降低化石能源的消耗；（3）綜合考慮接入地區(qū)配電網的設備水平和運行情況，滿足供電的可靠性要求；（4）適應新能源快速發(fā)展的要求，滿足多元化接入與個性化需求；（5）滿足遠期電網發(fā)展的靈活性；（6）方案統(tǒng)一規(guī)劃、分步建設，提高供電的經濟性。

3 微電網的構成

（1）分布式電源，海島微電網的分布式電源主要包含光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及潮汐發(fā)電等；（2）負荷，海島型電網的負荷主要以居民負荷和旅游負荷為主，負荷結構單一，峰谷差大；（3）儲能裝置，儲能裝置用于新能源發(fā)電的能量存儲、負荷的削峰填谷；（4）控制裝置，由控制裝置構成控制系統(tǒng)，實現分布式發(fā)電控制、儲能控制、并離網切換控制、微電網實時監(jiān)控以及微電網能量管理等。微電網的構成如圖1所示。

圖1 微電網的構成

4 電源形式

從容量角度可以將微電網分為單用戶級、多用戶級、饋線級。海島臺風較為頻繁，目前市場上抗臺風的機型容量較大，在產風機單臺裝機容量大于2.5 MW，因此對于單用戶級的微電網，由于容量較小，建議采用光儲，并將柴發(fā)作為補充電源。多用戶級可考慮采用風光互補的形式提高供電可靠性，而饋線級別的微電網由于風力發(fā)電經濟性較好，因此建議采用以風電為主的供電方式[2]。表1為不同容量微電網的電源形式選擇。

表1 不同容量微電網的電源形式選擇

5 儲能形式及容量確定

儲能技術按照能量儲存方式不同主要分為機械儲能（如壓縮空氣儲能、抽水儲能、飛輪儲能等）、電化學儲能（如鋰離子電池儲能、液流電池儲能、鉛蓄電池儲能、鈉硫電池儲能等）、化學儲能（如氫儲能、合成燃料儲能等）以及電磁儲能（如超級電容器、超導磁儲能）。

近年來，“棄風”“棄光”“富余水電”等可再生能源電力消納不力的問題日益凸顯，已成為當前可再生能源電力發(fā)展的瓶頸之一。儲能系統(tǒng)的雙向儲能變流器（Power Conversion System，PCS）控制功率能力及靈活調節(jié)性能可以提高微網對新能源的接納能力。因此，儲能技術在微電網中發(fā)揮著重要的補充調節(jié)作用。常見的適用于新能源項目開發(fā)配置的儲能技術主要包括抽水蓄能、電化學儲能以及氫儲能。

海島型微電網中，在可再生能源電源配置已經確定的情況下，應根據用戶的負荷曲線，以滿足用戶的用電需求及用電質量為重要條件，統(tǒng)籌考慮配置儲能系統(tǒng)的經濟性及安全性，確定儲能系統(tǒng)的功率及儲能時長。儲能系統(tǒng)容量應能滿足一定時間內系統(tǒng)的不平衡功率，儲能系統(tǒng)的放電時長應體現在儲能系統(tǒng)額定功率下具備足夠放電時間，使系統(tǒng)能安全的過渡到穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。

儲能系統(tǒng)額定功率PN定義為

式中：εp為額定功率與峰荷的比例系數；PL為系統(tǒng)峰荷。

儲能系統(tǒng)容量EN需滿足

式中：η為儲能系統(tǒng)轉換效率；Ddod為儲能放電深度；T為儲能放電時間。

海島電網儲能用于滿足島上人員的晚上用電需求及參與微電網的調峰調頻，解決微電網的光伏棄電等[4]。

6 基于源網荷儲的控制策略

6.1 有日照時段的控制方案

在白天光伏發(fā)電量增加期間，微網控制系統(tǒng)控制光伏系統(tǒng)對電池PCS進行短時間充電，以維持發(fā)電機的安全負載范圍。當電池逆變器的充電功率超過允許上限或電池剩余電量（State of Charge，SOC）達到允許上限時，微網控制器可以控制停運發(fā)電機組。

下午光伏發(fā)電功率下降時，微電網控制器可以控制儲能電池逆變器放電來短時間補充光伏發(fā)電下降量，以維持輸出功率維持在安全負載范圍內。當蓄電池的放電功率超過允許上限或蓄電池SOC達到允許下限時，微網控制系統(tǒng)將啟動光伏場區(qū)一定容量的柴油發(fā)電機組[5]。

6.2 無日照時段的控制方案

夜間沒有光照，光伏系統(tǒng)沒有電力輸出。電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS）在恒定功率控制模式下運行，并連接到電網。當電池逆變器的放電功率超過允許下限或電池SOC達到允許下限時，微網控制器可以控制啟動發(fā)電機組[6]。在此期間，BESS還可以以有差模式與發(fā)電機組并聯(lián)運行，以防止單臺機組突然故障造成的不穩(wěn)定風險，提高系統(tǒng)供電的可靠性。所有柴油發(fā)電機組均可以由微電網控制器以通信方式進行自動控制[7]。

6.3 光伏限功率

本系統(tǒng)依靠BESS系統(tǒng)來吸收多余的光伏電能，但由于電池容量規(guī)劃有限，BESS很難長時間在大功率充放電模式下運行。因此，當電池充電達到上限時，應該限制光伏功率維持系統(tǒng)的穩(wěn)定[8,9]。

7 案例分析

7.1 用電現狀介紹

廣東某海島尚未實現與市電連接，現有電壓等級為10/0.4 kV，由1座配電站實現孤網運行，島上電源主要由柴油發(fā)電機組組成，總裝機為2 000 kVA。為保證負荷24 h不間斷供應，采用柴油機輪流發(fā)電，高峰運行950 kW柴油機組，全年用電量約為212萬kW·h。

7.2 電源形式及配置規(guī)模

由于該島用電量較少，多為居民和旅游酒店負荷，容量小于2 MW，屬于單用戶級用戶。根據表1電源采用單一形式，并配合相應的儲能進行供電。表2、表3以及表4選取了3種配置方案進行技術經濟比選。方案1和方案2為光伏+儲能，方案3為風電+儲能，其中方案1考慮白天由光伏供電，晚上儲能電量不夠時考慮由柴油發(fā)電機進行供電，方案2、方案3柴油發(fā)電機只作為應急電源及連續(xù)天氣狀況不好時使用。各方案綜合造價比選如表2所示。

表2 各方案綜合造價比選

從表2可以得出方案1造價最低，其次是方案3，方案2造價最高。

將本體造價分攤到整個壽命周期，其中光伏為25年，風電為20年，儲能為10年。柴油發(fā)電成本按3.2元/（kW·h）進行計算，得出結果如下。方案1的光伏發(fā)電量較少，柴油發(fā)電占比較高，加權平均電價達到1.5元/（kW·h），年收益最差；方案2的光伏發(fā)電量高，棄電量較多，年收益處于中等水平；方案3的風機發(fā)電量剛好滿足全年用電量，棄電量少，年收益最好。各方案發(fā)電量及加權電價如表3所示。

表3 各方案發(fā)電量及加權電價

表4為各方案技術指標比選，從中可以得出方案1技術指標均偏差，其次是方案3，而方案2技術指標最好。

表4 各方案技術指標比選

方案1新能源發(fā)電占比較少，年收益較差；方案2新能源發(fā)電占比較高，年收益居中，且可靠性高；方案3新能源發(fā)電占比居中，年收益最好，但由于單臺風機出力不穩(wěn)定，極易導致停電。綜合考慮各項指標后確定方案2為最終方案，即光伏裝機2 000 kW，儲能3 000 kW·h，年發(fā)電量260萬kW·h。

7.3 儲能容量確定

島上高峰時的最大負荷約為800 kW，考慮額定功率與峰荷系數比為1.25，因此儲能的功率確定為1 000 kW。按照儲能裝置效率為95%，放電深度為85%，島上用戶的晚高峰用電時間為19:00—23:00，高峰期的平均負荷率為40%，其他時段負荷率為10%，最大負荷支撐時間為2.5 h。

7.4 運行策略

采用光伏+電化學儲能+柴油發(fā)電機構成微電網，其運行方案如圖2所示[10]。

圖2 系統(tǒng)運行方案

正常運行方式下，白天由光伏發(fā)電系統(tǒng)進行供電，多余電力向電化學儲能電池充電，晚上由儲能系統(tǒng)進行供電，實現區(qū)域內削峰填谷，緩解高峰期的用電壓力，提高設備利用率與能源使用效率。當遭遇陰雨天氣時，光伏出力下降，此時島內電源出力將不滿足供電負荷平衡需求，優(yōu)先轉由電化學儲能供電，當電化學儲能容量不足時，需轉由柴油發(fā)電機組供電。

8 結 論

結合海島特性、分布式電源及儲能的特性，分析微電網的構成及容量，確定微電網的建設模式。結合負荷特性、電源出力特性，制定源網荷儲的協(xié)調控制策略，有效降低海島的供電成本，同時降低化石能源的消耗量，助力碳減排。