孤島微電網容量配置優化研究

倪文斌，康 慨，魏 聰，施 念，葉子瑩

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430074）

1 孤島微電網概述

我國位于亞洲東部，太平洋西岸，是一個海陸兼備的國家，面積達500 m2以上的島嶼6 536個，總面積約72 800 km2，島嶼岸線長14 217.8 km，其中有人居住的島嶼450個。島嶼地理位置、技術條件等因素限制，無法直接利用傳統石油、天然氣等一次能源，且由于遠離陸地電力系統，島嶼也無法從大電網獲取電力。有人島嶼的電力供應問題嚴重影響島上居民的日常生產、生活，成為制約其發展的主要障礙之一。目前，島嶼通常采用柴油發電機組供電，通過定期從陸地運輸柴油保障島嶼的電力生產。但是，采用柴油發電機組供電存在3個問題：柴油發電機組運行噪聲大，且排放的尾氣對島嶼生態系統有一定的負面影響，后期運行維護困難；遇到臺風、暴雨等極端天氣，柴油運輸無法得到保證，直接影響島嶼供電的連續性；柴油發電方式成本高，度電成本約為傳統發電方式的4～5倍。

一般島嶼人口密度小，存在大量未開發利用的荒地，且日照時間長，光照資源豐富，不存在高大建筑遮擋等問題；島嶼日常生產、生活負荷單一，不存在大容量沖擊性負荷。因此，構建以光伏發電系統為供電核心的孤島微電網，是解決島嶼供電問題的有效途徑之一。孤島微電網一般由光伏電池組件、用電負荷、儲能單元、柴油發電機組及控制系統5部分組成[1]，如圖1所示。光伏組件是系統的主要發電單元，通過光伏逆變器將直流電轉換為交流電；儲能裝置主要用來儲存系統剩余電量，調節功率平衡；柴油發電機作為系統備用電源，補償系統功率和電量缺額；控制裝置主要完成儲能系統的內部信息采集、監測及控制，實現多個PCS及儲能電池組的系統級管理，協調PCS間、PCS與電池組間的工作，完成儲能電池充放電PQ控制、柴油發電機啟停等功能[2]。

2 系統方案設計方法

孤島微電網設計包括負荷分析與典型日負荷曲線提取、光伏系統容量配置與優化、儲能系統充放電量分析與計算。

2.1 負荷分析

圖1 光儲柴離網型微電網供電原理圖

孤島微電網系統的負荷形式單一，負荷曲線與島上居民用電習慣和電器類型有關。居民日常用電行為決定用電設備的運行狀態，日負荷曲線形態取決于用電設備的負荷特性及其使用狀態[3]。一般孤島居民生活集中，日負荷隨機性較大，同時居民生產、生活時間規律，不同日負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象，采用自下而上的分層建模思路建立典型日負荷曲線，即從單個用電設備的特性出發，結合居民的用電習慣建立日負荷曲線模型[4]。基于實時測量數據，建立居民不同用電設備的電氣數學模型，以反映居民負荷的負荷特性；考慮居民用電設備的有效使用數量，電器使用時段建立居民負荷用電行為特征模型。根據居民用電設備的電氣數學模型和用電行為特征模型，獲得單個電器的日負荷特性曲線，在典型日中將不同電器日負荷曲線按時段疊加得到典型日完整的負荷特性曲線[5]。

2.2 光伏系統功率及發電量計算

光伏系統作為微電網的主要電源點，在容量配置過程中需要計算夏季、冬季典型日出力和發電量。太陽能光伏系統的輸出功率及發電量受光照強度的影響。光照強度可采用半正弦模型進行分析，半正弦模型計算公式如下：

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

光伏發電裝置的功率輸出與光照輻射之間存在函數關系，在得到每小時的光照輻射后，可以根據光伏面板的性能參數計算得出光伏發電系統的輸出功率。它們之間的線性關系如下：

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

光伏電池發電量的計算為：

式中：W為典型日光伏電池發電量；PPV為t時刻的光伏電池輸出功率。

2.3 柴油發電系統容量設計

柴油發電機組在微電網中作為備用電源，在微電網中光伏發電不足時彌補功率缺額。對于孤島型微電網，柴油發電機的容量應能滿足微電網全部負荷需求。柴油發電機的最優輸出功率水平約為額定容量的75%，此時柴油發電機剩余容量可承擔旋轉備用，發電成本相對較低；柴油發電機一般最低運行功率約為額定容量的30%，運行功率過低會使柴油發電機單位發電量的油耗明顯增加，同時長期低功率運行也會影響其使用壽命。柴油發電機容量計算為：

式中，PG為柴油發電機所帶全部負荷計算的發電機容量，kVA；Per為照明負荷，kW；ηer為照明負荷效率；tanφer為照明負荷功率因數正切值；Pmm為電動機負荷的額定容量，kW；ηmm為電動機的額定效率；tanφmm為電動機額定功率因數正切值；Kd為需要系數；ηE為柴油發電機最佳運行功率水平，取0.75。

2.4 儲能系統容量優化設計

光伏系統的輸出功率受到光照、溫度等因素的影響，具有很強的隨機性和波動性。而儲能裝置通過充、放電運行狀態的快速轉換，能夠有效平抑光伏系統輸出功率的波動性，提高整個光伏系統對外的供電質量與穩定性。在微電網中負荷需求一定，在保證系統電力、電量平衡的條件下，可根據整個系統建設及運行維護費用最低為目標，確定微電網系統的光伏及儲能系統容量規模。

式中，CBO為微電網系統建設維護費用；CPV、CBT為光伏系統、儲能電池系統單位容量造價；QPV、QBT為光伏系統、儲能電池系統容量；CG為柴油發電機造價；λPV、λBT、λG為光伏系統、儲能電池系統、柴油發電機運維費率；QG為工程全壽命周期內柴油發電機發電量；fG為柴油發電機單位發電量油耗；MG為柴油價格。

3 案例分析

以某邊防哨所營區為例進行微電網容量配置，主要供能單元包括光伏電池、儲能電池和柴油發電機組。系統負荷如表1所示。

表1 負荷統計

表2 不同配置方案下工程全壽命周期費用比較

經計算，微電網系統日均電量需求約4 982 kW·h。考慮系統的電力、電量平衡及經濟性，計算不同微電網容量配置方案在工程全壽命周期內的總費用，結果如表2所示。

通過比較不同配置方案下工程周期費用可知，當光伏容量為1 300 kWp時系統運行費用最少。

4 結 論

（1）島嶼生態環境單一，傳統能源資源開發受限，且遠離陸地電力系統，供電問題嚴重影響島上居民的日常生產、生活。構建以光伏系統為核心的孤島微電網，可實現經濟安全供電，既能有效利用島嶼豐富的太陽能和土地資源，又能避免對島嶼生態系統造成影響，是解決島嶼供電問題的有效途徑之一。

（2）對于特定負荷制定滿足孤島運行狀態下的微電網系統容量配置，微電網中各分布式電源容量配置以典型日負荷及資源數據為基礎，通過建立光伏、儲能系統、柴油發電機組的功率計算模型，結合典型日光資源數據，計算得出光伏系統日均發電量。在電力、電量平衡條件下，通過對比不同配置方案下工程全壽命周期費用，優選出經濟可靠的容量配置方案。