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北麂島:致力于打造“生態友好型”海島微電網示范工程

作者:劉伯洵 來源:中國儲能網 發布時間:2020-06-08 瀏覽:
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中國儲能網訊:北麂島,全稱北麂列島——位于溫州瑞安市東南方向東海沿海海面上,距瑞安市區37海里處,主要由大明甫島、小明甫島、北麂島、下岙島、關老爺島等16個島嶼組成。

北麂島

北麂島遠離人煙,低調又神秘,完好保存了這里原始的自然美景和原生態,這里樸素的民風和小島的美麗仿佛是世外桃源。

北麂主島面積約1.9平方公里,由四個行政村構成,分別為海利村、勝利村、東聯村、立公村,目前常住人口約3500人。

從瑞安南門港到北麂島的船票價格是130元(當地居民票價為70元),坐船上島是目前居民出行的最主要方式,記者從瑞安市上船到登島靠岸,全程花費時間2小時20分鐘左右。據當地居民介紹,如遇到臺風季節或大霧天氣,船是不能出港的。

海島供電:用電難、用電貴

目前解決海島供電的方式主要通過架設海底電纜,或依靠柴油發電機、燃氣輪機等常規化石燃料機組供電。但鋪設海底電纜的費用昂貴,且受到海底電纜走廊的限制;利用常規燃料機組供電燃料運輸困難且會給脆弱的海島生態環境帶來嚴重的污染問題。

2010年頒布的《中華人民共和國海島保護法》指出“有居民海島的開發、建設應當優先采用風能、海洋能、太陽能等可再生能源和雨水集蓄、海水淡化、污水再生利用等技術”,對于遠離大陸的海島微電網的建設應以最大化利用當地可再生資源和減少常規機組為指導思路(參考文獻[1])。

長期以來,北麂島未能實現與大陸電網相連,島上供電長期依賴柴油發電,供能有限、供電不穩定等問題成為居民生活和島上旅游和漁業養殖經濟發展的掣肘。

漁民出海捕獲回來的海鮮需要24小時加注氧氣,對于電的依賴性很高,以前到了夏天用電高峰時,一天會停10多次電,非常不穩定。如果供電沒有及時跟上,供養不足造成海鮮死亡,這將給漁民帶來極大損失。

北麂島漁民大力發展的養殖業

據了解,在2014年以前,北麂島住民用電、路燈照明、海島養殖、港口等用電需求全部依靠柴油發電來解決。

據溫州華電實業有限公司新能源部主任、高級工程師尚博介紹,島上柴油發電成本3元以上/度,還不包括設備折舊、人員工資等。柴油機組需要一天24小時不停運行,加上海島氣候環境,對柴油機的使用性能及壽命造成極大的損害,容易造成停電檢修。

北麂島作為備用的柴油發電機組

另外,柴油價格上漲、人工成本攀升、柴油機組漏油和廢機油對土地和海洋環境污染和噪聲影響,使海島電力緊張局面陷入困境。

尚博指出,海島‘用電難、用電貴’是長期存在的痛點難題,同時還存在島上設備建設時間長、配電站的低壓架空線路殘舊、銹蝕嚴重、變壓器的容量和線路線徑都偏小、島上居民房屋產權不清等問題。

“這些問題要逐一解決,相當于在島上重建一個電網?!鄙胁┱f。

政策助力  開啟用能新時代

“過去供電機組的殘舊會導致供電不穩定,甚至是造成安全隱患,嚴重影響了島上用戶日常生產和生活,有了穩定的供電系統,才能更好的服務地方漁業養殖和旅游經濟發展?!鄙胁┱f。

為此,如何加快海島電網建設,提升海島供電服務的惠及島上居民和各類用戶是當地供電公司亟需解決的難題。

恰逢此時,浙江朗呈新能源有限公司(以下簡稱“朗呈公司”)正組織力量對北麂島群眾的用電需求開展調查研究,并著力解決好人民群眾用電中最關心最現實問題。

經過一番調研和論證后,結合島上用電環境的現實狀況,以及國家金太陽示范工程項目政策,朗呈公司決定投資4500萬元在北麂島建離網發電系統項目。

據介紹,項目前期采用“光伏發電+儲能為主電源,柴油發電機為備用電源”的微電網運行模式,可有效解決島上居民的用電難問題。微電網技術充分利用海島可再生能源的優勢,兼顧綠色環保與供電質量的要求,與敷設海底電纜相比,微電網投資少,運維成本低;而與柴油發電相比,微電網供電質量高、運維成本低,更加綠色環保。

朗呈公司總經理章旭敏表示,2014年-2017年北麂島全年的用電量在120萬度電左右,目前北麂島正在大力發展旅游業,用電負荷業隨之增加,2018年北麂島年供電量為152萬kWh,預計最大供電量會增長到180萬kWh左右。

整體架構如下:

章旭敏指出,島上如果是晴到多云天氣基本是光伏系統直供電,晚上儲能系統放電。海島晚上的用電量比白天要多,所有在儲能系統中要配有足夠的容量才能夠保證不浪費光伏發電及保證夜晚供電。

“2015年至2019年運行5年以來,雖然光伏組件能發電464.7萬度,但是實際供電僅297萬度,轉換效率比較低”,章旭敏說。

章旭敏告訴記者,從2014年6月至2017年的實際運行中發現原來的儲能系統存在損耗大、轉換效率低、儲存能力不足(供電能力下降)、設備老化、VF源不穩定、EMS系統不穩定等情況。主要體現在以下幾個方面:

1、VF源不穩定,導致整個系統不穩定。

交流母線離網系統,核心部分就是VF源系統,主要起到支撐整個供電系統,調節負荷、光伏等波動。由于原先的VF源系統是由鋰電池與變流器組成,在實際運行中,發現鋰電池在海島上應用一致性不穩定,經常出現故障(如VF源經常出現單體報警、組串之間SOC相差過大等報警信),導致設備停機,影響系統穩定運行及供電。

2、主要逆變器設備老化故障頻發。

光伏逆變器及儲能逆變器經常出現故障停機,大大影響了光伏發電及供電。如2017年1月22日至2月13日,儲能逆變器故障停機,嚴重影響發電量。

3、故障維修時間長。

由于海島交通不便,當出現故障后,一般都需要專業人員運維。因此從登島到維修完成基本需要7天以上左右時間。尤其是設備、光纖線路方面的檢修,耽誤的時間比較長。

4、設備損耗大。

根據該項目歷年運行數據顯示,一天的損耗電量在1000kWh左右,造成儲能系統全年轉換效率在62%左右。(2015年損耗率38.41%、2016年損耗率37.31%、2017年損耗率37.51%)

5、EMS管理系統性能不穩定。

在2018年初該系統EMS通訊異常,無運行數據顯示,最終導致整個系統無法供電。

至于為何這個項目選擇鉛碳電池,沒有用鋰電池,章旭敏告訴記者,鋰電池和鉛碳電池都是充放電模塊,沒有本質上沒有區別。海島項目在選擇儲能模塊時,主要是放電深度不能太淺,要達到60%以上,電池循環使用壽命最好是5年左右,同時要考慮海島環境對電池在實際運行中的影響。目前來看鋰電池的價格雖然這幾年一直在降低,但是和鉛碳電池相比還是有差距,鋰電池的使用環境及安全性比較嚴格,一致性要穩定。而鉛碳電池技術也在不斷進步,性能也有相應提高,但在能量密度方面不如鋰電池。

通過這幾年的項目建設及運營,章旭敏體會頗深,她告訴記者,這個項目給她帶來了很多快樂,尤其是夜晚島上繁星燦爛和和燈火通明,成就感最充實。

改造系統  舊貌換新顏

章旭敏告訴記者,海島微電網項目在建設、施工和運維過程中也要做好相應工作,稍不留神,會帶來系統的不穩定和經濟損失。

章旭敏指出,海島的運輸和人工成本要比陸地高一倍。在安裝進場前,先準備好所有施工作業工具,做好計劃安排;海島道路較窄、濕度大、鹽分高、腐蝕性墻。平時要做好室外設備的防腐工作;臺風季節時,要注意光伏區場地的檢查,防止異物砸壞組件,所有的設備都要有備件;要定期的處理遮擋光伏組件的雜草,不能用除草劑,防止大量水土流失。

一系列存在的問題給項目運營和島上居民用電帶來居多不便,為此,章旭敏先后在2018年至2019年期間更換了部分蓄電池和EMS系統,雖然更換設備后提高了部分發電量,但是損耗大等問題依然存在。

將交流微電網與直流微電網互聯構成交直流混合微電網,交直流混合微電網是適應新的分布式電源形式及負荷而建立的,可同時接入包括光伏、風機、儲能裝置、小型發電機、直流負荷、交流負荷等多種交直流能源形式。

為此,章旭敏再次下決心投資600萬元左右改造升級成交直流混合微電網架構系統。

2018年5月份與浙江大學電氣學院達成了合作協議,委托浙江大學對本項目進行優化和提升。

2019年3月,浙江大學完成了該項目直流改造設計方案,10月份已完成蓄電池設備房的建設和控制系統現場的模擬調試以及相應關鍵設備的委托定制,12月對項目進行進場施工和整體調試,并于2020年1月完成電站改造升級。

系統機構圖

北麂島交直流混合微網系統由五大部分組成,包括集中式光伏發電系統、蓄電池儲能系統、供電系統、柴油發電機組、EMS管理系統。

光伏系統(1.274MWp)與儲能系統(7.239MWh)總直流母線連接,并由2臺BCS逆變器升至400Vac交流母線,并經0.4/10.5kV升壓變升壓至10kV輸電線路接入用戶側。

該項目最大能帶載負荷量是1000kW,目前朗呈公司和供電局結算電價是1.1元/kWh。

同時還配備1800kW柴油發電機組作為系統備份電源,遇上陰雨天等情況時,適當開啟柴油機補充用電。

該項目所有采用充放電設備是科華恒盛股份有限公司生產,電池采用的是鉛碳電池技術。

項目改造后,優勢進一步凸顯,主要體現在:

1、適合于不同形式或不同頻率頻率的發配電互聯,因而,特別適合新能源分布式發電(DG)供電系統?,F有新能源發電,要么輸出是直流(如PV光伏),要么因為穩定需要采用了“交-直-交(AC-DC-AC)”電能變換結構(如風力、海洋能發電),柔直系統可方便它們的接入,提高變換效率、節省設備環節。

2、方便儲能設備(電池、超級電容器等)連接,采用雙向DC/DC直接充放電、省去AC/DC環節,系統具有更高的效率、更低的設備成本。

3、容量大小可定制、分期建設和日后擴展方便。由于直流母線無交流同步、功率因數、諧波畸變、三相不平衡、負序零序等電能質量問題,用電品質好、無需額外電能質量治理裝備。

4、柔性直流平臺適合于地埋或海底供電線纜的鋪設,由于直流線路無交變電磁場效應、占地空間??;周圍介質的影響小,特別是海水或地埋線路,無交流線路的地質、介質、占地空間、供電距離等限制,可方便實現多島互聯、也有助于海島環境的美觀。

5、柔直系統主要設備VSC慣性非常?。ㄏ鄬Σ裼桶l電等)、動態響應快,同時,采用了智能控制器,系統供電性能穩定。

6、柔直微電網并網和離網兼容性好,在有條件的海島或未來,可方便實現與岸上大電網互聯(如直流輸電HVDC等),即可向大電網吸收或送出電能、平衡網內電能生產和消耗,也可以離網獨立運行。

7、具有多級智能能量控制能力,既可自動實現網內發電、用電、儲能之間的能量平衡,也可是按發電電源、儲能和用電工況等的經濟性,實現智能優化調度。在聯網運行條件下,還可兼有協助大電網“削峰填谷”、“調壓調頻”能力,進一步優化供電效益。

瑞安市北麂島1.274MWp交直流混合微電網項目鉛炭儲能電池

據科華恒盛股份有限公司新能源事業部技術總監林金水介紹,該項目光伏系統裝機容量為1.27MWP,有5200塊多晶硅245Wp組成,經21臺匯流分別接入到6臺SPT(DC/DC),經子直流母線給蓄電池充電,再經總直流母線對外供電。

瑞安市北麂島1.274MWp交直流混合微電網項目

升級改造后,儲能系統裝機容量為5.239MWh,分為6組,分別接一臺SPT,形成6個直流子系統配套運行。而原儲能區的2MWh舊電池已不再運行,等待后續改造升級。

瑞安市北麂島1.274MWp交直流混合微電網項目

供電系統有6臺直流系統平均分配到2臺BCS逆變器,形成2個供電系統,并并機運行,對外供電。

改造后的EMS系統

值得一提的是后臺EMS系統重新做了技術改進,和浙江大學聯合研發,升級后EMS系統主要功能是負責系統監控、數據處理等,幾乎不參與直流系統運行,避免斷電。

系統機構圖

林金水指出,該系統升級改造后光伏發電至電池充電僅僅經過一級DC-DC變換,電池放電至電量上網也僅僅經過一級DC-AC變換,系統效率顯著提升;直流母線電壓由儲能電池鉗位,系統穩定性提升;系統潮流控制簡化、差額功率由儲能電池自動補充,控制簡單方便;系統由直流母線連接光伏系統、儲能系統、供電系統,系統擴容簡單易行。

通過此次系統的改造和升級,一是損耗大大減少,系統儲能轉換效率將提高23%以上(到達85%以上),如2020年5月運行數據顯示該系統轉換效率達到84.88%。 二是項目運行更穩定、更可靠,沒有VF源系統,也不受限于后臺管理系統約束,改造后項目基本是自主運行,大大減少現場人員運維負擔。三是提高了發電量,從前五個月運行數據來看,預計2020年供電量會在100萬度以上,供電能力增長35%以上。

章旭敏告訴記者,在海島微電網項目建設中,還需要從項目規劃設計、項目施工、項目運維以及儲能系統設計規范、安全措施等方面做好標準規范工作,為未來海島經濟高質量發展做好更強有力支撐服務。

章旭敏認為,在規劃設計上,需要進一步研究海島光伏、儲能、用電負荷、柴油機組及其他新能源的容量配比模式;光伏組件安裝方式(角度及高度);光伏區的排水系統(梅雨季節時雨量較大,會造成水土流失,影響基礎設施穩定);場地選擇商,要盡量避開歷史臺風登陸點。

在施工過程中,海島的道路比較窄,大型的工程器械排不上用場。設備的裝卸、運輸、安裝,基本是靠三輪車輛(2到3噸左右)及人力。海島交通不便,腐蝕性強,現場管理人員技術水平有限,因此建議相關設備組件要模塊化,便于運輸和安裝。

章旭敏指出,要注意設備材料防腐工作。由于海島濕度大、鹽分高、腐蝕性強。尤其是暴露在空氣中的設備,如光伏組件、升壓變、光伏支架、環境檢測儀、匯流箱、供電設備、電池支架、蓄電池接觸端都要做好充分的防腐措施,因此建議相關設備盡量都安裝在室內環境中。

受臺風影響損壞的光伏組件

在安全措施方面要高度重視防臺風。海島有臺風季節性,光伏組件的安裝角度不易過高,同時光伏場地四周要設擋風墻,場區內不能有尖銳的異物(防止被風刮起砸壞組件)。

章旭敏進一步指出,在項目日常運維方面,要注意光伏區雜草、高壓線路檢查、設備檢查、線路維修、通訊線路維修(光纖)等,以免影響項目發電效率和正常運行。

北麂島現有500kW柴油發電機兩臺和200 kW柴油發電機兩臺,500kW柴油發電機用于正常發電,200 kW柴油發電機作為備用,對全島居民供電。隨著島上旅游業的發展,負荷也會逐漸增加。朗呈公司正在謀劃進一步增加儲能系統配置滿足日益增長的用電需求。

章旭敏指出,日前改造后投入使用的北麂島光伏離網發電系統工程,讓3500多名島民正式告別了以柴油機發電為主的供電模式,為發展“生態友好型”海島微電網工程提供借鑒與參考。

記者觀察:

海島是陸地國土和海洋國土的結合部,它兼備豐富的海、陸資源,在海洋經濟和沿海經濟發展中具有重要的作用。據不完全統計(臺灣省、香港和澳門所屬島嶼暫未列入),中國共有面積大于500平米的島嶼5000多個,約占全國陸地總面積的 0.8%,其中,有人居住的島嶼400 多個。中國海島分布很不均勻,東海島嶼最多,約占全國島嶼總數的58%;南海次之,約占28%;黃海、渤海最少,約占14%。

海島及周邊海域以其岸線、土地、景觀、養殖、礦產以及油氣、風能、潮汐能等資源成為經濟發展不可或缺的重要資源,作為海洋的

“橋頭堡”,在海洋經濟發展中占據重要的地位。但是,從總體上看,海島分散,面積小,基礎設施落后等原因,致使海島經濟的總體水平不高。

瑞安市北麂島1.274MWp交直流混合微電網項目(光伏電站部分)

海島由于受海洋性氣候的影響,風光的波動性、隨機性和間歇性使新能源發電具有強不確定性,準確預測風光發電難度較大;同時,海島負荷由于長期受供電能力的影響,負荷壓制較大,難以準確了解真實負荷情況。受海島地形、可用資源及環境保護的影響,可安裝光伏或風電的資源受影響較大,甚至可能因風機噪音或光污染導致無法安裝所需的新能源容量(文獻2)。

針對不同自然條件的海島合理布局不同電源,構建由不同功能類型的微電網組成的總體架構,提高微電網間的功率互濟性,并降低源荷不確定性對弱聯網或獨立型微電網的影響(文獻3),從而合理、有序、規范地利用好海島資源,挖掘海島經濟價值,保證其可靠的能量供給對我國發展海洋事業、捍衛國家權益具有重大戰略意義。

參考文獻1、2、3:基于100%綠色能源供電目標的海島微電網群容量優化配置,《中國電機工程學報》網絡首發論文,作者:趙波、李得民、吳在軍、張雪松、汪湘晉、唐雅潔

關鍵字:海島微電網示范工程

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