低碳型海岛风光潮储供电系统的设计

杨 佳，高芷蓉，于兴华，王诗怡，王 力，赵 斌,

(1. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2. 长沙理工大学城南学院，长沙 410076；3. 长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙 410114)

0 引言

海岛对发展海洋经济、维护生态平衡、保障国防安全有着重大意义[1]。中国海岛数量多，面积超过500 m2的海岛达6500 余个，其中有常住居民的海岛多为偏远海岛[2]，其供电多依赖于常规能源的远距离输送，不仅成本高，且在遇到风暴、大浪等恶劣海况时难以保障供电需求[3]，实现海洋低碳清洁能源利用是建设海洋强国的重要战略目标。

以新能源为主体的微电网可为海岛提供清洁电力，国内外已有诸多该类海岛微电网建设案例。比如：美国夏威夷卡哈拉岛微电网；中国珠海市东澳岛微电网，该微电网由1.04 MW 光伏发电系统、0.05 MW 风电机组、1.22 MW 柴油机、2 MWh 铅酸蓄电池组成，接入10 kV 电压等级的电网；浙江省东福山岛微电网，该微电网由光伏发电系统、风电机组、储能和柴油机组成，接入0.4 kV 电压等级的电网。从案例可以看出，已有的海岛微电网大多未摆脱对柴油机供电的依赖，距离低碳目标仍有一定差距。

针对海上钻井平台、海洋牧场、海岛等构建孤岛型微电网是目前国内外相关领域的探索热点。在微电网优化调度方面，文献[4]评估了孤立混合可再生能源系统的需求响应潜力，通过降低运营成本和电力负荷峰值来优化系统调度。文献[5]提出了一种新的调峰算法，并利用孤岛微电网模型进行测试，结果表明：该算法能够保证光伏发电系统的最佳利用率，有效提供调峰服务。在微电网设计方面，文献[6]提出了考虑不同储能特性的容量配置方法，提升了新能源的消纳水平及电网的灵活性。文献[7]在考虑需求侧管理的基础上，引入不同运行指标来评价多目标微电网优化调度模型的经济性、环保性及可靠性，结果表明：所提出的优化调度模型可提高微电网的综合效益。

已有相关研究大多为风电、光伏发电接入交流电网，较少考虑综合利用潮汐能等海洋能资源，充分、高效利用海岛资源，实现低碳可持续发展仍有待积极探索[8]。本文针对偏远海岛的用能需求、资源现状和供能现状，构建了一种低碳型海岛风光潮储供电系统。在对海岛的用电负荷情况进行计算的基础上，对该低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构和运行机理进行分析，并根据电力负荷需求进行设备选型，以构建低碳型海岛能源系统；最后以某海岛为例，对其搭建的低碳型海岛风光潮储供电系统中不同发电形式的装机容量和设备选型进行计算分析，并基于EnergyPLAN 模型进行仿真模拟验证。

1 海岛的用电负荷计算

海岛的用电负荷主要包括各种生活用电设备，如日光灯、空调、电视、电脑等。另外，为改善海岛居民的生活条件，海岛上可布置温室大棚，用于为海岛居民提供新鲜蔬菜、水果；建设固体垃圾处理站，用于处理海岛居民的生活垃圾，以减少垃圾直接焚烧产生的污染，同时通过垃圾回收实现资源的最大化利用；装设主动式太阳能蒸馏装置，用于为海岛居民提供清洁淡水。

1)根据海岛居民的生活需要，一些偏远海岛上设置了温室大棚。以某海岛为例，该海岛上布置了若干间温室大棚，其跨度均为8 m、长度为100 m；在棚顶均安装了光伏组件代替部分钢化玻璃[9]。温室大棚内的作物采用轮换、错期、多品种种植方式等，并采用重力滴灌技术和渗水灌溉技术，可在提高蔬菜、水果产量的同时，节约岛上水资源。

2)经调研发现，海岛的生活垃圾堆积是目前需要解决的重大问题之一。通过对生活垃圾成分进行初步分析可知：塑料品的占比为60%；包装类纸质品的占比为20%；金属罐和玻璃瓶的占比为15%；废旧衣物等其他垃圾的占比为5%。生活垃圾的平均燃烧热值大于5000 kJ/kg。

因此，海岛上建设了固体垃圾处理站，其垃圾处理流程为：将金属和玻璃等不可燃物进行无害化填埋处理；其余垃圾经焚烧炉焚烧，对产生的灰渣进行回收或填埋[10]。固体垃圾处理站处理的垃圾可通过垃圾堆肥、生物发酵的方式用于农作物施肥。

3)为了提供海岛生活用水，采用主动式太阳能蒸馏装置。该蒸馏装置配备一系列附属设备，包括平板式太阳能集热器和储热水箱。通过平板式太阳能集热器辅助加热，可提高该蒸馏装置单位面积的产水量和产水效率；加设储热水箱，可在太阳辐射量较小或无太阳辐射量时保证主动式太阳能蒸馏装置工作正常，以增加产水量[11]。

综上，海岛的最大日用电负荷估算值Pe,max的计算式可表示为：

式中：M为设备类别总数量；Pi为第i类设备的额定功率，kW；Ni为第i类设备的数量；Ci为第i类设备的同时系数。

用电设备耗能的同时系数取决于该设备的使用频率。例如，宿舍60 W 的节能灯仅在凌晨、夜间使用，选取同时系数为0.6；各工作室80 W的日光灯在夜间及白天光线不足时使用，选取同时系数为0.8；海岛垃圾每3 天处理1 次，固体垃圾处理站的同时系数取0.3。

2 低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构和运行机理

2.1 系统设计架构

低碳型海岛风光潮储供电系统主要由光伏阵列、风电机组、水轮发电机组、控制器、储能变流器、蓄电池组等设备组成。考虑该风光潮储供电系统转换过程中的功率损耗情况，其综合转换效率取90%。

考虑海岛居民对电力供应稳定性的要求较高且负载的总功率存在动态变化等因素，低碳型海岛风光潮储供电系统的设计采用分布式光伏发电系统、风力发电系统、潮汐发电系统、蓄电池储能系统和用电设备共交流母线的连接方式，并通过能量管理系统实时监测各设备的运行状态，构建智能微网系统，用于为负载提供较高质量的电能。海岛上另装设有1 套柴油发电机组作为备用电源。低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构如图1 所示。

图1 低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构Fig. 1 Design architecture of low-carbon wind-solar-tidalstorage power supply system for islands

低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构中，包含了采用无土栽培的温室大棚、固体废弃物回收利用、主动式太阳能蒸馏等前瞻性创新技术，以满足海岛居民的日常生活所需。

2.2 系统集成设计和运行机理

低碳型海岛风光潮储供电系统由光伏阵列、风电机组、水轮发电机组共同发电，利用蓄电池组储能系统储存电能。根据负载用电的动态变化需求，该供电系统可灵活配置多个分布式光伏发电系统和风力发电系统，新增装机容量可根据需求进行配置。当供电系统遇到大规模故障或发电能力不足时，可采用海岛上另外备用的柴油发电机组提供应急电能供应，以保证用电可靠性。

为满足用电需求，低碳型海岛风光潮储供电系统的主要运行模式包括：

1)分布式光伏发电系统由光伏阵列、光伏汇流箱和光伏逆变器组成，配置蓄电池储能系统后形成一个以变流器为基础的智能微网系统。

2)潮汐发电系统采用单库、单向的运行方式。

3)光照充足时，负载运行所需电量主要由分布式光伏发电系统提供；光照不足时或在夜间，由风力发电系统、潮汐发电系统为负载提供持续稳定的电能；盈余电能通过双向储能变流器为蓄电池储能系统充电。

4)当分布式光伏发电系统、潮汐发电系统、风力发电系统的发电功率短时无法满足负载需求时，则由蓄电池储能系统供电，以满足负载需求。

根据海岛居民的建筑物和用电设施的分布状况，自由灵活地组建多个互联的独立智能微网系统。低碳型海岛风光潮储供电系统可在多种供电模式之间实现自动切换，其拓扑结构如图2 所示。

图2 低碳型海岛风光潮储供电系统的拓扑结构Fig. 2 Topological structure of low-carbon wind-solar- tidalstorage power supply system for islands

3 低碳型海岛风光潮储供电系统的主要设备选型

3.1 潮汐发电系统

潮汐发电受地理条件和潮汐幅度的影响较大，因此先对潮汐发电系统进行容量配置计算。

根据海岛地形，选取能储存大量海水的地方作为潮汐电站的站址。为减少投资，潮汐电站的发电方式采用单库、单向运行方式。潮汐发电系统实际装机容量PT1的计算式[12]可表示为：

式中：S为进水口面积，km2；H为潮差平均值，m。

潮汐发电系统日发电量E的计算式可表示为：

式中：a为与潮汐能发电方式相关的系数，取0.4。

3.2 风力发电系统

根据风资源情况，对风电机组输出功率PW2进行计算，其计算式可表示为：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；Sw为风轮扫掠面积，m2；v为风电机组运行时的平均风速，m/s。

3.3 分布式光伏发电系统

根据低碳型海岛风光潮储供电系统的整体设计和分布式光伏发电系统安装位置的太阳辐照度情况，可以得到分布式光伏发电系统日发电量规划，从而可得到光伏组件的装机容量，根据光伏组件装机容量选取合适的光伏组件类型。

光伏组件的装机容量W的计算式可表示为：

式中：L为分布式光伏发电系统的日发电量，kWh；T为日均峰值日照小时数，h，取5；η为分布式光伏发电系统综合效率[13]，取0.8。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏组件串联数Ns的计算式可表示为：

式中：UN为低碳型海岛风光潮储供电系统的额定直流母线电压，V；Umax为光伏组件的峰值电压，V。

光伏组件并联数Np的计算式可表示为：

式中：N为光伏组件安装数量。

光伏组件安装数量的计算式可表示为：

分布式光伏发电系统的装机容量Ppv的计算式可表示为：

式中：Pmax为光伏组件的峰值功率，kW。

3.4 蓄电池储能系统

计算蓄电池储能系统中蓄电池组的总容量C，其计算式可表示为：

式中：We,max为负载的日总耗电量，kWh；D为蓄电池组的放电深度，按50%设计；X为供电系数，为保证连续3 天极端天气下低碳型海岛风光潮储供电系统供电正常，可取3.5。

根据计算得到的蓄电池组总容量进行蓄电池的选型。蓄电池组中单体蓄电池的串联数量Ns1的计算式可表示为：

式中：U1为单体蓄电池的工作电压，V。

蓄电池组中单体蓄电池的并联数量Np1的计算式可表示为：

式中：Q为单体蓄电池的容量，Ah。

则蓄电池组中单体蓄电池的总数量N1的计算式可表示为：

4 案例分析

4.1 案例背景

以某海岛为例，对在该海岛搭建低碳型海岛风光潮储供电系统时，不同发电形式的装机容量进行计算分析和设备选型，并基于EnergyPLAN模型进行仿真模拟验证。某海岛的供电与生活现状概述为：该海岛采用海底电缆供电方式，但海底电缆的安装维护费用高，且随着空调、通信设备等大功率用电设施增加，电费高昂，因此该种供电方式不利于长期发展。该海岛属于典型季风气候，空气潮湿，而且物资匮乏、淡水稀缺，日常供给均需海运，岛上居民的生活条件艰苦，迫切需要改善生活条件。

该海岛的位置偏远，远离城市大电网，且常规能源匮乏，但风能、太阳能、潮汐能等可再生能源丰富；而高温、高湿、强太阳辐射等特性造成该海岛的用电负荷构成与内陆地区存在差异。该海岛1 年的气象数据如图3 所示。

图3 该海岛1 年的气象数据图Fig. 3 Graph of meteorological data of the island for one year

从图3 的气象数据可以分析得出：

1)该海岛的风能、太阳能、潮汐能资源充足，利用价值高。其中，日平均风速可达6.0～11.5 m/s，风能资源可观；年总太阳辐射量为1500～1600 kWh/m2，属于太阳能资源较丰富地区。

2)该海岛的太阳能资源呈现夏季充足、冬季略弱的特点；风资源呈现白昼小、夜间大，夏季小、冬季大的特点；每日有涨潮、落潮，高、低潮之间的潮差大。

此外，根据该海岛位置及中国科学院海洋研究所数据可得，该海岛的平均潮差为3.99 m，潮汐能资源可予以利用。对气象数据进行综合分析后可知，采用低碳型海岛风光潮储供电系统为岛上居民提供日常用电，具有较高的互补性和可靠性。

4.2 某海岛的用电负荷计算

该海岛上的建筑包括30 余间宿舍，每间宿舍均安装2 盏60 W 的节能灯、1 台1 匹的空调；其余为生活设施，包括温室大棚、大澡堂、会议室、教研室若干间，这些设施内各安装4 盏80 W 的日光灯；另外，会议室和教研室各安装1 台3 匹的空调。该海岛的具体用电负荷情况如表1 所示。

表1 该海岛的具体用电负荷情况Table 1 Specific electricity load situation of the island

结合表1 可计算得到，该海岛的日平均用电负荷估算值为104.842 kW。按每日用电负荷运行12 h(其中白天运行8 h、夜间运行4 h)计算，所有建筑的日耗电量为1258.104 kWh。

4.3 某海岛的设备选型

考虑低碳型海岛风光潮储供电系统转换过程中的功率损耗情况，其综合转换效率取90%，再考虑到日用电量会有轻微波动，该供电系统的总发电功率设计为117 kW，需要满足的日总发电量为1404 kWh。

海岛涨潮高度最高为6.28 m、最低为0.02 m，平均潮差为3.99 m，满足潮汐发电系统发电的潮差幅度要求。进水口面积为0.03 km2，则经过计算，潮汐发电系统的总装机容量选择100 kW。

结合图3 的气象资料分析可知，该海岛的日平均风速达6.0～11.5 m/s，海岛风力发电系统的日有效发电时间为5 h。选用20 台HF4.0-2000 型号的风电机组，则该海岛风力发电系统的总发电功率为40 kW。所选用的风电机组的参数如表2 所示。

表2 所选用的风电机组的参数Table 2 Parameters of selected wind turbines

该海岛光照资源丰富，根据低碳型海岛风光潮储供电系统的整体设计，分布式光伏发电系统的日发电量需求为678 kWh，所需光伏组件装机容量为169.5 kW。额定直流母线电压设定为400 V，经计算可得，光伏组件串联数为10 块，并联数为39 串，则光伏组件安装数量为390 块，分布式光伏发电系统的装机容量为171.6 kW。所选用的光伏组件的参数如表3 所示。

表3 所选用的光伏组件的参数Table 3 Parameters of selected PV modules

通过计算可得，蓄电池储能系统中蓄电池组的总容量为9828 kWh，选用工作电压U1为2 V的型号为GMF1000 的蓄电池。计算可得，单体蓄电池的串联数量为200 块，并联数量为25 串，则单体蓄电池的总数量为5000 块。因此，实际运行的蓄电池组总容量为10000 kWh。

4.4 基于EnergyPLAN 模型的算例验证

4.4.1 研究方法及数据来源

为验证低碳型海岛风光潮储供电系统的可行性，采用EnergyPLAN 模型进行算例验证。

EnergyPLAN 模型是丹麦奥尔堡大学研发的一种基于能源系统分析的计算机模型，其具有以下特点：1)考虑了能源波动，分析以小时为单位进行，可进行为期1 年的分析；2)该模型是一个输入/输出模型，操作过程十分简便；3)该模型基于分析程序计算，运算速度快；4)可根据技术调控目标和市场经济目标对优化结果进行分析。

在本算例中，输入部分包括用电需求、可再生能源出力、储能能力等设置，输出部分为能源供应方案分析结果。研究涉及整个低碳型海岛风光潮储供电系统各组成部分的运行状况，所需要的数据量较大；并且由于EnergyPLAN 模型是一个确定的输入/输出模型，对于数据的可靠性要求很高。本算例模型中的电力需求、光伏发电系统、风力发电系统、潮汐发电系统的装机容量根据前文的设备选型结果来确定。

由于模型分析是以小时为单位、逐时变化的，需要每小时电力需求、光伏发电、风力发电、潮汐发电出力的分布数据。以闰年1 年(366 天)为参考，则需要8784 个逐时数据。

电力需求和各种发电形式的出力分布数据的确定是计算中的难点。其中，电力需求分布数据是根据调研得到的某海岛电力需求模拟而得；光伏发电、风力发电、潮汐发电出力分布数据等是根据设备选型及该海岛的资源情况，再结合EnergyPLAN 官网提供的数据推算获得。

4.4.2 计算结果及分析

模拟计算时，首先满足供需平衡、电网稳定性的目标，得出低碳型海岛风光潮储供电系统中不同发电形式的月平均发电功率，如表4 所示。

表4 低碳型海岛风光潮储供电系统中不同发电形式的月平均发电功率(单位：kW)Table 4 Monthly average power generation of different power generation forms in low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands (Unit：kW)

从表4 可以看出：该算例中不同发电形式月平均发电功率总和的平均值约为47.3 kW，则整个低碳型海岛风光潮储供电系统的月平均发电功率为50 kW 左右。当这几种发电形式的发电功率不足时，由蓄电池储能系统供电，以满足海岛居民的电力需求。

通过模型模拟出该算例的低碳型海岛风光潮储供电系统运行1 年(闰年)的电能年消耗分布、电能年生产分布、年电力平衡情况，结果分别如图4～图6 所示。图中：过剩电力输出是指与外部微网系统连接时，该风光潮储供电系统过剩电力的对外输出。

图4 采用低碳型海岛风光潮储供电系统时整个海岛的电能逐时消耗量分布Fig. 4 Hourly electricity consumption distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

图5 采用低碳型海岛风光潮储供电系统时整个海岛的电能逐时生产量分布Fig. 5 Hourly electricity production distribution of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

图6 采用低碳型海岛风光潮储供电系统时整个海岛的逐时电力平衡情况Fig. 6 Hourly power balance situation of the whole island when using low-carbon wind-solar-tidal-storage power supply system for islands

为尽可能模拟实际电力负荷情况，模拟中设置了弹性随机波动负荷，以体现不同时刻负荷具有的波动性，波动负荷最大功率为104 kW，年耗电量设置为0.076 GWh。通过对图4～图6 进行分析可知：低碳型海岛风光潮储供电系统的电能生产量在全年各时段基本能满足该海岛的动态负荷需求，模拟结果验证了该供电系统设计的合理性。

5 结论

本文针对偏远海岛的用能需求、资源现状和供能现状，设计了一种低碳型海岛风光潮储供电系统，该供电系统为孤岛型供电系统，可实现可再生能源的最大化利用。对该低碳型海岛风光潮储供电系统的设计架构和运行机理进行分析，并根据海岛的电力负荷需求进行设备选型，最后基于EnergyPLAN 模型对该供电系统设计的合理性进行了算例验证，得出的主要结论为：

1)提出了采用不同用电负荷的同时系数方法，计算海岛的电力负荷情况。

2)海岛配置了多个无土栽培温室大棚，装设了主动式太阳能蒸馏装置；该低碳型海岛风光潮储供电系统的分布式光伏发电系统、风力发电系统、潮汐发电系统、蓄电池储能系统和用电设备采用共交流母线连接，可提供多种供电模式，通过自动切换为负载提供高质量电能。

3)以某海岛为例，结合某海岛资源特点，根据该海岛的用电需求计算了低碳型海岛风光潮储供电系统中不同发电形式和蓄电池储能系统的容量配置及设备选型，以满足海岛居民的生活电器、海水淡化、垃圾处理等的电力需求。基于EnergyPLAN 模型进行算例验证，对该海岛的年电力供需平衡进行模拟计算，模拟结果验证了设计的合理性，所设计的低碳型海岛风光潮储供电系统能满足该海岛的用电需求，为独立海岛供电系统的优化设计提供了参考。