海岛微网建设关键技术研究

2013-02-13谭茂强邓长虹

电力建设 2013年2期

关键词：微网海岛储能

谭茂强，邓长虹

(1.广东省电力设计研究院，广州市510663;2.武汉大学电气工程学院，武汉市430072)

0 引言

我国300多万km2海疆分布着上万个岛礁。其中，面积大于500 m2的海岛6 500多个，400多个岛上有常驻居民［1］。

2011年4月国家海洋局公布我国首批176个可供开发的无居民海岛名录［2］，拉开科学开发无人岛序幕。近期，三沙市的成立标志着我国经济发展将走向海洋并更加关注海洋资源以及偏远海岛的开发。

偏远海岛电力供应有几种模式，包括大陆联网供电、在岛上建设燃油燃气电厂、以开发光伏风电等绿色能源为主构建海岛微网等。

本文结合国内外近年微网研究情况，分析偏远海岛微电网建设相关问题。

1 海岛电力需求及解决模式

海岛能源需求大致可分为大型海岛群综合开发以及小型偏远海岛2类。

1.1 大型海岛群综合开发

大型海岛群综合开发对电力需求总量及可靠性均有较高要求。以珠海万山群岛海洋综合开发试验区发展规划预测为例，其电力负荷增长见表1。

表1 万山群岛电力最大负荷Tab.1 The maximum power load in Wanshan Archipelago

由表1可见，电力负荷增长十分迅猛，如何有效解决供电是综合开发试验区发展规划重点考虑的问题。

舟山群岛220 kV海缆及海南岛500 kV海缆与大陆联网已成功投运，通过海缆与大陆联网供电方式无疑是解决万山群岛这类大型能源需求的首选。

万山群岛离大陆20多km，相关建设研究单位提出了“依靠岛上新能源开发与大陆海缆联网供电并举”的电力需求解决方案，它是兼顾绿色低碳与供电可靠性两方面要求的最佳模式。

1.2 小型偏远海岛

众多偏远小型海岛采用海缆联网供电不太现实。

首先，这类小岛生态环境脆弱，不具备大规模综合开发的可行性，因此，能源需求增长缓慢，总量也不大。其次，众多小岛远离大陆，海缆敷设及运行维护难度较大，采用大陆联网供电方式会使经济效益降低。偏远海岛电力解决模式较为可行的方案是“以新能源开发为核心，构建‘风、光、柴、储’互补独立型海岛微电网”。

2 微网研究现状

要搞好海岛微电网建设，需要了解微网概念以及研究现状。

2.1 微网定义

关于微网，目前国际上尚无公认定义。

美国电气可靠性技术解决方案联合会对微网的定义是:微网由负荷和微型电源组成，可同时提供电能和热量。微网内部电源(太阳能、风能、储能设备等)主要通过电力电子变换装置接入，并提供必要的控制与通信接口［3］。

欧盟认为微网主要特征是利用一次能源、使用微型电源、“冷、热、电”三联供、带有储能装置、采用电力电子装置进行能量调节。

日本新能源产业技术综合开发机构将微网定义为在一定区域内，利用可控分布式电源、根据用户需求提供电能的小型系统。

国内一些研究机构认为，微网是一种独立性很强的分散型电源网络，由光伏、风力、小水力、生物质、燃气或燃油发电、燃料电池、蓄电池组等各种组合构成的一个区域自治的电力系统。

分布式“冷、热、电”三联供是“微网”的主要特征，而由微型电源、负荷和微型配电网络构成的系统更宜称为“微电网”。

2.2 微网研究进程

近年来，微网研究已成为国内外工程研究领域最新的前沿课题之一。

2002年，美国电力可靠性技术协会最早提出了详细微网方案并资助威斯康辛大学麦迪逊分校建立了实验性微网，随后在俄亥俄州建立了示范型微网。

欧盟近年分别资助了“大规模集成小型发电设备到低压配电网络”及“针对更多微网接入的先进构架及控制理念”的课题研究。

2003年，日本新能源产业技术综合开发机构资助了“含可再生能源的区域性电网”3个示范项目。

我国微网研究虽起步较晚，但已有一批研究文献面世［4-11］，一批科研项目应运而生。

2008年，中日共同实施的“先进稳定并网光伏发电微网系统”在杭州电子科技大学投入使用。

天津大学在校内建成了迄今国内规模最大的微网试验室。

2009年，浙江电科院建成微网试验室，并以此为先导承担国家电网公司首个海岛微网示范项目——东福山岛“风、光、柴”海水淡化系统。

2011年，广东省电力设计研究院与武汉大学共同投资组建“智能电网试验室”，并联合开展“智能微网规划设计试验研究”工作。

3 微网特点及分类

3.1 微网特点

微网可提供有效集成分布式电源，可灵活接入或断开分布式电源，具有“即插即用”能力;联结多个分布式电源的微网增加了系统容量，可有效改善电能质量;正常情况下，微网并网运行，由大电网提供刚性电压和频率支撑;在上级网络故障时，可孤立运行，继续保障供电，提高供电可靠性。

3.2 微网分类

微网可按接入电压等级、输电方式及应用场景3种方法进行分类。

按微网电压等级可分为低压(380V)以及中压(35 kV/20 kV/10 kV)系统。

按输电方式可分为交流微网、直流微网及交直流混合微网。

按应用场景可分为海岛微网、海油微网、社区微网及企业微网。

3.3 微网运行模式

海岛微网与海油微网通常多属典型独立型微网。社区微网及小企业微网更多地采用“单点并网不上网”运行模式。

钢铁、化工等大型企业用电负荷大、相对集中;生产连续性强、对供电可靠性和电能质量要求高，需要与电力系统并网运行。

4 海岛微网案例

近年来，国内海岛微网已进入实际探索阶段。较有影响的有浙江东福山岛“风、光、柴”海水淡化系统及珠海东澳岛“风、光、柴”系统工程。

4.1 东福山岛“风、光、柴”海水淡化系统工程

东福山岛“风、光、柴”储及海水淡化综合系统工程2011年建成投产，总投资2 300万元，装机容量510 kW(每kW单位造价超过4万元)。项目由国电浙江舟山海上风电开发有限公司投资，浙江电科院组织科研攻关，华东水利勘测设计院设计。

该光伏发电系统由场地光伏矩阵及屋顶光伏矩阵构成，储能蓄电池布置于电站蓄电池室(主要设备见表2)，“风、光、柴”储电源设备经交流380 V并网再经升压变及10 kV架空线路送电到岛上居民及驻军，项目还建设1套海水淡化系统。岛上负荷260 kW，白天基本上由光伏、风力发电及蓄电池储能协调供电，夜晚由人工转为柴油发电机供电。

表2 东福山岛微网工程主要设备表Tab.2 Main equipments of micro grid project in Dongfushan Island

4.2 东澳岛“风、光、柴”系统工程

东澳岛位于珠海万山群岛中部，以旅游业及海产业为主，以前长期采用柴油机发电。

2010年，珠海兴业太阳能公司与中科院广州能源所合作投资建设了1套含1 000 kW光伏发电、50 kW风力发电、2 000 Ah蓄电池储能以及原有4台柴油发电机(共约 1 000 kW)的海岛微电网系统。

东澳岛微网利用原有0.4 kV和10 kV 2级电网供电，孤网运行。

柴油发电机在蓄电池储能系统低于蓄电池额定容量的50%时才投入并网运行，实际运行时柴油发电机很少起动。

该项目利用可再生清洁能源发电保障了岛上用电，取得了一定的经济效益和社会效益。经折算，每年等效减排二氧化碳 1 000 t、二氧化硫 45 t、粉尘 408 t［12］。

5 建设海岛微电网的重点问题

当前，受海洋开发形势所迫，欧美经济危机使光伏价格大幅下降，以及铅酸蓄电池用于储能性价比高，所以，海岛微网建设体现了一定的经济价值。

如何规范和推进海岛微网建设，以下问题需重点考虑。

5.1 确立海岛微网建设指导思想

传统大电网建设向来把安全可靠放在首位。偏远海岛微网负荷特征使供电可靠性要求相对降低，其建设指导思想应转为寻找安全可靠与经济可行平衡点。

规划海岛微网，首先要对各类负荷需求准确分类统计，确定合理的备电时间和保电方案;在搭配选用电源以及储能设备时要因地制宜，尽量考虑分布式和小型化，电网架构应按经济效益优先的原则考虑。

5.2 确定适合当前国情的海岛微网技术路线

海岛微网发展技术路线大致分为近海与偏远海岛屿2类。

近海岛屿微网建设应以配合发展海上风电为主，可首先考虑建成海上风电连接枢纽及储能支撑点，除岛上就地消纳外，再经海缆联网向大陆送电。

偏远海岛则应根据建设条件和经济实用性，技术路线应主要考虑同步建设光储柴系统，运行时以光伏发电及蓄电池往复充放循环为主，柴油发电作为备用。如果总容量小于5 MW，且受电范围相对集中，可考虑采用交流380 V一级电压简单网络结构。

偏远海岛新能源开发不首推风电，主要考虑2个问题。首先，偏远海岛微网通常规模小，大型吊装机具海运上岛困难很大，难以支撑大容量风机安装及建成后的维护;其次，相对陆地而言岛上风向乱、台风多，小型水平轴风机迎风定位会影响其发电效率及设备可靠性。

光储柴系统中光伏部分可结合岛上建筑开发，大力发展屋顶光伏发电、幕墙及观光长廊光伏，使土地利用最大化，改善综合经济性指标。为尽量提高光伏转化利用效率，应根据海岛地理位置和全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定场地条件等因素确定太阳能方阵最佳安装倾角以及防止遮挡的最佳阵列间距。

为平抑光伏发电的间隙性，提高海岛微网可靠性就必须同步建设储能设备(通常应达到光伏装机容量50%，应根据负荷特性、使用时间确定)。

目前，储能方式分为物理储能和化学储能。物理储能中抽水蓄能或压缩空气储能技术上成熟、效率也较高，但大多数海岛不具备实施条件;而新型锂离子电池储能投资和运行成本高，并不适合海岛微网。从已建工程应用来看，改进型隔酸防爆免维护铅酸蓄电池较为适用海岛微网，性价比较高。

按当前市场价模拟测算，建设1套8 h备用电最大负荷1 MW的建筑光伏加铅酸蓄电池储能系统大致需要800万元，单位造价大约0.1万元/(kW·h)。

柴油发电机组当前建设成本较低(目前每kW造价不到1 000元)，但燃油成本高，有环境污染，且受台风等气候影响运输，无法保障原料供给，显然当作备用相对较好。

5.3 尽快制定微网设计规范

以往主网建设的发、输、变、配几个环节分界较为清晰，运维规律研究较为透彻，而微网建设模式及运行分界相对模糊。已建成的海岛微网项目在工程实施时的最大问题是其无相应标准，因此，亟待制定适合微网工程建设的标准和规范。

另外，国家层面促进微电网发展的电价机制也应尽快出台，以推动光伏为主要内涵的微网技术的应用发展。

近年来，国家电网公司已由中国电力科学研究院牵头着手制定中国微网系列标准，包括设备规范、设计标准、孤岛运行标准以及并网运行标准等四大类［13］。

5.4 研发适合微网设计软件工具

海岛微网工程规模小，用传统主网设计思路以及跨专业组织结构进行工程规划设计势必效率低下。

国外一些适用新能源建设的电力系统分析软件往往强于单个新能源元件建模及分析评估，因此，亟待开发适合微网整体设计高适应性的工具软件。

目前，广东省电力设计研究院正联合武汉大学开发“微网分布式电源配置辅助设计软件”等系列软件。

5.5 积极开发海岛微网适宜产品

海岛微网新能源建设最大特点是岛上土地资源受限。应大力开发适合分散建筑屋顶安装的集约式光储一体化产品，即将光伏组件与储能蓄电池乃至变换控制等众多设备有机结合，在系统构成上将整体并网光伏改为以单体建筑为单元先形成子微网，再经交流系统扩展形成先分散后集中的微网系统，这样可大大节省光储系统部件连接组合成本，提高系统集成运行效率，还能最大限度地减少设备占地。

此外，当前缺乏适合微网多方向潮流交换的继电保护技术与产品，应开发利用高智能型开关产品，即开关本身自带潮流方向保护，同时，经网络通信实现保护、测控联动功能。