海南三沙智能微电网设计方案

1/16基于智能微电网技术的永兴岛弱耦合型100kW直流微网设计方案1.项目概况1.1.项目的任务和目标对永兴岛太阳能和风能资源进行评估，提交项目实施方案，对100kW风光互补发电项目的发电量进行计算并对投资估算及财务效益进行初步分析，最终实现光伏发电与风力发电的互补。1.2.工程地理位置工程地址为海南省三沙市的永兴岛。该岛海南省西沙群岛同时也是整个南海诸岛中最大的岛屿，位于北纬16度50分，东经112度20分。岛的东西长约1850米，南北宽约1160米，面积约2.13平方公里。永兴岛是海南省下辖地级市三沙市人民政府驻地，岛上有市政、渔业和军用建筑设施等。1.3.建设规模永兴岛风光互补发电工程一期建设规模为100kW，采用固定太阳能电池组件装置、小型风机和蓄电池储能结合的设计思路，建造智能电网框架下的直流微网系统。1.4.永兴岛的特点永兴岛独特的地理位置使其具备了以下三个特点：（1）永兴岛的太阳能资源及风能资源丰富（i）太阳能永兴岛全年日照时数长达3100小时左右，为全国Ⅱ类地区，太阳2/16直接辐射、散射辐射、总辐射量较高，适合开发太阳能发电。永兴岛全年总辐射量5983MJ/m2(1)，直接辐射量为3587.6MJ/m2,总辐射最大值出现在5、6两个月，占年总量的24.5%。从随季节的变化量看，以夏季最大，冬季最小，4-9月份辐射总量为3835MJ/m2，占年总量的64%。由辐射数据可以看出，永兴岛适宜进行光伏电站的建设。（ii）风能永兴岛处于热带区域，有着常年的风能可供发电。本区有效风速(3~20米/秒)出现的时数为5000~7500小时每年，其出现的时间百分率为60％~89％，有效风能密度150~500W/m2，属我国风能资源较丰富的地区，在海区中仅次于台湾海峡和巴士海峡的风能高值区(2)。2）对土地利用和环境保护要求高随着三沙市的基础设施的不断改建，其旅游资源必将得到进一步的开发。但永兴岛的土地面积仅为2.13平方公里，对土地的合理有效的利用就显得极其重要。该项目可以做到或基本做到“零占地”，即电站是分布在已建或将建的建筑物或电线杆上，这正好是分布式太阳能发电的优势。同时，作为一个远离污染源的海岛，自然和生态环境极佳，因而对其自然环境（空气、噪音、水源等）的保护就变得势在必行。利用太阳能光伏发1kWh电能，就相应节约了0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳（C02）、0.03千克二氧化硫（S02）、0.015千克氮氧化物（NOx）。这对保护永兴岛的自然环境无疑将起到重要的作用。3）对外部能源依赖性强永兴岛电能目前主要靠柴油发电机组来保证。由于永兴岛远离大陆，燃料必须由大陆海运提供，且发电机组的功率不大（2台500kW的柴油发电机组），造成发电效率不高、基础建设投入高、系统维护的成本也较高，因而造成用电成本过高。1.5.主要结论高投资回报：永兴岛地区风能和太阳能资源丰富，可利用已建屋顶或在建屋顶，不需1由《中国太阳能辐射资料库》（上海电力大学程文焕主编）查取到了永兴岛96年的太阳辐射资料。=790762厦门大学图书馆区域研究资料中心“西沙、南沙和中沙群岛进一步开发的设想”，2012.9.193/16额外占用土地，具有较大的后续开发空间。经推算，根据当地太阳辐射量、系统组件总功率、系统总效率等数据，按系统使用寿命25年计算，永兴岛一期风光互补发电工程，可满足50人左右的分队装备用电及生活用电。良好的环境效益：无燃料消耗，无“三废”的排放，无噪音污染，具有良好的环境效益。可持续发展：由于降低了对外来能源的需求，永兴岛的可持续发展能力将会得到进一步的提高。2.项目建设的必要性由于永兴岛的特殊环境，使得风光互补的发电系统成为能够在多方面满足永兴岛的发展需求的最佳发电系统。2.1.优化当地电源结构及可持续性发展太阳能发电可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路的损耗。光伏发电不用燃料，运行成本很低，没有旋转部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能和风能发电可减少污染物排放、植被破坏、海洋生态影响等环节问题。因此建设太阳能光伏电站项目，具有非常突出的环境效益。风光发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。本项目充分利用当地丰富的光照和风能资源建设风光电站，可以改善当地电力系统的能源结构，提高电网中可再生能源发电的比例，有利于永兴岛的可持续发展。2.2.可持续发展的需要作为可再生能源的太阳能，具有“取之不尽、用之不竭”的特点。同时，由于永兴岛的特殊地理位置，采用化石能源发电从成本和可持续性上都不适合。因此，在太阳能和风能资源丰富的永兴岛，大力开发可再生能源是经济可持续发展的需要，减小对化石能源输入的依赖。4/162.3.本项目的作用和意义永兴岛一期100kW风光互补发电工程采用英伟力的弱耦合的直流微网档案，可解决驻岛部队50kW生产用电和50kW生活用电，在解决了当地用电需求的同时，也为以后岛内各项生产生活用电提供无污染可靠的能源供应树立模板和范例。3.为什么选风光互补直流微网系统3.1直流微网的产生背景目前广泛应用的微网系统基本上是交流微网，将太阳能电池板或是风力发电机产生的电能经过一系列的变换，采用50Hz或当地电网要求频率进行有源或无源逆变。但由于交流微网自身不易集成规模化的储能环节，造成系统容量相对很小，难以抵御负载冲击、无功及谐波扰动等问题。因而进一步限制了其实际应用。随着用户的用电形式的发展，对直流微网的需求越发强烈。主要表现在以下的几个方面：(1)含直流环节的电器增多含有直流环节的电器是指需要对电能进行交－直－交转换的电器,最普遍的就是变频电器。近年来，变频技术的应用在我国有很大的发展,目前已经在工业传动、电梯控制、空调、冰箱、洗衣机、微波炉等产品上得到广泛应用。变频家电凭借节能、舒适等特性在市场竞争中异军突起，占据着越来越大的市场份额。在传统的交流配电网中,用户使用的是交流电,必须通过交－直－交转换才能变频。交直转换过程中大多采用不受控整流，对电网造成极大的谐波污染，成为日益严重的谐波污染源，引起了越来越严重的电网问题，主要体现在由此而引起的电网谐波呈现逐年上升的趋势。如果改用直流配电网,只需进行直－交转换即可实现，从而省略了整流器，因此降低了能耗、节省了资源、降低了使用成本，同时也减轻甚至消除对电网的谐波污染。(2)使用直流电源的电器增多5/16现在的很多电气设备其本质上都是使用直流的,需要将交流电变成直流电再送给电器使用。我们身边有很多类似的直流驱动的电器，例如液晶电视、室内及室外LED照明灯、个人电脑、手机等。如果用直流系统直接供电，就会减少一级电力变换（交-直变换），从而更加节省资源、减少能耗。在国际上，直流微网相关技术的研发一直得到了产学研各界的广泛关注。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于20世纪90年代开始了300～400V数据中心直流配电的研究。另外，船舰、航空和自动化系统的直流区域配电，尤其是电力牵引直流供电技术已经成熟，这为直流微网的推广应用提供了良好的契机。如今，在住宅直流供电方面，欧盟、日本和美国纷纷开始了相关方面的研究和示范工程，英伟力则是国内最早研发系列化直流微网产品的公司。通过以上分析可以看出，直流微网系统在目前的用电需求环境下必将获得越来越广泛的应用，特别是弱网系统将成为主流供电模式。3.2直流微网的主要技术优势(1)直流微网更适合分布式发电的趋势通常所谓的微网，大家都默认为交流微网，并且对于新能源有源或无源变换模式，也都无一例外的被认为是交流逆变。但随着用户用电性质的发展，许多直流负载或者是包含直流环节的变频负载的出现，用户已不再必需交流电网向负载提供电能。相比交流微网，直流微网更能有效利用能源、简化系统构成、更加适合未来分布式发电的趋势。而交流微网自身不易集成规模化的储能环节，造成系统容量相对很小，难以抵御负载冲击、无功及谐波扰动等问题。微网设计理念，应该从完全自发自用，向“总体自发自用、局部与电网互补互利”转变，即微网需要储能环节，微网可以吸收和提供瞬时的峰值功率，微网应与电网互动解决短时的功率不平衡，功率调节以价格杠杆为主。微网设计要综合考虑，动态优化初期投入，保障用电和设备寿命。随着交流微网产品的不断完善，英伟力正逐步的将产品研发重心向直流微网偏移。(2)直流微网的输配电成本较低且电磁辐射较弱直流微网中的关键电力电子变换装置为电流源型装置，由其特性可以使直流微网更为方便的进行并联扩容。同时将交流微网的4条电线（客户端更是5条电线）改为6/16用2条线，降低了成本。从输配电角度考虑，交流配电为三相四线制，到客户端需要三相五线制，而直流配电只有正负两极,采用两线制即可满足需求，能节省大量的线路建设费用。具有相同有效值电压的交直流电场施加于绝缘时,交流电压的峰值约为直流电压峰值的1.4倍，因此对绝缘介质的绝缘强度要求比直流更严格，所以直流电缆绝缘介质的投资要少得多。直流配电网只需两根输电线，导线的电阻损耗比交流电缆小。直流配电中，直流电缆没有集肤效应，电缆截面利用充分。在输送同样的有功功率情况下，与交流系统相比损耗较少。直流电缆的“空间电荷效应”较弱，不易使其电晕损坏，无线电干扰也比交流电缆小，产生磁场较弱，因而电磁辐射较小，环保优势明显。(3)直流微网中的直流母线有利于回收利用“垃圾电”分布式可再生能源如风能具有很大的随机性，与之相匹配的电能变换装置尤其是逆变装置的容量因为价格关系往往是偏低的，对于风力强劲时的电能转换不能满足容量要求，所以对于小型风机，虽然价格便宜，但难以得到有效利用。电梯制动再生能量也与之类似，现有的电梯制动能量回馈器由于节电效益与装置成本相比不明显而未能得到广泛应用，所以往往通过制动电阻将本可回收的电能白白浪费掉，但倘若将这类系统都接入具有蓄电池的直流微网系统，由于其吸收瞬时功率的能力很强，这样它们在高峰发电时（如刮大风时）产生的电能可以通过DC-DC变换装置由直流微网的直流母线及其储能设备充分回收并储存。英伟力是最早提出结合新能源主动发电与被动吸收势能设备发电的混合直流母线的公司。(4)直流微网具有更好的互连性和模块性交流系统是全网络、全功率、实时输电，而直流系统是局部、部分功率间歇输电。直流微网与交流电网可以实现弱耦合（弱耦合即直流微网与交流电网之间的电流量小。这是因为客户端所发的电能可以基本保证自给自足，因而不需要向电网索取大量的电能，直流微网在发电高峰时所产生的电能在满足本地负载的前提下还可以存储在系统的储能环节中。）、弱连接（电线相对比较细），提高直流微网的稳定性，并且减少对交流电网的冲击。不同的交流系统之间相连时，要求幅值、频率、相位完全一致，是二维控制；直流系统相连，只要求电压幅值完全一致，是一维控制，这样就使设备简单化而大大降低了营运成本，同时可抵御负载冲击、无功及谐波扰动，提高了供电7/16质量。英伟力通过本质电流源输出特性的设计，使得多个变换器可以任意互联，实质性地解决了系统的模块化设计问题。4.英伟力提出的直流微网的创新方案英伟力新能源科技（上海）有限公司在直流微网系统的不同层面上采用了创新的方案，其中一些方案的具体实现控制策略和算法已经取得了4项国家专利。以下详细说明直流微网的创新方案：(1)光伏板组件的部分遮挡问题由于永兴岛地处热带，云层变化活跃，多个组件中会经常发生局部被云遮挡的情况，这极大的降低了使用集中式逆变器时的系统整体发电量。对于永兴岛，光伏板组件的规格一般为48V/300W，可以考虑将每4个组件进行原边独立，副边串并的方案，直接形成600V隔离的直流母线。如图1所示。S1Np1T1D1Co1Ns1LCFS2Np2T2D2Co2Ns2S3Np3T3D3Co3Ns3S4Np4T4D4Co4Ns4PLCC调制器Uo图1多个光伏组件原边独立副边串并联(2)小风机（600W～10kW）的优化并网小风机的最大优点是价格