东澳岛兆瓦级独立智能微电网项目分析
关键词：智能微电网；多能互补；能量管理；能量预测
该项目是我国第一个兆瓦级风光柴蓄多能互补的微电网系统，也是中国第一个商业运行的孤岛型智能微电网系统。项目分两期建设，2009年获得住建部的第一批“阳光屋顶计划”补贴，完成第一期近400kW；此后一边运行一边扩建，在不影响海岛供电的前提下，2010年完成整个项目。目前该项目成功运行至今，除系统改造以外，无停电事故记录。该项目建于珠海市管辖海域的东澳岛，该岛面积约4.663平方千米，400户常住人口。岛上气候宜人，森林覆盖率达82%，全年日照量5091.8MJ/m2。
1 项目背景
2009年以前，整个岛屿完全依赖柴油发电，这种单一的化石能源结构，电力质量差、电费高、停电频繁、污染严重。后因柴油发电系统耗油量因负荷的逐年增加而增加，已不能满足岛上居民的生活用电。此外，当时东澳岛的电费为：居民用电2.9元/kWh，商业用电3.8元/ kWh。为了平衡发电厂的成本，政府补贴1元/kWh。据统计2009年东澳岛用电量为80万kWh,也就是政府每年补贴为80万元。无论发电能力、社会压力还是财政补贴，原有柴油电厂早已经不堪重负，因此改造海岛的能源结构成为必然。
2 项目可行性分析
东澳岛是一个典型的旅游型用电的海岛，夏季是旅游旺季，全年夏季用电是冬季的6～7倍，而夏季节假日用电是平时的2－3倍，且每天的用电又与轮渡的航班有关。根据这种能耗规律我们可以研究出更科学合理、更匹配负载的多能互补的能源组合方案，可以把控制系统做得更加智能与完善。
在这个没有任何外来电网干预的小岛上，我们可以按照理想的目标做更多的研究和尝试：将可再生能源的比例尽可能提高；储能系统的用量尽可能降低；使电能质量超过国家标准；使故障率趋近于零；采用全数值化监控和调度等等。
兴业太阳能集团完成了对东澳电站的收购以后，将其改造成了总装机2MWp的风光柴蓄多能互补微网电站。在码头的游客中心屋顶安装总计约100kWp的晶体硅电池组件，在文化中心的瓦屋顶上安装机功率为256.7kWp的屋顶光伏电站，在往东澳电厂的路上，直线距离300m的地方有一块约8000m2的空地，在那里建造了一座650kWp的光伏地面电站，因此整岛光伏装机总量达到了一个1MW。
东澳岛的风力资源也是值得研究和利用的，为了便于安装和控制，以及减少新增电缆的敷设，小型风机安装场地被圈选在电厂附近。基于电厂附近的风资源较差、风机价格昂贵（2009年的进口风机价格为45元/Wp）和仅仅是研究尝试的原因，我们只选择安装了45kWp的风机电站（包括4台10kWp和1台5kWp的小型风机）。再加上3台既有总功率为1.22MWp的柴油发电机组，形成了总容量为2.27MWp的多种分布式电源。作为缓冲和调配以及极端情况的能源备用，我们配备了2000kWh的储能系统。
3 微电网技术分析
岛屿电网的安全稳定运行当然是电站改造的前提，2009年在没有任何技术经验借鉴和示范项目参考的情况下，项目采用了以安全稳定性为主的多级分层结构。这种结构的系统效率不算很高，但它简单且稳定，在过去的几年里除了系统改造升级以外可以说故障率为零。由于这种结构下的所有的分布式电站的特点都是即发先用，余电储存再上网，所以可再生能源发电不需要全部通过储能系统，因此储能配置不是很大；第二个特点就是，结构中的储能设备主要起一个缓冲作用，能源管理系统可以根据不同能源的经济优先算法自动切换当前条件下最经济的能源方式，使得能源利用在风、光、柴之间进行无缝切换。如果某一区域负载明显增加，就可以针对性的扩容子网。
在智能微电网中，能量管理系统对整个电站起着控制性的决定作用，系统智能化的程度也主要是依赖能量管理系统来实现。它包括数据采集与监控、设备自动控制系统、电力系统状态估算、经济调度控制、安全预警分析五大部分。因此，首先要选择各项数据的采集点，大到气象数据采集、光伏发电量实时采集、风能发电量实时采集、用户需求侧数据采集、蓄电池储电量采集、柴油用量及储量采集等等；小到电池背板温度、变压站变压点、柴油发电机排碳量、热量、冷却装置等等。所有现场的电站数据都全部远程传送到公司总部大楼的监控中心，工程师在公司的监控中心甚至办公室就可以全程随时监控或读取电厂即时的各个状态数据。当然，要做到这一点必须让所有设备具有自动调控功能，包括柴油机状态检测与监控、油压检测、自动启动、制动控制；光伏智能接线盒、智能汇流箱、线缆在线检测；蓄电池在线监测、控制、工作环境监控等等。
东澳的能量管理系统做到了所有设备都可以通过信号切换来控制发电系统的启动或停止，每一个光伏阵列都可以通过智能控制箱清楚地了解到其发电运行情况，对储能系统可以通过对其全程充放电次数与放电深度的控制，防止蓄电池过充或过放。通过对太阳能和负载的预测，便于更准确地分析出能量的潮向，有利于能量的储备、调度和控制，这就是电力系统状态估算。目前东澳的管理系统可以做到对未来半小时以内太阳能预估达到10%以内的误差，系统通过运行数据的积累不断进行自学习，达到数据修复的目的，以便更准确的预算出下一个小时用户的负载使用情况。通过对发电侧和用电侧的预估来综合判断下一步指令是蓄电池放电还是充电，使用柴油发电还是可再生能源发电。最后，所有设备都需要进行安全监控，如防雷、防火、防过热、防盗等，并在出现异常时自动报警。
4 运行数据分析
珠海属于夏热冬暖地区，生活工作用能主要以空调和照明为主，夏季制冷季节，负载大幅增加。而冬季不需要供暖，负载又大幅下降，呈现出冬季及春秋过渡季节与夏季明显不同的用电规律。
通过我们对2011年全年的数据分析（表1）可以看出，冬季可再生能源利用最高可达到90%以上，夏季也可以达到50%以上，全年平均可达到71.4%，实现了高比例的可再生能源利用目标。同时，通过预测、调配和控制，使得柴油机的使用有计划有规律，发电曲线更平缓，从而提高了柴油机的发电效率。通过统计分析比较，微电网系统中的柴油发电机度电的耗油量从317L降到220L，提高发电效率30%（表2）。电厂的发电成本从4元/kWh降到1.9元/ kWh，化石能源的使用率从100%下降到27.97%。
5 问题及总结
该项目虽然建设和运营的时间较早，给岛屿能源系统提供了关键技术的研究和商业模式的示范，各项数据也显示了岛屿微网的可行性和优越性。但在开发建设过程中也存在以下一些问题。
5.1 土地问题
东澳岛微电网在建设中出现最大的问题就是土地问题，海岛土地资源比较缺乏，随着微电网系统的建成这个问题将变得更加突出。事实上东澳岛微电网系统并没有取得土地所有权，目前只能是租用部队的土地，租期为10年，这对项目的投资回报带来很大影响，增大了投资风险。
5.2 资金问题
在海岛建设可再生能源发电成本比陆地上高得多，储能系统的成本目前还不具优势。因此，岛屿微网的初期投资往往较大，没有政策的补助和倾斜，投资资金是不可逃避的问题。
5.3 技术问题
东澳岛微电网虽然成功运行了5年，但由于是旅游岛，负荷变化太快，能量管理和控制困难，导致系统效率不高，冬季能量卸载严重。
5.4 程序审批问题
在此后的岛屿微电网项目的开发过程中，所遇难度最大的是项目可行的程序问题。开发岛屿能源牵涉能源部门、规划部门、建设部门、旅发部门、电力部门、国土部门、当地管委会甚至军队，很多批复文件会遭遇各部门的推诿。因此，流程上的规范化、程序上的政策化相对于资金和技术来说更加重要。