海岛型微电网项目典型案例初设方案设计.docx

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海岛型微电网项目典型案例初设方案设计

某驻地海岛型

微电网项目典型案例初设方案

（风、光、柴、储）

一、项目背景

微电网是指将一定区域内分散的小型发电单元（分布式电源）、储能装置以及当地负荷组织起来形成的配用电系统。

它可以与常规电网并网运行，也可以独立运行。

孤岛微电网是指仅具备独立运行功能的微电网，例如对偏远地区或者海岛供电的微电网。

孤岛系统通常远离陆地并且岛屿面积也比较小，长期柴油运输和消耗费用制约了传统系统的发展；另一方面，由于一次能源日益枯竭和人类生存环境日益恶化世界各国都把开发新的可再生能源作为能源发展的方向。

孤立岛屿传统采用柴油机自给自足供电，近几年来发电量越来越难满足用户要求。

现以海南岛某驻地为项目实施地点，对海岛型微电网系统进行优化设计。

海南岛位于中国最南端，北隔琼州海峡与广东相望，南临广阔的南海，地处热带，位于东经108°37′—111°05′，北纬18°10′—20°10′之间，与美国夏威夷处在相近纬度。

海南是中国最具热带海洋气候特色的地方，全年暖热，雨量充沛，干湿季节明显，常风较大，热带风暴和台风频繁，气候资源多样。

海南岛年太阳总辐射量约110-140千卡/平方厘米，年日照时数为1750至2650小时，光照率为50-60%。

根据该岛的地形地貌和自然条件加之用电增长预测，不得不采用一种更为经济的发电方式。

而在众多可再生能源技术开发中潜力最大、最具开发价值的是风能和太阳能，它们是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源。

风-光-柴-蓄混合互补发电系统由风力发电单元、太阳能发电单元、蓄电池充放电单元和柴油发电机组成。

配置的主要目标是，满足孤立岛屿72h用电的同时要求发电效率高，系统运行成本低。

其优化配置思想就是从一系列混合电源配置方案中找出一种最为理想的配置，该配置能尽可能多地利用太阳能和风能，减少柴油机的运行，提高整个系统的发电量。

图1-1海南岛航空全景图

二、整体建设方案

海南岛海岛型微电网建设项目，设计负荷容量不小于10kWh，负荷类型为单相负荷和三相负荷混合用电接入。

按当地最小日照辐射量的日照时数，和年平均风速建设当地工程方案如下：

Ø结合驻地建设特点，利用屋顶和坡地建设发电峰值容量50kWp的光伏发电系统2套；

Ø沿驻地周围一侧布置安装具有微风启动、轻风发电特点的5kW小型风力发电系统6台，形成安装容量为30kW的小型风力发电系统，连同充电站屋顶光伏发电系统一起接入充电站供电网络；

Ø为保证系统连续供电的可靠性，配置30kW的电启动电子调节阀门柴油发电系统，作为冷后备电源，可一键启动也可在交流母线失电后自动启动；

Ø该项目配置100kWPCS，600kWh磷酸铁锂储能系统接入海岛型微电网系统；

Ø部署包含了二次测控保护、通讯与数据采集在内的设备和微电网集中管理系统，实现孤岛微电网供电网络的协调运行，最终建成一个包含风、光、柴、储、微一体的智能化供电系统，利用微电网的实时调度与控制实现整个系统的高效、安全运转。

在完全没有大电网接入的情况下，规划了风、光、柴、储一体的孤岛型微网系统的一次接线布置方案，如图2-1所示。

图2-1风光柴储一体化海岛型微电网电网一次系统设计展示图

由图2-1可以看出该系统的配置解析如下：

Ø分布能源（50kW光伏发电2套、600kWh储能1套、30kW柴油发电系统1套、15kW风力发电系统2套）通过三相并网设备接入交流母线；潮汐发电系统和海浪发电系统作为二期建设项目，其容量待定；

Ø单相负荷为洗衣机、空调、冰箱、照明等生活用设备，三相负荷有海水淡化系统等，日负荷平均用电量约为10kW；

Ø由于储能电池容量太大，所以风光柴的容量设计的远比用户实际负荷大，这样才能保证短时间内把储能系统充满，以应对海上的极端天气。

2.1光伏发电系统

该驻地规划2套光伏发电峰值容量为100kWp，根据现在光伏技术的发展情况，可采用单晶硅光伏组件，经三相逆变器直接接入380V母线。

2套50kWp光伏板总占地面积约1000平方米。

2.1.1组件倾角设计

为使光伏阵列最有效地接受太阳能辐射能量，确定光伏阵列安装的方位角和倾角非常重要。

图2-2以海口市为例的地区年度月辐射情况

上图为辐射量统计框图，根据当地太阳辐射量数据和当地经纬度，光伏组件的方位角取正南方向，由设计软件得倾角设计为15°。

2.1.2太阳能电池阵列设计

1）太阳能光伏组件选型

采用单晶硅光伏电池组件DSPV800-240WP。

太阳能光伏组件该光伏板在出厂时已经进行过防盐雾工艺处理，可适应内地及沿海地区使用。

其主要技术参数见表2-1，组件的安装尺寸见图2-3。

表2-1DSPV800-200WP太阳能电池组件性能参数表

组件参数

最大额定功率Wp

200

功率公差%

±3

最大功率时电压V

37.80

组件转化效率%

15.64

最大功率时电流A

5.30

开路电压温度系数%/℃

-0.35

开路电压V

45.80

功率温度系数%/℃

-0.45

短路电流A

5.68

短路电流温度系数%/℃

0.05

系统最大电压V

1000

标准组件发电条件℃

46±2

长*宽*厚mm

1581*809*40

2）太阳能光伏组件串并联方案

本方案采用DMPV-S7/50K3型号的并网逆变器，50kW并网逆变器的直流工作电压范围为：

450Vdc～820Vdc，为防止温度的变化导致直流输入电压的变化，一般取最佳直流电压工作点为电压范围的中间值考虑，以取最佳工作电压为600Vdc考虑。

太阳能光伏组件串联的组件数量

：

Ns=600/37.8±0.5≈16。

单列串联功率

：

P=16×200Wp=3200Wp。

单台50kW逆变器需要配置太阳能电池组件单列并联的数量

：

Ns=50000/3200≈16。

太阳能光伏电伏阵列单元设计为17列支路并联，共计256块太阳能电池组件，实际功率达到51.2kWp。

考虑光伏电池板的一致性，单支路光伏阵列的工作电压为600V,单支路光伏阵列的开路电压为732.8V。

从逆变器的输入范围和整个回路的绝缘水平来说，器件的选型和计算符合工程实际要求。

3）太阳能光伏阵列的布置

Ø光伏电池组件阵列间距设计

为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于

:

式中

为当地地理纬度（在北半球为正，南半球为负），

为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差）。

根据上式计算，求得：

实际工程应用时取光伏电池组件前后排阵列间距1.56米。

具体光伏阵列示意图如图2-3所示。

图2-3光伏组件间距设计参考

Ø总占地面积计算

太阳能50Wp光发电场由16组并列太阳能光伏阵列构成，前后排阵列间距1.56米。

占地面积约530平方米。

4）土建设计

Ø方阵支架基础考虑顶棚的结构强度和防腐蚀性，采用全钢架结构设计，钢架结构全部采用冷镀锌处理钢材。

Ø采用屋顶或坡地安装结构，无需安装防护栏；

Ø工程实施时，考虑安装防直接雷的措施，安装接闪器，接闪器的设计方法采用滚球半径法。

2.1.3太阳能光伏方阵直流防雷汇流箱设计

如图2-4所示，光伏阵列防雷汇流箱具有以下特点：

Ø满足室外安装的使用要求；

Ø同时可接入6路太阳电池串列，每路电流最大可达10A；

Ø接入最大光伏串列的开路电压值可达DC900V；

Ø熔断器的耐压值不小于DC1000V；

Ø每路光伏串列具有二极管防反保护功能；

Ø配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能；

Ø采用正负极分别串联的四极断路器提高直流耐压值，可承受的直流电压值不小于DC1000V。

图2-4光伏阵列防雷汇流箱

按照每6个太阳电池串列单元需要配置1台光伏方阵防雷汇流箱，50kW并网逆变器需配置3个汇流箱。

实际应用时，可考虑防雷汇流箱按4个支路输入进行设计，因此工程应用配备4个直流汇流箱即可。

2.1.4直流配电柜设计

每台直流配电柜按照50kWp的直流配电单元进行设计。

每个直流配电单元可按接入6路光伏方阵防雷汇流箱设计，每台直流配电柜分别接入1台50kW逆变器，如下图所示：

图2-5光伏阵列直流配电柜

实际应用时，直流配电柜可按接入4个直流汇流箱考虑。

2.1.5太阳能光伏并网逆变器的选择

此太阳能光伏并网发电系统设计为50kWp的光伏并网发电单元，并网发电单元需要1台容量为50kW的光伏并网逆变器。

选用性能可靠、效率高、可进行多机并联的逆变设备，本方案选用额定容量为50kW的逆变器，主要技术参数列于下表：

表2-250kW并网逆变器性能参数表

容量

50kW

隔离方式

工频变压器

最大太阳电池阵列功率

55kWp

最大阵列开路电压

880Vdc

太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围

450Vdc～820Vdc

最大阵列输入电流

130A

MPPT精度

>99％

额定交流输出功率

50kW

总电流波形畸变率

<2%（额定功率时）

功率因数

>0.99

效率

96%

允许电网电压范围（三相）

380±10%

允许电网频率范围

50±0.02Hz

夜间自耗电

<30

保护功能

极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护、欠压及过压保护等

通讯接口（选配）

RS485或以太网

使用环境温度

－25℃～＋55℃

使用环境湿度

0～95%,不结露

尺寸（深×宽×高）mm

600*720*1085

噪音

≤50dB

防护等级

IP20（室内）

电网监控

按照UL1741标准

电磁兼容性

EN50081,part1；EN50082,part1

电网干扰

EN61000-3-4

性能特点

选用光伏并网逆变器采用32位专用DSP控制芯片，主电路采用先进的智能功率IPM模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。

该并网逆变器的主要技术性能特点如下：

Ø采用32位DSP芯片进行控制；

Ø采用智能功率模块（IPM）；

Ø太阳电池组件最大功率跟踪技术（MPPT）；

Ø50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔离；

Ø具有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关，紧急停机操作开关。

Ø有先进的孤岛效应检测方案；

Ø有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能；

Ø直流输入电压范围（450V～820V），整机效率高达95%以上；

Ø人性化的LCD液晶界面，通过按键操作，液晶显示屏（LCD），可清晰显示实时各项运行数据，实时故障数据，历史故障数据（大于50条），总发电量数据，历史发电量（按月、按年查询）数据。

Ø逆变器支持按照群控模式运行，并具有完善的监控功能；

Ø可提供包括RS485或Ethernet（以太网）远程通讯接口。

其中RS485遵循Modbus通讯协议；Ethernet（以太网）接口支持TCP/IP协议，支持动态（DHCP）或静态获取IP地址；

Ø逆变器具有CE认证资质部门出具的CE安全证书。

电路结构

50kW并网逆变器主电路的拓扑结构如图3-8所示，并网逆变电源通过三相全桥变换器，将光伏阵列的直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。

为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧加入了先进的MPPT算法。

图2-6逆变器主电路结构

2.1.6光伏系统防雷接地装置

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。

⏹接地线

接地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择接地扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。

⏹直流侧防雷措施

电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。

⏹交流侧防雷措施

每台逆变器的交流输出经交流防雷柜（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。

⏹防直接雷

整个系统应具有防直接雷的措施，原则上一般安装外部接闪器作为防直接雷的首选设备。

该设备防止外部雷击直接击坏相关设备。

2.1.7光伏施工组织设计

（1）施工条件

拟建的50kWP太阳能光伏并网发电系统位于屋顶或坡地，工程施工地势开阔为良好的施工场地。

本工程推荐方案计划安装太阳能光伏组件256块，总装机容量51.2kWp。

基本布置为1个光伏阵列，施工特点为单体光伏阵列分散进行。

（2）工程占地

本期工程占地为国有岛屿建设用地，无需额外征用土地。

（3）主体工程施工

主体工程为光伏阵列基础施工。

施工需架设模板、绑扎钢筋并浇筑混凝土，混凝土在施工中经常测量，以保证整体阵列的水平、间距精度。

施工结束后混凝土表面必须立即遮盖并洒水养护，防止表面出现开裂。

一般情况尽量避免冬季施工。

施工过程中，待混凝土强度达到28天龄期以上方可进行安装。

（4）太阳能光伏阵列安装

Ø施工准备

安装支架运至相应的阵列基础位置，太阳能光伏组件运至相应的基础位置。

Ø阵列支架安装

支架分为基础底梁、立柱、加强支撑、斜立柱。

支架按照安装图纸要求，采用镀锌螺栓连接。

安装完成整体调整支架水平后紧固螺栓。

Ø太阳能电池组件安装

细心打开组件包装，禁止单片组件叠摞，轻拿轻放防止表面划伤，用螺栓紧固至支架上后调整水平，拧紧螺栓。

（7）施工总体进度

依据项目实施计划，从项目开始实施之日起，3个月左右工程实施完毕，并并网发电。

2.2风力发电系统

2.2.1风力发电系统描述

根据整体规划，在该驻地安排总容量为30kW的风机。

海口年平均风速为2.23m/s（全年数据参见表2-3。

由于该驻地靠近沿海，周围无任何遮挡物，因此风速会略高于西安平均风速。

平均风速以3.0m/s计，3.0~20.0m/s有效风能利用小时数在2700小时以上。

表2-3海口全年平均风速统计表（国际通用卫星数据库得到以下气象信息）

月份

风速

大气压力

月平均温度

（米/秒）

（KPa）

（℃）

一月

2.2

101.49

18.2

二月

2.4

101.32

19.1

三月

2.5

101.04

21.9

四月

2.5

100.71

25.5

五月

2.2

100.4

27.7

六月

2.2

100.08

28.8

七月

2.3

100.05

29

八月

2

100.06

28.5

九月

1.9

100.45

27.5

十月

2.2

100.95

25.9

十一月

2.2

101.3

23

十二月

2.2

101.56

19.5

年平均

2.23

100.78

24.55

可选择启动风速为2.5m/s的5kW小型风力发电机组，安装数量6台，安装位置设置驻地周围向风处。

小型并网风力发电机系统由风力机、发电机、并网控制器、并网逆变器、隔离变压器组成。

并网控制器由斩波器和泄荷负载组成，起整流和保护作用，并网逆变器将直流变换成交流输出，并经隔离变压器上网。

图2-7小型并网风力发电系统构成

2.2.2风机主体选型

风力机的风轮把风能转化为机械能，风力机的尾翼作为调向机构实现风轮旋转面垂直于风向。

机械能驱动永磁式交流发电机产生交流电。

并网控制器起整流和保护作用，把不规则的交流电变成直流电。

并网逆变器再将直流电逆变成交流电输出后并入电网。

桨叶选型

优选高升阻比翼型，兼顾宽尖速比和降噪进行气动优化设计，经装机运行试验和检测，气动效率高于0.4，噪音低于65db。

采用兆瓦级风力机桨叶专用的胶衣树脂和增强玻璃纤维制品制作的桨叶，结构强度高，能保证在高转速下安全运行。

发电机选型

采用强磁材料，优级轴承，F级绝缘IP54防护，按免维护技术设计，保证使用寿命30000小时以上，寿命期内无需解体保养。

风轮选型

采用机械离心变桨距机构，风轮不旋转时，桨叶处于易于起动的角度，风速高于3m/s，风轮即转动；4~11m/s风速下，风轮旋转桨叶受离心锤作用，其角度随转速变化，跟踪在利于加速的高升阻比状态，风轮保持高效率平稳运行；当风速继续增大，风轮转速提高，桨叶在离心锤的作用下，向负角度转变，迫使风轮恢复并维持在额定转速附近运行，最高转速不超过360r/min。

塔体选型

此类塔体采用多棱形锥度结构，选用优质钢材制作而成，具备牢固地抗大风能力；外表进行热镀锌防腐工艺处理，外观简洁、美观；占地面积小等特点。

防腐处理

所有外露机件均采取了长效防腐蚀表面处理，保证风力机在露天使用不锈蚀。

2.2.3风机技术参数表

表2-4风机技术参数表

技术参数表

额定功率（W）

5000

叶片材料

增强玻璃钢

额定风速m/s）

9

限速方式

离心变桨限速

启动风速m/s）

3

发电机型式

永磁三相交流发电机

工作风速（m/s）

3～25

塔架高度（m）

4~8

安全风速（m/s）

50

停车方式

后掠变桨

额定转速（r/min）

360

主机重量（kg）

约130

风轮直径（m）

4

拉索塔杆重量（kg）

100

工作电压（v）

DC48V/240/AC220V

工作环境（°C）

-40—85

年发电量（KWH）

2000/6000

绝缘等级

F

2.2.4风机逆变器技术设计

逆变器控制功能主要是把通过风机控制器整流的的直流电通过单相全桥电路进行逆变，将输入的直流电压变换为高频的斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过变压器隔离升压后电流馈入电网（如图2-8）。

为了使风力发电机以最大功率发电，逆变器使用了先进的MPPT算法。

图2-8并网逆变器原理结构示意图

端子定义：

RS485：

RS485A/B通讯线通过RS485/RS232转换器和PC机相连。

DC+：

直流输入正极端子,最多允许两路接入。

DC-：

直流输入负极端子，最多允许两路接入。

ACOUTPUT：

交流输出L、N和接地端子

待机在运行后，如果直流侧电流过小（近似于0A）并保持3分钟后，逆变器从运行转为待机状态，停止工作。

在待机模式下逆变器不断检测小风机控制器是否有足够的能量并网发电，当直流电压在20V-40V之间时，逆变器从待机模式转入运行模式。

运行在此模式下，逆变器将控制器输出的直流电变换为交流电并入电网。

同时在此模式下逆变电源一直以最大功率点跟踪（MPPT）方式使小风机输出的能量最大，故并网发电模式一般也称MPPT模式。

故障当小风机发电系统出现故障时，逆变电源会停止工作，将交流侧的接触器立即断开。

系统此时持续监测故障是否消除，如果故障未消除，则保持故障状态；如果故障消除，5分钟以后重新并网发电。

表2-5DMIV-W6/5K特性参数

连续过载能力

110%

瞬时过载能力

130%，20秒

输入直流电压范围

230~400V

并网启动电压（VDC）

180V

额定功率电压点（VDC）

240V

额定交流输出功率

5KW

总电流波形畸变率

<3%

功率因数

>0.99

最大效率

94%

欧洲效率

92%

允许电网电压范围（单相）

180V~260VAC（可设定）

允许电网频率范围

47~52Hz/57~62Hz（可设定）

交流电网接入方法

直插式端子

夜间自耗电

<10W

噪音

<40dB

防护等级

IP65

冷却

自然冷却

通讯接口

RS485/Ethemet

使用环境温度

-20℃~+40℃

尺寸（宽X高X深）

490×385×177mm

重量

44kg

2.2.5风机控制器功能设计

选用DMEC-5kW型风机并网控制器，其原理如图2-9所示，基本结构如图2-10所示，主要有三个功能：

（1）将风机输出的单相交流电整流为直流供后级逆变器输入；

（2）当风机输出功率过大时，根据内部控制信号，接入功率连续可调（最大5.5kW）的卸荷负载，消耗多余能量，在不停机的情况下保护系统。

（3）当紧急情况发生或维修等其他用户需要的时候，手动闭合刹车开关，风机单相输出短路使得风机停机，保护整个系统。

图2-9风机并网控制器原理图

图2-10电子负载控制箱原理结构示意图

当直流电压超过380V且小于450V时或者输出功率超过5kW时，系统将输出卸荷负载控制信号，卸荷负载控制信号共有两级，首先输出1级刹车信号，当输出1级刹车信号五分钟后，输出2级刹车信号，可以根据需要选择使用一级或两级刹车信号，此信号为干结点信号，驱动能力220VAC/1A.。

卸荷负载的接入为与输出功率相对应的反时限保护，即输出功率越高，所需的接入卸荷负载的保持时间越短。

系统发生故障时，也将自动接入卸荷负载以保护风机和系统。

表2-6DMEC-5K技术参数

型号

DMEC-5K

三相交流输入电压范围（线电压）

0V-550V

直流输出电压范围

0V-780V

卸荷负载最大功率

5kW

卸荷负载工作方式

功率连续可调（0-5kW）

尺寸（宽×高×深）

348x580x248mm

重量

25kg

防水等级

IP20

工作环境温度范围

-20°C-40°C

散热方式

风扇散热

2.2.6风机防雷设计

为了运行安全，风机做防雷保护措施。

风机机仓和杆塔均是金属质地，且和电机及线缆间有良好的绝缘。

风机采用主体安装防雷针，通过接地线引入接地网，按目前风机防雷标准，防雷接地电阻要求小于4Ω。

并网逆变器侧也加装防雷接线盒。

图2-11风机防雷保护效果示意图

2.2.7地面风机的安装选型

根据不同的风机安装环境，方案将选取合理的风机塔杆，风机塔杆的类型主要有以下5种：

（1）独立塔杆

图2-12独立塔杆示意图

独立杆塔特点：

多棱钢管塔杆，特殊防腐，外形美观，牢固，安装方便，占地面积小。

（2）杠杆式独立塔杆

图2-13杠杆式独立塔杆示意图

杠杆式塔杆特点：

特殊防腐，便于安装、维护是小型风力机塔杆的首选，适用于高度在七米以下的塔杆。

（3）桁架式塔杆

图2-14桁架式塔杆示意图

桁架式塔杆特点：

能拆卸、便于运输、安装，特别适合于交通运输极为不便的地区或岩石土质的地区。

（4）拉索塔杆

图2-15拉索塔杆示意图

拉索塔杆特点：

成本低，安装、运输方便，特殊防腐，适合渔船、屋顶等地方安装使用。

（5）液压塔杆

2-16液压塔杆示意图

液压塔杆特点：

成本低，安装、运输方便。

相对轻巧，便于楼顶搬运及安装。

2.3柴油机供电系统

2.3.1柴油机的基本参数

输出功率：

30kW/37VA；

电流：

54A;

缸数：

4缸；

排气量：

3.9L；

润滑油容量：

11L;

油耗：

208g/kw·h；

机组重量800kg。

2.3.2柴油机的基本参数

操作简便、设计小巧、结构紧凑，具有极