南極泰山站多能互補微電網系統研究及實證

呂冬翔 李釧 王哲超 姚旭 魏福海 李釗 韓安軍 卞建濤

研究論文

南極泰山站多能互補微電網系統研究及實證

呂冬翔1李釧1王哲超2姚旭2魏福海2李釗1韓安軍3卞建濤3

(1中國電子科技集團公司第十八研究所, 天津 300384;2中國極地研究中心, 上海 200136;3中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 上海 200050)

針對南極泰山站極寒、大風、高原缺氧等極端氣候條件, 設計高可靠性、高耐候性微電網系統整體架構, 根據現場使用環境, 研究并仿真計算了微電網系統的必要運行參數和安裝實施方式。泰山站多能互補微電網系統研制突破了極端氣候條件下太陽能和風能發電能力設計、光伏板防堆雪設計、多能互補微電網系統控制設計等關鍵技術, 研究設計了在無人值守條件下能夠自主運行的智能控制平臺, 通過并網運行與離網運行兩種控制模式, 構建了高效穩定的風、光、燃、儲多能互補型智能微電網系統。系統安裝在南極泰山站現場進行了驗證性試運行, 結果表明微電網系統的各項功能指標均能達到設計要求。南極泰山站多能互補微電網系統的驗證性建設和成功試運行為我國在極地地區開展可再生能源利用起到良好的探索和示范作用。

南極 泰山站 多能互補 風能 太陽能 微電網系統

0 引言

南極洲因其特殊的地理位置和豐富的冰雪資源, 具有極高的研究意義與研究價值。近年來, 各國在南極不斷建設科學考察站, 目前南極洲已有的科學考察站和野外營地總數已超過150個[1]。南極擁有極其豐富的可再生資源, 其中風能與太陽能尤為突出。據美國麥克默多站觀測統計, 南極麥克默多站年平均風速超5 m·s?1, 最高風速可以達到41 m·s?1[2]; 由法國、意大利等歐盟國家建設的康科迪亞考察站統計顯示, 南極內陸的最大光照強度超過800 W·m?2[3]。

由于人類在南極的考察活動已經對當地自然環境開始造成明顯影響, 2017年6月, 在北京舉行的第40屆南極條約協商會議(ATCM)上倡導“綠色考察”, 以更好地推動南極的科研和環保工作, 因此, 各國在建設考察站時大力推廣使用多能互補技術, 提高清潔能源的利用率。比利時伊麗莎白公主站是位于南極洲上的第一座“零污染”考察站, 伊麗莎白公主站北面配備有9座風車和超過600塊太陽能光伏板, 可以完全實現多能互補運行。澳大利亞的馬科里島站使用了太陽能和風能發電作為補充能源; 澳大利亞莫森站采用3臺300 kW的風力發電機作為主要能源[1,4], 傳統燃油能源僅作為補充和應急供電。

自2010年以來, 美國麥克默多站和新西蘭斯科特基地在羅斯島風場上建設3臺330 kW風力機組用于基地供電, 預期每年減少柴油消耗約463 000 L, 減少二氧化碳排放量1 242 t, 最終目標是依靠風能提供兩座考察站的全部能量, 柴油發電機僅作為備用。到2012年4月, 麥克默多和斯科特站聯合風力發電系統發電量達到了計劃發電量的111%, 提供了斯科特站和麥克默多站(南極洲最大的考察站)11%的能量需求。南極考察站可再生能源使用情況如表1所示。

從表1可以看出, 世界上的一些發達國家, 包括在南極地區具有一定話語權的國家都已經在當地采用可再生能源配合傳統化石能源供電的方式進行供電。

這些已經利用可再生能源進行發電的國家普遍在南極經營多年, 大多都是經濟發達國家, 具有深厚的技術基礎和經濟基礎, 能夠將大型工程機械設備運抵南極, 在低溫、大風等條件下的可再生能源發電領域具有深厚的技術積累。建設的超大型風機和光伏發電系統能夠滿足當地使用環境的要求。

我國對南極地區的可再生能源也早有布局[5-8], 在20世紀90年代就開始在南極利用可再生能源進行發電, 并且已經在南極中山站和昆侖站建設了一部分光伏和風機的科研示范發電項目。但是, 受到當時經濟條件和技術水平制約, 中山站和昆侖站的可再生能源發電系統簡單, 僅能夠獨立支持部分小功率科研設備供電, 尚未達到利用可再生能源供電替代部分燃油供電的目標。

泰山站建在南極內陸伊麗莎白公主地, 位于昆侖站與中山站之間, 如圖1所示。泰山站海拔2 600多米, 氣壓較低[9], 但是空氣含氧量相比昆侖站更適合開展營建活動。泰山站的定位是南極內陸夏季科學考察站, 冬季為無人值守科研自動觀測站。南極泰山站的設計指導思想為: “科技、低碳、環保、安全、人性化”。按照泰山站的設計理念, 泰山站在設計的過程中總結國外優秀考察站的先進經驗, 吸納國外優秀考察站的先進技術[10-11], 達到我國目前南極建站的領先水平, 能夠與國外類似科考站相媲美。根據泰山站的建設定位, 泰山站建成后, 考慮增強考察站的自動化及高科技的研究與應用, 加大清潔能源的應用比重, 使之成為南極考察站中高科技與環境保護的示范站。在南極泰山站進行供電、供氣、供水和供暖建設的二期建設中, 中國極地研究中心開始規劃可再生能源供電的使用。

根據南極的環境以及能源系統設計原則, 泰山站能源系統以風能、太陽能為主要能源, 滿足泰山站的基本供電需求, 輔以燃油作為保障, 形成先進的風、光、燃、儲互補型微電網系統, 完成能源系統相變蓄熱、電能智能管理等功能, 把先進、可靠的建筑技術運用到考察站中。

根據南極泰山站多能互補微電網系統的建設安排, 計劃在2018—2019年中國第35次南極考察期間完成多能互補微電網系統的基本功能建設, 初步具備利用風能、太陽能供電能力。然后, 在2019—2020年, 中國第36次南極考察期間完成多能互補微電網系統的風能、太陽能擴容增量, 全部完成南極泰山站多能互補微電網系統的建設工作。2020年南極泰山站多能互補微電網系統全部建設完成后, 風能、太陽能發電將能夠滿足考察站大部分用電需求。

本文基于泰山站的能源狀況與供電需求, 設計了風-光-燃-儲多能互補微電網系統, 將光伏、風力和燃油發電綜合利用, 并設計了可靠、穩定的控制系統, 采用統一的智能管理系統自動管理調配, 完成泰山站的智能供電, 并通過仿真和實際結果驗證了設計的正確性。

圖1 南極泰山站位置布局圖

Fig.1. Location of Taishan Station in Antarctica

1 系統總體研究設計

1.1 設計背景

泰山站自建成以來, 積累了多年的氣象數據, 包括泰山站全年的溫度、濕度、風向、風速、氣壓等氣象資料數據。圖2—圖5分別給出了2013—2017年泰山站連續五年主站位置的溫度、濕度、風速和風向的變化。

從多年積累的數據可以看出, 泰山站常年低溫干燥, 降雪較少, 但是風速很大, 風吹雪是造成建筑和結構大量堆雪的主要因素。多年的數據積累對多能互補微電網系統設計提供了有利的數據支撐, 對風機和光伏的結構設計、耐低溫設計、抗風設計和防堆雪設計都是有力的支撐。

圖2 泰山站連續5年的溫度變化

Fig.2. Temperature variation at Taishan Station for 5 years

根據南極泰山站的設計思路, 泰山站擬建設成為夏季有人值守、冬季無人值守的內陸站點, 根據泰山站的設備和人員用電需求, 泰山站總的用電和供暖需求為:

南極泰山站多能互補微電網系統需要滿足南極泰山站在每年12月到次年2月夏季有人值守期間, 每日24小時50 kW的需要, 在每年3—12月冬季無人值守期間, 每日24小時10 kW的能量供給要求。

圖3 泰山站連續5年的濕度變化

Fig.3. Humidity variation at Taishan Station for 5 years

圖4 泰山站連續5年的風向變化

Fig.4. Wind direction variation at Taishan Station for 5 years

圖5 泰山站連續5年的風速變化

Fig.5. Wind speed variation at Taishan Station for 5 years

根據泰山站的設計思路, 泰山站多能互補能源系統總共配置可再生能源系統規模60 kW, 其中, 光伏發電系統配置40 kW, 風力發電系統配置20 kW, 儲能電池配置110 kWh, 并配置兩臺80 kW的柴油發電機(一備一用)作為主能源系統。

在夏季有人值守期間, 總共需要50 kW的連續供電, 根據可再生能源系統的規模, 綜合考慮可再生能源的波動供電特點和儲能電池的能量存儲規模, 可以估算出可再生能源能夠提供30—40 kW的能源, 能夠滿足泰山站大部分供電需要, 柴油發電機作為輔助供電和應急使用即可。冬季無人值守期間, 在風力充足的情況下, 可再生能源系統理論上能夠滿足10 kW的用電需求。

1.2 設計原則

南極泰山站微電網系統可在并網和離網兩種模式下工作。在并網工作時, 可再生能源與柴油發電機同時運行, 可再生能源為負載供電, 柴油系統作為補充。同時, 可再生能源與柴油發電也可以通過微電網系統為儲能電池充電。在并網工作模式下, 可再生能源和柴油發電系統互為支撐, 實現能量的雙向交換。

在多能互補微電網系統出現故障時, 系統能夠通過開關斷開與柴油發電機的物理連接, 從而使整個用電網絡完全由柴油發電機供電。當柴油發電機出現故障或可再生能源充足的情況下, 通過開關可將柴油發電機旁路掉, 微電網系統可轉為可再生能源獨立供電的離網工作模式, 繼續為用電網絡供電。該種用電模式能夠有效提高用電網絡的供電可靠性, 通過采取先進的控制策略和控制手段, 可保證微電網高電能質量供電, 也可以實現兩種運行模式的無縫切換。

本項目將依據以上原則和可再生能源的配置數量對泰山站多能互補微電網系統中的可再生能源發電量和微電網系統配置進行計算分析和設計。

1.3 總體設計

根據南極環境保護的要求和泰山站的能源使用情況, 泰山站的能源供給遵循盡可能多地采用光伏、風力等可再生能源發電的原則, 根據能源供給策略, 設計南極泰山站風-光-燃-儲微電網系統的綜合拓撲結構, 如圖6所示。

圖6 南極泰山站能源系統拓撲圖

Fig.6. Topological map of energy system for Taishan Station

微電網系統運行以可再生能源發電為主, 柴油發電為補充。微電網系統供電輸出為380V/ 50Hz交流電, 直流母線完成微電網系統的供配電連接, 微電網的供電母線采用400 V高壓直流母線, 風力、光伏、燃油等發電裝置所發電力都并入微電網系統中。同時, 不同形式的發電裝置都具有單獨脫開母線電網的開關, 能夠根據智能監測結果自主控制并網和離網工作狀態。

2 分系統研究設計

2.1 光伏發電分系統設計

2.1.1 光伏最優傾角計算

由于泰山站地處伊麗莎白公主地, 夏季多為極晝, 光照十分充足, 有著豐富的太陽能資源, 而冬季多為極夜, 光照匱乏, 太陽能資源不足。根據這一特性, 光伏分系統應充分利用南極夏季的太陽能資源, 設計最優傾角, 使夏季的太陽能發電量達到最高。

對光伏發電角度的優化計算如下。

從光伏電站的日發電量預測公式為:

其中,d(kWh): 每日發電量預測;pv: 光伏電站所用組件的總標稱功率;stc: 光伏組件標定時的標準測試輻照度;: 當日輻照量, 通過每日太陽光的照射角度和輻照能量計算得到;b: 雙面光伏組件背面發電增益系數;s: 系統損耗系數, 包括線路損耗、逆變器功率損失等;T: 溫度系數, 光伏組件發電功率受溫度影響;a: 安裝角度增益系數, 由于預測選用輻照量為水平方向, 而實際安裝有一定傾角;r: 衰減系數, 光伏組件隨時間衰減而造成的發電量損失。

冬至日為伊麗莎白地夏季光照最強的一天, 為了最大化模擬計算光伏發電量, 首先計算太陽電池的最優朝向。

太陽電池所在平面的太陽直接輻射強度計算公式為:

式中,cbr為太陽能電池表面簡化為一個平面后其表面形狀產生的效率,wthr為天氣狀況產生的效率,為大氣外層太陽輻射強度, 它隨日地實際距離變化而變化由式(3)確定,為太陽光與太陽電池所形成的夾角:

其中,0為太陽常數, 取值為1 367,0為地球軌道偏心率取1/60,n為日序數。

τ通過以下各式計算:

其中,0、h、0、h分別為海平面、h高度的氣壓和大氣質量。

通過對南極太陽方向角的計算, 確定太陽電池板北偏東45°發電量最高, 因此, 對冬至日北偏東45°的同一太陽電池在不同安裝角度下發電情況進行了仿真計算。太陽電池發電量結果如表2所示。

表2 不同安裝角度下單片電池12月22日發電量仿真

從表2中可以看出, 當光伏電池板平行于水平面時, 發電效率最高, 此時, 太陽能得到了最大程度利用。

2.1.2 光伏板防堆雪設計

南極伊麗莎白公主地年積雪量為35 mm, 并且地吹雪現象嚴重, 往往一場地吹雪能堆積幾米高的積雪。為了防止光伏組件被積雪覆蓋, 影響光電轉換效率, 太陽能電池需要有防堆雪設計方案。由于南極區域被大面積積雪覆蓋, 散射條件比較好, 所以選用高效雙面對稱結構異質結晶體硅(HIT)太陽電池片。雙面雙玻組件在抗隱裂、抗PID、長期老化性等方面優勢明顯, 發電能力比普通單晶太陽電池高出約20%, 使用壽命更長; 同時背面發電使得太陽電池組件背面發熱融雪, 防堆積。

結合表2所示數據, 考慮光伏板和光伏支架防堆雪的功能, 光伏安裝選取北偏東方向45°, 既能滿足發電量最高, 又能滿足光伏室外部分側向迎風, 太陽電池板采用傾斜10°為最終安裝角度, 這也符合降雪后雪水融化并通過雪水的自身重力從組件上自然滑落的條件, 防止組件堆雪。

2.1.3 光伏發電能力計算

冬至日當天, 太陽電池鋪設為正北方向10°時, 單片太陽電池的發電功率如圖7所示。

圖7 單片太陽電池在冬至日單日發電功率

Fig.7. Power generation of a single solar cell on winter solstice

光伏電站的年發電量預測公式為:

根據上述計算方法, 仿真計算得泰山站如果建設40 kWp的光伏發電分系統, 其全年發電量預測結果如圖8所示:

Fig.8. Annual power generation of photovoltaic energy system at Taishan Station

綜上計算, 泰山站預計光伏年發電量為80 726 kWh, 相當于節省燃油20.18 t(柴油平均發電油耗為4 kWh·kg?1)。

2.2 風發電分系統設計

2.2.1 泰山站風能分析

根據中國極地研究中心對南極泰山站的氣象數據多年的測試和記錄, 以2017年為例, 2017年全年南極泰山站在4 m高度測得的風速情況如圖9所示。

從圖9中可以看出南極泰山站在夏季12月到次年2月期間, 風速較小, 在2—12月期間風速較大, 特別在每年3—10月的極夜期間, 平均風速最大。2017年泰山站全年最大風速22.5 m·s?1, 平均風速11.2 m·s?1。

圖9 南極泰山站2017年全年4 m處風速情況

Fig.9. Wind speed at Taishan Station, 4 m from the ground in 2017

根據南極泰山站連續5年的風速和風向統計信息得出, 南極泰山站全年最大風速一般不超過30 m·s?1, 平均風速在10—12 m·s?1之間, 屬于超一類風區。南極泰山站的風向全年以東風或偏東風為主, 在不同月份偶爾會出現東北風或東南風。

2.2.2 風機發電能力計算

為了能夠充分利用南極豐富的風力資源, 配置風力發電機用于配合冬季太陽能不足時由風能補充發電, 并作為冬季極夜條件下, 站點維持基本運行功能的能源保障。風機選用能夠在60 m·s?1的風速下保障自身安全和穩定性的超一類風機, 避免小型風機和純機械風機在大風情況下損壞的問題。

根據泰山站全年的風力、風向分析, 采用5 kW風機, 工作性能曲線如圖10所示。

圖10 單臺5 kW風機組工作性能曲線

Fig.10. Working performance of a single 5 kW fan

從圖10中可以看出, 5 kW的風機在11 m·s?1以上的風速中工作能夠達到滿功率工作, 當風速在3—11 m·s?1之間時, 風機的發電功率呈線性上升趨勢。

風機的年發電量計算公式為:

其中,d為當月天數,為小時數,P為當月風機等效功率。理論上計算20 kW風力發電系統全年的發電能量, 計算如表3所示。

從表3中可以看到, 20 kW風力發電系統理論發電總量為33 272.00 kWh, 等效燃油可節省8.3 t (柴油平均發電油耗為4 kWh·kg?1)。

2.3 控制分系統設計

2.3.1 離網運行模式

風機和光伏通過控制器向蓄電池進行充電, 儲能逆變器檢測到直流母線電壓后, 設備啟動運行, 儲能逆變器運行于離網運行模式并向負載提供交流電能, 控制系統管理風光能源向蓄電池充電, 同時將系統狀態上傳至監控平臺。離網運行模式共有以下三種狀態。

表3 風力發電系統全年的發電能量

1. 狀態1: 風光資源充足時

當風光資源充足時, 風光資源同時向負載供電, 蓄電池處于充電模式。當電池充滿后, 如果光伏和風能還有多余電量, 則統一給風光發電設備指令, 設備降額運行, 以防止電池過充。當發電功率不能滿足負載所需功率時, 系統運行狀態切換至離網運行狀態2。當監測到儲能逆變器的交流側持續輸出功率超過額定功率的90%時, 系統切換至離網運行狀態3。

2. 狀態2: 風光資源不足時

光伏和風能發電不能滿足負載使用, 則風能、光伏、蓄電池同時通過儲能逆變器逆變后對負載供電。當風、光、儲合用都不能滿足負載需求, 儲能電池電壓小于預設閾值時, 系統切換至并網運行模式, 柴油機啟動運行, 儲能逆變器運行于并網模式, 柴油機通過儲能逆變器向蓄電池進行充電(柴油機功率需大于負載總功率), 此時電池以浮充狀態運行。當風光發電滿足負載使用, 則系統切換至離網運行狀態1。

3. 狀態3: 風光燃儲離網運行且負載增大時

若持續時間未超過閾值, 系統切換至離網運行狀態1, 若持續時間超過閾值, 系統切換至并網運行模式, 控制系統發出開機指令給柴油機, 柴油機開機運行, 儲能逆變器切換至并網模式運行。

2.3.2 并網運行模式

柴油機組作為380/50Hz交流電網供電能源, 儲能逆變器做并網運行, 控制系統時判斷直流母線電壓、交流母線電壓、頻率, 當系統檢測到柴油機輸出電流、儲能逆變器輸出總電流小于儲能逆變器的額定輸出電流且持續時間超過設定值, 同時電池電壓高于預設閾值時, 控制系統發出柴油機切出、關機指令, 柴油機切出, 儲能逆變器恢復離網運行狀態1。

整套控制系統拓撲圖如圖11所示。

圖11 控制系統拓撲圖

Fig.11. Topology diagram of control system

3 系統發電能力仿真計算

由于泰山站為夏季有人值守科考站, 所以可將泰山站的用電情況分為兩種情況: 夏季有人值守情況和冬季無人值守兩種情況。

3.1 夏季有人值守情況

在夏季有人值守期間, 微電網系統將充分利用極晝資源, 盡可能利用太陽能發電, 電能綜合利用, 水、暖、電齊頭并進, 太陽能充足時發的多余電能用于供暖和存儲, 當太陽能和風能不足期間, 利用柴油機補充發電, 柴油機與風能、太陽能聯合供電, 保證站點的能源需求。

南極泰山站夏季的發電、用電模擬計算如圖12所示。

從圖12中可以看出, 每年夏季有人值守期間, 可再生能源理論發電量能夠滿足全天24小時15 kW的用電需求。

夏季有人值守期間, 采用太陽能、風能和儲能協調運行, 60天能夠提供21 600 kWh的電量, 能夠基本滿足站區用電需求。

3.2 冬季無人值守情況

每年的3月初到當年10月中旬, 是泰山站的冬季, 冬季光伏發電量下降, 因此, 在太陽能不足的時間段, 盡可能采用風力發電作為泰山站的能量供給來源。當光伏和風力發電都不滿足能源需求, 或者光伏和風能發電出現問題時, 微電網系統能夠通過控制系統自動切換實現燃油供電, 保證泰山站的能源供給不受時段和微電網系統故障的影響。

圖12 南極泰山站夏季發電量與功耗計算

Fig.12. Power generation and consumption calculation of Taishan Station in summer

南極泰山站冬季的發電、用電模擬計算如圖13所示。

根據南極泰山站的太陽能風能仿真計算可以得出, 在無特殊負載要求的條件下, 理論上微電網系統配置的可再生能源數量能夠滿足泰山站冬季無人值守時的能源需求。

圖13 南極泰山站冬季發電量與功耗計算

Fig.13. Power generation and consumption calculation of Taishan Station in winter

4 系統驗證性建設和試運行

2018—2019年中國第35次南極科學考察期間, 泰山站多能互補微電網系統在南極泰山站進行了驗證性建設和試運行。試運行主要對多能互補微電網系統的工作特性, 包括光伏、風力發電能力特性進行驗證, 對儲能系統性能進行驗證, 最重要的是對全系統聯合運行情況和供電能力進行檢驗。本次泰山站多能互補微電網系統試運行將為下一步系統擴容升級提供可靠的數據支持, 積累豐富現場工程經驗。泰山站驗證性建設的風機和光伏分別如圖14a、b所示。

南極泰山站多能互補微電網通過系統內部局域網將系統的實時運行狀態和發電量數據上傳到系統主控平臺, 主控平臺根據控制策略對系統運行進行優化調度。微電網系統還能夠通過銥星網絡將儲能電池的運行狀態發送到國內, 實現對儲能電池狀態的超遠程監控。

從2019年1月14日南極泰山站多能互補微電網系統建設完成并試運行，到2019年2月4日考察隊離開泰山站期間, 系統試運行結果如圖15所示。

圖14 泰山站發電系統. a)風力發電分系統; b)光伏發電分系統

Fig.14. Power generation system of Taishan Station. a) the wind power generation subsystem; b) the photovoltaic power generation subsystem

圖15 2019年1月15日—2月4日泰山站日發電量統計

Fig.15. Daily power generation of Taishan Station from January 15 to February 4, 2019

從圖15中可以看出, 南極泰山站多能互補微電網系統在試運行期間發電效果良好, 光伏和風力在試運行期間, 20天累積發電約2 000 kWh, 發電能力符合設計和計算結果, 能夠為站區提供穩定、可靠、持續且環保的能源供給。

5 結論

本文根據南極泰山站的歷史環境數據和確定的輸入參數條件, 采用仿真軟件進行計算預測分析, 突破了極端氣候條件下太陽能和風能發電能力設計、光伏板防堆雪設計、多能互補微電網系統控制設計等關鍵技術, 創新性地研究設計了在無人值守條件下能夠自主運行的智能控制平臺, 通過并網運行與離網運行兩種控制模式, 構建了高效穩定的風、光、燃、儲互補型智能微電網系統。

在我國第35次南極科學考察期間, 在泰山站完成了多能互補微電網系統的驗證性運行。試運行結果表明, 系統的發電能力符合設計要求, 試運行發電量與仿真計算結果吻合較好, 系統能夠為站區提供穩定、可靠、持續且環保的能源供給。

南極泰山站多能互補微電網系統的驗證性建設和成功試運行為可再生能源在極地的發展應用, 實現極地能源原位獲取, 就地使用起到了良好的探索和示范作用。南極泰山站多能互補微電網系統的長時運行狀況, 也能夠為將來提升極地地區多能互補微電網系統的技術水平提供充足數據和應用參考, 對極地可再生能源技術發展具有切實的推動作用, 為后續我國在極地推廣使用可再生能源, 環保利用南極資源, 深入貫徹落實習近平總書記認識南極、保護南極、利用南極的思想, 為提升我國的國家形象, 更好地保護南極、利用南極具有重要價值。

1 任飛.南極科考站建筑的生態設計[J]. 城市建筑, 2006(7): 35-39.

2 KUEFFNER J H. Wind hybrid power system for Antarctica inmarsat link[C]//International Telecommunications Energy Conference. [S.l.]: IEEE, 1986: 297-298.

3 BOCCALETTI C, DI FELICE P, SANTINI E. Integration of renewable power systems in an Antarctic Research Station[J]. Renewable Energy, 2014, 62: 582-591.

4 LLANO D X, MCMAHON R A. Modelling, control and sensorless speed estimation of micro-wind turbines for deployment in Antarctica[J]. IET Renewable Power Generation, 2018, 12(3): 342-350.

5 何國慶. 南極長城站可再生能源利用示范研究[C]//中小型風能設備與應用. [S.l.]: [s.n.], 2016: 50-53.

6 席曉琴. 南極中山站風光互補供電系統設計[D]. 太原: 太原理工大學, 2018.

7 劉磊. 極地低溫環境下小型風光互補供電系統的研究[D]. 太原: 太原理工大學, 2016.

8 席曉琴, 竇銀科, 竇若凡, 等. 南極中山站風光互補系統控制策略的研究與仿真[J]. 科學技術與工程, 2017, 17(28): 72-79.

9 薛峰, 張占海, 周明煜, 等. 東南極大陸邊緣地區夏季近地面層風場特征分析[J]. 極地研究, 2009, 21(4): 288-298.

10 CONTI J P. In search of the zero-emission continent[J]. Engineering & Technology, 2009, 4(21): 46-49.

11 SMITH Z, NEGNEVITSKY M, WANG X L, et al. Cold climate energy production[C]//2013 Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC). [S.l.]: IEEE, 2013: 1-6.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A MULTI-ENERGY COMPLEMENTARY MICROGRID SYSTEM AT TAISHAN STATION, ANTARCTICA

Lü Dongxiang1, Li Chuan1, Wang Zhechao2, Yao Xu2, Wei Fuhai2, Li Zhao1, Han Anjun3, Bian Jiantao3

(1The Eighteenth Research Institute of China Electronics Group, Tianjin 300384, China;2Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

A highly reliable and weatherproof microgrid system was designed under extreme climate conditions, including extremely cold, high winds and thin oxygen, at Taishan Station in Antarctica. The essential operating parameters and installation strategy of the multi-energy complementary microgrid system were studied and simulated using the environment of Taishan Station. The development of this system provides a breakthrough for key technologies, such as solar and wind power generation, capacity and design, under extreme climate conditions. Advances in design and operation, including snow protection and control system designs for a multi-energy complementary microgrid and an intelligent control platform that can operate autonomously, were first studied and applied. Through the use of two control modes (grid-connected and off-grid operation modes), an efficient, stable and complementary system, including wind, solar, fuel and storage, was constructed. The system was installed, debugged and tested at Taishan Station; the results showed that the system met the design requirements and calculation results and can be used as a reliable power supply for Antarctic research stations.

Antarctica, Taishan Station, multi-energy complementary, wind energy, solar energy, microgrid system

2019年7月收到來稿, 2019年8月收到修改稿

呂冬翔, 男, 1987年生。工程師, 主要研究方向為極端環境下多能互補微電網系統和臨近空間無人飛行器能源系統。E-mail: dongxianglv@163.com

10. 13679/j.jdyj.20190036