孤岛微电网容量配置优化研究

倪文斌，康 慨，魏 聪，施 念，叶子莹

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430074）

1 孤岛微电网概述

我国位于亚洲东部，太平洋西岸，是一个海陆兼备的国家，面积达500 m2以上的岛屿6 536个，总面积约72 800 km2，岛屿岸线长14 217.8 km，其中有人居住的岛屿450个。岛屿地理位置、技术条件等因素限制，无法直接利用传统石油、天然气等一次能源，且由于远离陆地电力系统，岛屿也无法从大电网获取电力。有人岛屿的电力供应问题严重影响岛上居民的日常生产、生活，成为制约其发展的主要障碍之一。目前，岛屿通常采用柴油发电机组供电，通过定期从陆地运输柴油保障岛屿的电力生产。但是，采用柴油发电机组供电存在3个问题：柴油发电机组运行噪声大，且排放的尾气对岛屿生态系统有一定的负面影响，后期运行维护困难；遇到台风、暴雨等极端天气，柴油运输无法得到保证，直接影响岛屿供电的连续性；柴油发电方式成本高，度电成本约为传统发电方式的4～5倍。

一般岛屿人口密度小，存在大量未开发利用的荒地，且日照时间长，光照资源丰富，不存在高大建筑遮挡等问题；岛屿日常生产、生活负荷单一，不存在大容量冲击性负荷。因此，构建以光伏发电系统为供电核心的孤岛微电网，是解决岛屿供电问题的有效途径之一。孤岛微电网一般由光伏电池组件、用电负荷、储能单元、柴油发电机组及控制系统5部分组成[1]，如图1所示。光伏组件是系统的主要发电单元，通过光伏逆变器将直流电转换为交流电；储能装置主要用来储存系统剩余电量，调节功率平衡；柴油发电机作为系统备用电源，补偿系统功率和电量缺额；控制装置主要完成储能系统的内部信息采集、监测及控制，实现多个PCS及储能电池组的系统级管理，协调PCS间、PCS与电池组间的工作，完成储能电池充放电PQ控制、柴油发电机启停等功能[2]。

2 系统方案设计方法

孤岛微电网设计包括负荷分析与典型日负荷曲线提取、光伏系统容量配置与优化、储能系统充放电量分析与计算。

2.1 负荷分析

图1 光储柴离网型微电网供电原理图

孤岛微电网系统的负荷形式单一，负荷曲线与岛上居民用电习惯和电器类型有关。居民日常用电行为决定用电设备的运行状态，日负荷曲线形态取决于用电设备的负荷特性及其使用状态[3]。一般孤岛居民生活集中，日负荷随机性较大，同时居民生产、生活时间规律，不同日负荷曲线又具有相似一致性。

将孤岛居民用电行为作为分析对象，采用自下而上的分层建模思路建立典型日负荷曲线，即从单个用电设备的特性出发，结合居民的用电习惯建立日负荷曲线模型[4]。基于实时测量数据，建立居民不同用电设备的电气数学模型，以反映居民负荷的负荷特性；考虑居民用电设备的有效使用数量，电器使用时段建立居民负荷用电行为特征模型。根据居民用电设备的电气数学模型和用电行为特征模型，获得单个电器的日负荷特性曲线，在典型日中将不同电器日负荷曲线按时段叠加得到典型日完整的负荷特性曲线[5]。

2.2 光伏系统功率及发电量计算

光伏系统作为微电网的主要电源点，在容量配置过程中需要计算夏季、冬季典型日出力和发电量。太阳能光伏系统的输出功率及发电量受光照强度的影响。光照强度可采用半正弦模型进行分析，半正弦模型计算公式如下：

式中，Qτ(t)为t时刻光照总辐射；AQ为日总光照辐射小时最大值，Q为日光照总辐射；a和b分别为日出和日落时刻。

光伏发电装置的功率输出与光照辐射之间存在函数关系，在得到每小时的光照辐射后，可以根据光伏面板的性能参数计算得出光伏发电系统的输出功率。它们之间的线性关系如下：

式中：ρct为t时刻的光伏电池的能量转换效率；SCA为光伏电池的面积；Iβ是每小时在单位面积的倾角为β的光伏面板上所接受到的太阳辐射；PPV为t时刻的光伏电池输出功率。

光伏电池发电量的计算为：

式中：W为典型日光伏电池发电量；PPV为t时刻的光伏电池输出功率。

2.3 柴油发电系统容量设计

柴油发电机组在微电网中作为备用电源，在微电网中光伏发电不足时弥补功率缺额。对于孤岛型微电网，柴油发电机的容量应能满足微电网全部负荷需求。柴油发电机的最优输出功率水平约为额定容量的75%，此时柴油发电机剩余容量可承担旋转备用，发电成本相对较低；柴油发电机一般最低运行功率约为额定容量的30%，运行功率过低会使柴油发电机单位发电量的油耗明显增加，同时长期低功率运行也会影响其使用寿命。柴油发电机容量计算为：

式中，PG为柴油发电机所带全部负荷计算的发电机容量，kVA；Per为照明负荷，kW；ηer为照明负荷效率；tanφer为照明负荷功率因数正切值；Pmm为电动机负荷的额定容量，kW；ηmm为电动机的额定效率；tanφmm为电动机额定功率因数正切值；Kd为需要系数；ηE为柴油发电机最佳运行功率水平，取0.75。

2.4 储能系统容量优化设计

光伏系统的输出功率受到光照、温度等因素的影响，具有很强的随机性和波动性。而储能装置通过充、放电运行状态的快速转换，能够有效平抑光伏系统输出功率的波动性，提高整个光伏系统对外的供电质量与稳定性。在微电网中负荷需求一定，在保证系统电力、电量平衡的条件下，可根据整个系统建设及运行维护费用最低为目标，确定微电网系统的光伏及储能系统容量规模。

式中，CBO为微电网系统建设维护费用；CPV、CBT为光伏系统、储能电池系统单位容量造价；QPV、QBT为光伏系统、储能电池系统容量；CG为柴油发电机造价；λPV、λBT、λG为光伏系统、储能电池系统、柴油发电机运维费率；QG为工程全寿命周期内柴油发电机发电量；fG为柴油发电机单位发电量油耗；MG为柴油价格。

3 案例分析

以某边防哨所营区为例进行微电网容量配置，主要供能单元包括光伏电池、储能电池和柴油发电机组。系统负荷如表1所示。

表1 负荷统计

表2 不同配置方案下工程全寿命周期费用比较

经计算，微电网系统日均电量需求约4 982 kW·h。考虑系统的电力、电量平衡及经济性，计算不同微电网容量配置方案在工程全寿命周期内的总费用，结果如表2所示。

通过比较不同配置方案下工程周期费用可知，当光伏容量为1 300 kWp时系统运行费用最少。

4 结 论

（1）岛屿生态环境单一，传统能源资源开发受限，且远离陆地电力系统，供电问题严重影响岛上居民的日常生产、生活。构建以光伏系统为核心的孤岛微电网，可实现经济安全供电，既能有效利用岛屿丰富的太阳能和土地资源，又能避免对岛屿生态系统造成影响，是解决岛屿供电问题的有效途径之一。

（2）对于特定负荷制定满足孤岛运行状态下的微电网系统容量配置，微电网中各分布式电源容量配置以典型日负荷及资源数据为基础，通过建立光伏、储能系统、柴油发电机组的功率计算模型，结合典型日光资源数据，计算得出光伏系统日均发电量。在电力、电量平衡条件下，通过对比不同配置方案下工程全寿命周期费用，优选出经济可靠的容量配置方案。