倪文斌，康 慨，魏 聰，施 念，葉子瑩

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430074）

1 孤島微電網(wǎng)概述

我國(guó)位于亞洲東部，太平洋西岸，是一個(gè)海陸兼?zhèn)涞膰?guó)家，面積達(dá)500 m2以上的島嶼6 536個(gè)，總面積約72 800 km2，島嶼岸線長(zhǎng)14 217.8 km，其中有人居住的島嶼450個(gè)。島嶼地理位置、技術(shù)條件等因素限制，無(wú)法直接利用傳統(tǒng)石油、天然氣等一次能源，且由于遠(yuǎn)離陸地電力系統(tǒng)，島嶼也無(wú)法從大電網(wǎng)獲取電力。有人島嶼的電力供應(yīng)問(wèn)題嚴(yán)重影響島上居民的日常生產(chǎn)、生活，成為制約其發(fā)展的主要障礙之一。目前，島嶼通常采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，通過(guò)定期從陸地運(yùn)輸柴油保障島嶼的電力生產(chǎn)。但是，采用柴油發(fā)電機(jī)組供電存在3個(gè)問(wèn)題：柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行噪聲大，且排放的尾氣對(duì)島嶼生態(tài)系統(tǒng)有一定的負(fù)面影響，后期運(yùn)行維護(hù)困難；遇到臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣，柴油運(yùn)輸無(wú)法得到保證，直接影響島嶼供電的連續(xù)性；柴油發(fā)電方式成本高，度電成本約為傳統(tǒng)發(fā)電方式的4～5倍。

一般島嶼人口密度小，存在大量未開發(fā)利用的荒地，且日照時(shí)間長(zhǎng)，光照資源豐富，不存在高大建筑遮擋等問(wèn)題；島嶼日常生產(chǎn)、生活負(fù)荷單一，不存在大容量沖擊性負(fù)荷。因此，構(gòu)建以光伏發(fā)電系統(tǒng)為供電核心的孤島微電網(wǎng)，是解決島嶼供電問(wèn)題的有效途徑之一。孤島微電網(wǎng)一般由光伏電池組件、用電負(fù)荷、儲(chǔ)能單元、柴油發(fā)電機(jī)組及控制系統(tǒng)5部分組成[1]，如圖1所示。光伏組件是系統(tǒng)的主要發(fā)電單元，通過(guò)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；儲(chǔ)能裝置主要用來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)剩余電量，調(diào)節(jié)功率平衡；柴油發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)備用電源，補(bǔ)償系統(tǒng)功率和電量缺額；控制裝置主要完成儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)部信息采集、監(jiān)測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)PCS及儲(chǔ)能電池組的系統(tǒng)級(jí)管理，協(xié)調(diào)PCS間、PCS與電池組間的工作，完成儲(chǔ)能電池充放電PQ控制、柴油發(fā)電機(jī)啟停等功能[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法

孤島微電網(wǎng)設(shè)計(jì)包括負(fù)荷分析與典型日負(fù)荷曲線提取、光伏系統(tǒng)容量配置與優(yōu)化、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電量分析與計(jì)算。

2.1 負(fù)荷分析

圖1 光儲(chǔ)柴離網(wǎng)型微電網(wǎng)供電原理圖

孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷形式單一，負(fù)荷曲線與島上居民用電習(xí)慣和電器類型有關(guān)。居民日常用電行為決定用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，日負(fù)荷曲線形態(tài)取決于用電設(shè)備的負(fù)荷特性及其使用狀態(tài)[3]。一般孤島居民生活集中，日負(fù)荷隨機(jī)性較大，同時(shí)居民生產(chǎn)、生活時(shí)間規(guī)律，不同日負(fù)荷曲線又具有相似一致性。

將孤島居民用電行為作為分析對(duì)象，采用自下而上的分層建模思路建立典型日負(fù)荷曲線，即從單個(gè)用電設(shè)備的特性出發(fā)，結(jié)合居民的用電習(xí)慣建立日負(fù)荷曲線模型[4]?；趯?shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，建立居民不同用電設(shè)備的電氣數(shù)學(xué)模型，以反映居民負(fù)荷的負(fù)荷特性；考慮居民用電設(shè)備的有效使用數(shù)量，電器使用時(shí)段建立居民負(fù)荷用電行為特征模型。根據(jù)居民用電設(shè)備的電氣數(shù)學(xué)模型和用電行為特征模型，獲得單個(gè)電器的日負(fù)荷特性曲線，在典型日中將不同電器日負(fù)荷曲線按時(shí)段疊加得到典型日完整的負(fù)荷特性曲線[5]。

2.2 光伏系統(tǒng)功率及發(fā)電量計(jì)算

光伏系統(tǒng)作為微電網(wǎng)的主要電源點(diǎn)，在容量配置過(guò)程中需要計(jì)算夏季、冬季典型日出力和發(fā)電量。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率及發(fā)電量受光照強(qiáng)度的影響。光照強(qiáng)度可采用半正弦模型進(jìn)行分析，半正弦模型計(jì)算公式如下：

式中，Qτ(t)為t時(shí)刻光照總輻射；AQ為日總光照輻射小時(shí)最大值，Q為日光照總輻射；a和b分別為日出和日落時(shí)刻。

光伏發(fā)電裝置的功率輸出與光照輻射之間存在函數(shù)關(guān)系，在得到每小時(shí)的光照輻射后，可以根據(jù)光伏面板的性能參數(shù)計(jì)算得出光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。它們之間的線性關(guān)系如下：

式中：ρct為t時(shí)刻的光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率；SCA為光伏電池的面積；Iβ是每小時(shí)在單位面積的傾角為β的光伏面板上所接受到的太陽(yáng)輻射；PPV為t時(shí)刻的光伏電池輸出功率。

光伏電池發(fā)電量的計(jì)算為：

式中：W為典型日光伏電池發(fā)電量；PPV為t時(shí)刻的光伏電池輸出功率。

2.3 柴油發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組在微電網(wǎng)中作為備用電源，在微電網(wǎng)中光伏發(fā)電不足時(shí)彌補(bǔ)功率缺額。對(duì)于孤島型微電網(wǎng)，柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)能滿足微電網(wǎng)全部負(fù)荷需求。柴油發(fā)電機(jī)的最優(yōu)輸出功率水平約為額定容量的75%，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)剩余容量可承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用，發(fā)電成本相對(duì)較低；柴油發(fā)電機(jī)一般最低運(yùn)行功率約為額定容量的30%，運(yùn)行功率過(guò)低會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)單位發(fā)電量的油耗明顯增加，同時(shí)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行也會(huì)影響其使用壽命。柴油發(fā)電機(jī)容量計(jì)算為：

式中，PG為柴油發(fā)電機(jī)所帶全部負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量，kVA；Per為照明負(fù)荷，kW；ηer為照明負(fù)荷效率；tanφer為照明負(fù)荷功率因數(shù)正切值；Pmm為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的額定容量，kW；ηmm為電動(dòng)機(jī)的額定效率；tanφmm為電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)正切值；Kd為需要系數(shù)；ηE為柴油發(fā)電機(jī)最佳運(yùn)行功率水平，取0.75。

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)的輸出功率受到光照、溫度等因素的影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性。而儲(chǔ)能裝置通過(guò)充、放電運(yùn)行狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，能夠有效平抑光伏系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)性，提高整個(gè)光伏系統(tǒng)對(duì)外的供電質(zhì)量與穩(wěn)定性。在微電網(wǎng)中負(fù)荷需求一定，在保證系統(tǒng)電力、電量平衡的條件下，可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最低為目標(biāo)，確定微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)模。

式中，CBO為微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)維護(hù)費(fèi)用；CPV、CBT為光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)單位容量造價(jià)；QPV、QBT為光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)容量；CG為柴油發(fā)電機(jī)造價(jià)；λPV、λBT、λG為光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)維費(fèi)率；QG為工程全壽命周期內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電量；fG為柴油發(fā)電機(jī)單位發(fā)電量油耗；MG為柴油價(jià)格。

3 案例分析

以某邊防哨所營(yíng)區(qū)為例進(jìn)行微電網(wǎng)容量配置，主要供能單元包括光伏電池、儲(chǔ)能電池和柴油發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)負(fù)荷如表1所示。

表1 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

表2 不同配置方案下工程全壽命周期費(fèi)用比較

經(jīng)計(jì)算，微電網(wǎng)系統(tǒng)日均電量需求約4 982 kW·h。考慮系統(tǒng)的電力、電量平衡及經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算不同微電網(wǎng)容量配置方案在工程全壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)比較不同配置方案下工程周期費(fèi)用可知，當(dāng)光伏容量為1 300 kWp時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最少。

4 結(jié) 論

（1）島嶼生態(tài)環(huán)境單一，傳統(tǒng)能源資源開發(fā)受限，且遠(yuǎn)離陸地電力系統(tǒng)，供電問(wèn)題嚴(yán)重影響島上居民的日常生產(chǎn)、生活。構(gòu)建以光伏系統(tǒng)為核心的孤島微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)安全供電，既能有效利用島嶼豐富的太陽(yáng)能和土地資源，又能避免對(duì)島嶼生態(tài)系統(tǒng)造成影響，是解決島嶼供電問(wèn)題的有效途徑之一。

（2）對(duì)于特定負(fù)荷制定滿足孤島運(yùn)行狀態(tài)下的微電網(wǎng)系統(tǒng)容量配置，微電網(wǎng)中各分布式電源容量配置以典型日負(fù)荷及資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組的功率計(jì)算模型，結(jié)合典型日光資源數(shù)據(jù)，計(jì)算得出光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量。在電力、電量平衡條件下，通過(guò)對(duì)比不同配置方案下工程全壽命周期費(fèi)用，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可靠的容量配置方案。