(国网江苏省电力公司连云港供电分公司)
摘要：海岛是人类开发海洋的远涉基地和前进支点，在国土划界和国土安全上也有着特殊的重要地位。因此，海岛的发展利用成为海洋发展利用的重中之重。但一般而言，多数海岛面临化石燃料短缺、运输困难、地域偏远难以与大陆联网等问题，无法解决供电问题。离网型微电网通过对风、光等多种自然资源加以充分利用，可以有效解决海岛的和偏远地区的供电问题。本文以开山岛风光储互补智能微电网系统建设为例，进行离网型微电网的经济运行策略分析，为今后离网海岛微电网供电系统在海岛微电网成组方式、多种新能源综合利用、源荷互动管理、海岛微电网远程通信及维护等方面提供参考依据。
关键词：多类型电源；离网型微电网；开山岛；经济运行策略
前 言
我国海疆分布的上万个岛礁中，仅有400多个岛上可供居民常驻，仍有近百万海岛居民缺电或少电。通过构建海岛微电网，不仅能够解决海岛的一次能源短缺等问题，也有助于保护海洋环境、促进节能减排。本文对开山岛风光储互补智能微电网系统建设进行建模和经济运行策略分析，期望提出的经济运行策略能够对我国海岛微电网建设起到参考作用。
一、微电网概述
微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1-2]。凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网运行或孤岛运行、最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量。
微电网中的电源大致可以分为变流器型微电源和旋转电机型微电源两类，其中既可能包含柴油发电机、微型燃气轮机等易于控制的电源，也可能包含风力发电系统、光伏发电系统等具有间歇性和不易控制的电源，通常还需要配备各种类型的储能装置。此外，波浪、潮流等海洋能发电近年来也发展迅速，各国科技工作者开发了多种发电装置，部分已经建成了试验电站。随着相关技术的发展，波浪能和潮流能发电系统将在海岛微电网中得到越来越多的应用。
微电源的建模是认识微电源各种动静态特性的基础，也是微网运行与控制的基础。目前微电源的建模研究主要是基于其物理特性，建立各种微电源以及相应并网变流器的数学模型，包括机理动态模型、小信号模型、动态相量模型等[3-6]。微电网电源容量的优化配置直接影响能源的综合利用效率、供电可靠性和电能质量等关键技术指标。现有微电源的容量配置方法大多以经济成本最优、能量回收成本最优为目标，通过优化算法对电源容量进行优化配置[7-9]。
二、开山岛微电网运行相关实践
开山岛，位于我国黄海前哨，距离灌云县燕尾港12海里，外形呈馒头状，海拔36.4米，总面积0.013平方公里，岛上有航标灯塔一座、原驻军营房50多间以及山洞、储水池等。开山岛被誉为“海上布达拉宫”，归江苏省连云港市灌云县管辖，是一座国防战略岛,“时代楷模”王继才生前曾在这里驻防。
（1）开山岛光伏系统基本情况：开山岛地处北纬34°31'，东经119°52'，查得连云港市的日照Meteonorm和NASA数据条件如下：
图1 开山岛地区Meteonorm数据
图2. 开山岛地区NASA数据
由于NASA数据较大，保守考虑，采用Meteonorm数据进行模拟分析，开山岛地区光伏组件按照最佳倾角为29°。根据实际勘察，现场无法满足最佳倾角安装条件,需采用屋面5°倾角方案（对比最佳倾角安装方式，效率降低7.8%）
图3 开山岛地区水平面辐照度模拟
（2）风电系统基本情况：开山岛位于海上，参考林洋灌云风电场2017年用电量数据，灌云地区年平均利用小时数1445小时；根据燕尾港气象站1981年～2013年的气象资料统计，开山岛附近海域30年年平均风速为4.09m/s，开山岛周边年平均风速为6.4m/s，春冬季节风速较大，夜间风速较大。开山岛月平均风速数据如下：
目前10kW、20kW、30kW风机切入风速为2.5 ~3m/s，额定风速为9~10m/s，参考开山岛附近风电场及气象站数据，风机全年基本处于低风速的运行状态，经过软件分析，10kW、20kW、30kW风机发电效率如下：
由此可见，三种风机发电功率差距不大，且相比光伏发电，风力发电建设成本较高，发电效率较低。综合考虑技术成熟性、结合各种设备的优缺点及经济性，本工程拟选用安装单机容量10kW风力发电机组2台。
（3）通信系统基本情况：为了集中设备负荷，减少空调用量，在开山岛控制室将移动公司的设备与电力无线专网设备纳入同一机柜，本工程安装1.8G无线专网设备一套。岛上至大陆的通信通道通过现有移动公司微波传输，大陆侧利用移动铁塔与移动机房。一二区业务通过燕尾变3500设备传输至灌云县局,再通过市县A网传输至市公司核心网,核心网经城区支环传输至连岛海岛综合能源管理系统；三四区业务通过燕尾变3500传输至就近的220kV变电站无线专网汇聚交换机，再由汇聚层支环B平面传输至市公司核心网。
图4 无线专网通道示意图
三、开山岛微网运行策略分析
根据地方政府对开山岛的主体规划内容，经过详细分析测算，得到开山岛远景负荷预测结果如下：总负荷96kW，其中重要负荷约15kW。
储能容量以储能SOC和充电放电功率为控制标准，基于离散傅里叶变换对光伏输出功率进行频谱分析，考虑新建2套150kW/300kWh的电池系统和2台150kW的DC/DC设备。从安全方面考虑，蓄电池采用铅碳电池，铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它在铅酸电池的负极加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命，增加了电池的使用年限。
考虑到海水淡化系统的可调节特性，推荐通过直流配电的方式实现多能源混合供电。其中，风电、光伏和储能系统经DC/DC或AC/DC装置接入直流母线，其中风电的AC/DC在户外安装，风电、光伏和储能DC/DC安装在室内变流器柜，直流系统母线电压为DC750V。负荷侧采用2台150kW的AC/DC集中逆变方案，2台AC/DC互为备用，预留直流负荷输出接口。交流母线输出AC220V给照明、小家电和办公设备等供电；AC380V作为备用接口，为一套10kW的海水淡化系统和20kW的岸电系统供电。本项目建设一台30kW柴油发电机，在光伏、风电及储能电量不足的情况下作为备用电源，柴油发电机具备自动投切功能。
图5 微电网系统示意图
该项目提供“风光储”、“柴光储”、“柴发”、“停止”四种运行模式，可通过微网控制器进行模式选择。四种运行模式之间可实现无缝切换，实现7×24h不间断供电。
四、结束语
开山岛风光储互补智能微电网系统采用交直流混合控制技术，实现多微电网间的信息共享和能量调控，保障“源-网-荷-储”协调控制和经济运行，达到了多种能源协同互补和离网海岛高品质供电的目的。新建的日产水10吨的海水淡化系统既解决了海岛用水难题，同时作为柔性可投切负荷和能量存储设备参与微电网调度控制。开山岛海岛微电网是支撑能源结构清洁化转型和能源消费革命做出重要示范，有效地为孤岛以电为中心的能源自给自足提供了一揽子解决方案。
微电网采集岛上风电、光伏、储能以及生产管理和地理气象信息，构建岛内低功耗LoRa物联网，通过LoRa基站以无线专网将设备运行状况和实时视频远程传输至陆地进行远程监测与运维诊断，实现离网海岛微电网的远程监控，是“三型两网”变革下对电力物联网的有效尝试。
参考文献：
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论文作者:吴旺东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/24
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