1、1某驻地海岛型微电网项目典型案例初设方案(风、光、柴、储)2目 录一、 项目背景 - 1 -二、 整体建设方案 - 2 -2.1 光伏发电系统 - 4 -2.1.1 组件倾角设计 - 4 -2.1.2 太阳能电池阵列设计 - 4 -2.1.3 太阳能光伏方阵直流防雷汇流箱设计 - 6 -2.1.4 直流配电柜设计 - 7 -2.1.5 太阳能光伏并网逆变器的选择 - 8 -2.1.6 光伏系统防雷接地装置 - 10 -2.1.7 光伏施工组织设计 - 11 -2.2 风力发电系统 - 12 -2.2.1 风力发电系统描述 - 12 -2.2.2 风机主体选型 - 13 -2.2.3 风机技术参
2、数表 - 14 -2.2.4 风机逆变器技术设计 - 15 -2.2.5 风机控制器功能设计 - 16 -2.2.6 风机防雷设计 - 19 -2.2.7 地面风机的安装选型 .- 19 -2.3 柴油机供电系统 - 22 -2.3.1 柴油机的基本参数 .- 22 -2.3.2 柴油机的基本参数 - 22 -2.4 储能系统 - 23 -2.4.1 储能系统总体描述 .- 23 -2.4.2 100kW 双向智能控制成套装置 (PCS) .- 27 -2.4.3 储能监控 - 33 -2.5 微电网控制管理中心 - 34 -2.5.1 微电网控制管理中心系统概述 .- 34 - 1 -一、
3、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，
4、南临广阔的南海，地处热带，位于东经1083711105，北纬18102010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
5、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。- 2 -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： 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； 沿驻地周围一侧布置安装具有微风启动、
6、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； 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； 该项目配置 100kW PCS，600kWh 磷酸铁锂储能系统接入海岛型- 3 -微电网系统； 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
7、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： 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； 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； 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，
8、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。- 4 -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
9、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- 5 -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 2-1 DSPV800-200WP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
10、462长*宽*厚 mm 1581*809*402) 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：450Vdc820Vdc，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 ：SNNs=600/37.80.516。单列串联功率 ：PP=16200Wp=3200 Wp。单台 50kW 逆变器需要配置太阳能电池组件单列并联的数量 ：NpNs=50000/320016。太阳能光伏电伏阵列单元设计为 17 列支路并联，共计
11、 256 块太阳能50pkW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光伏电池组件阵列间距设计- 6 -为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于 :D)sin39.0cos648.0(arsin7THD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 H点与后排组件最低位置的高度差）。根据上式计算，求得： mD1560实际工程应用时取光伏电池组件前后排阵列间距1.
12、56米。 具体光伏阵列示意图如图2-3所示。31621 5 7 9 0 . 531621 5 7 9 0 . 51 5 6 0图2-3 光伏组件间距设计参考 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 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。 采用屋顶或坡地安装结构，无需安装防护栏； 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
13、雷汇流箱具有以下特点：- 7 - 满足室外安装的使用要求； 同时可接入 6 路太阳电池串列，每路电流最大可达 10A； 接入最大光伏串列的开路电压值可达 DC900V； 熔断器的耐压值不小于 DC1000V； 每路光伏串列具有二极管防反保护功能； 配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能； 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
14、 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：- 8 -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 2-2 5
15、0kW 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 450Vdc820Vdc最大阵列输入电流 130AMPPT 精度 99额定交流输出功率 50kW总电流波形畸变率 0.99效率 96%允许电网电压范围（三相） 38010%允许电网频率范围 500.02 Hz夜间自耗电 0.99最大效率 94%欧洲效率 92%允许电网电压范围（单相） 180V260V AC(可设定)允许电网频率范围 4752Hz/5762Hz(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
16、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） 490385177mm重量 44kg2.2.5 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 ：- 17 -(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
17、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- 18 -ABC手动停机开关整流器电子卸荷负载 5 k w外部刹车信号风机图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
18、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
19、 动 接 入 卸 荷 负 载 以 保护 风 机 和 系 统 。 表 2-6 DMEC-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） 348 x 580x 248 mm重量 25kg- 19 -防水等级 IP20工作环境温度范围 -20C - 40C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
20、 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 4 。 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- 20 -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
21、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- 21 -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- 22 -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
22、；润滑油容量：11L;油耗：208g/kwh；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，具有极高的性能价格比；运行稳定性和可靠性高，抗冲击负荷强；体积小、重量轻、低噪音、维修简单、保养费用低；拥有高扭矩、低燃料消费、低振动的基本性能。- 23 -2.4 储能系统 2.4.1储能系统总体描述1) 设计原则 结合本项目的实际情况，储能系统的设计原则主要包括： 能够改善风能接入质量。 能够改善电能质量，任何单个负荷或分布式发电机的投入和退出均不能引起电压、频率波动。 在孤岛运行情况下能满足重要负荷持续供电约 80 个小时的供电。 能够存储光伏、风力发电机一天的发
23、电量。2) 储能系统规划设计 储能功率需求按能够在极度恶劣的天气条件下，10kW 负载不间断供电 72个小时计算。考虑负载用电的不均衡性，因此配备的储能容量为 600kWh。2套光伏太阳能按 100kW 计算，每天上午 9下午 5 点按平均 50%发电，同时考虑天气因素系数按照 0.7 计算，则平均每天的发电量为 100*8*0.5*0.7 = 280kWh，在不带任何负载的条件下，用 2 天半可以把完全放电状态下的储能系统充满，如果风速风向可以的话 2 天则可把其充满。充电站配电室储能系统选用 100kW/600kWh 电池储能装置，储能装置包括电池系统和双向控制装置、工频隔离变压器，输入侧
24、采用工频变压器实现电气隔离，降低了电池对地绝缘的要求，系统运行更加安全，同时也能更好的匹配电池组运行电压范围，同时可通过在隔离变压器低压侧通过并联设备来扩展容量。系统构成如图 2-17 所示。1 0 0 k W P C S6 0 0 k W h 储能图 2-17 储能系统示意图- 24 -储能系统用于实现电池与电网间能量双向交换，可工作在蓄电池充电模式和蓄电池能量回馈电网模式。可采用远程、本地等控制方式，设备具有存储分时段工作模式功能，当与后台管理系统出现故障时，设备可按照本地存储的分时段工作模式进行工作。网侧 AC/DC 功率变换单元采用全控三相高频 SPWM 整流（逆变）模块接入电网，该模
25、块可四象限运行，既可以从电网吸收有功，也可将电池能量回馈到电网。具有节能，输入功率因数高，电流谐波畸变率低等特点。为实现大容量应用，电池一般需要进行分组，因此储能装置需要同时提供多组电池的充放电管理，本方案 100kW 储能装置可同时提供 12 组蓄电池的充放电接口，各模块可独立运行，因此可支持电池组的在线更换，即在不影响其它组电池正常充放电工作的情况下，对其中某组的蓄电池进行更换，在停运某组运行的过程中还可实现并网功率的基本恒定。本方案采用多组并联运行，集中监控管理的运行模式。集中监控单元通过通讯接口与蓄电池组和 AC/DC 模块进行接口，可实现“遥测、遥信、遥控、遥调”等功能。A. 基本功
26、能 系统用于实现电池与电网间能量双向交换，可工作在蓄电池充电模式和蓄电池能量回馈电网模式。 各组电池的功率交换由集中监控协调控制，支持恒功率运行，其中任意一组进行更换电池过程中，可自动增加另外几组的功率交换，维持与系统交换功率的基本稳定。 可采用远程、本地等控制方式，设备具有存储分时段工作模式功能，当与后台管理系统出现故障时，设备可按照本地存储的分时段工作模式进行工作。 具有完善的保护系统，包括输入欠压、缺相检测、输出过压、输出过载、温度保护等必要的保护功能。 装置能满足 GB10236-88 规定的变流器抗电网干扰的要求。 系统注入电网的谐波应当得到有效地控制，满足国家相关标准。- 25 -
27、 装置需满足工程对电磁兼容性的要求。B. 保护功能系统既需要防止电网严重异常时对电池造成损害，同时也要防止系统故障时对电网系统造成影响，系统应具有至少以下保护功能： 低电压保护 过电压保护 缺相保护 低频率保护 过频率保护 过电流保护 器件异常保护 电池组异常工况保护 过温保护 具有完善的防雷功能C. 人机接口的显示和操作功能3) 蓄电组设计 充电站储能系统电池组部分由 1 个 600kWh 磷酸铁锂电池模块电池模块组成。选用 100kW PCS 单元实现电池的充放电控制。电池的循环寿命在 2000 次左右，每个电池包含有电池管理系统，每一个组串含有电池组串管理系统，整个电池系统包含一个电池监
28、控系统。各级电池管理系统采用 CAN 总线结构通讯，并配置以太网方式。- 26 -三 三 三 三 三 三三三三三三三三 三 三 三三 三B M S三 三 三 三三 三B M S三三三三三三9 三 三 三 三 三 三三 三 三 三 三三 三 三 三 三 三 三 三 三 三C A N 三 三 三 三C A N 三 三 三 三三 三 三 三三 三三 三 三 三三 三三 三 三 三三 三B M SB M S1 0 5 三 三 三 三 三 三1 0 5 三 三 三 三 三 三图 2-18 600kWh 磷酸铁锂电池柜工作示意图储能单元由 945 个 200Ah 单体电池，先 105 串组成一个电池簇，再
29、由9 个这样的电池簇并联组成，系统容量设计及验算如下：客户要求额定容量：Q=600KWh电池簇及串并联参数：单串电池数 S=105、并联数 P=1、电池簇数 C=10单体电芯容量：Ah=200Ah单体电芯额定电压值：Vi=3.2变流器直流输入电流范围为：300V380V电池串联后的工作电压范围：300V378V根据如上参数设定经计算可得：电池组配组后标称总容量：Q1=CSPViAh=910513.2200/1000=604.8kWh由以上分析计算可知，在考虑了配组冗余可靠系数及成组后的实际容量及结合实际运行转换效率后，电池组的实际运行容量为600kWh，同时电池串联后的电压范围 300V378
30、V满足 PCS 直流侧输入电压范围 300V380V 要求。600kWh 微网储能单元含- 27 -1365 节 200Ah 储能电池及配套的 BMS、电池柜体。要保证电池系统的正常工作，需要保证以下基本条件：电池系统需要安装在室内，防止雨淋或暴晒；环境温度控制在-5-40 度；电池柜上部以及前后需要保留至少 400mm 的通风空间；要保持室内干燥及清洁。图 2-19 600kWh 磷酸铁锂电池架占地面积约 20 平方米，总重量约 6000kg。2.4.2 100kW双向智能控制成套装置(PCS) 充电站配电室双向智能控制成套装置(PCS)由一套构成，屏体采用宽深高=800mm600mm226
31、0mm 标准屏体，前面板设置有人机接口单元、操作按钮等。单屏重量 1800kG。主要引用标准如下表：表 2-7 双向智能控制成套装置引用标准GB/T 3859.1-1993 半导体变流器基本要求的规定GB/T 17478-2004 低压直流电源设备的性能特性JB/T 8456-1996 低压直流成套开关设备DL/T 856-2004 电力用直流电源监控装置DL/T 5044-2004 电力工程直流系统设计技术规程- 28 -DL/T 857 -2004 发电厂、变电所蓄电池用整流逆变设备技术条件GB 10236-1988 半导体电力变流器与电网互相干扰及其防护方法导则GB/T 17626.2-
32、1998 电磁兼容试验和测量技术 静电放电抗扰度试验GB/T 17626.12-1998 电磁兼容试验和测量技术 振荡波抗扰度试验DL/T 459-2000 电力系统直流电源柜订货技术条件DL/T 5120-2000 小型电力工程直流系统设计规程DL/T 781-2001 电力用高频开关整流模块GB/T 7260-2003 不间断电源设备GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波GB 50171-92 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范DL 724-2000 电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程P C S 双向智能控制装置1 5 0 0图 2-20 双向智能控制成套装置屏柜体布置图 1) 双向智能控制成套装置设计 A. PCS 功率回路设计本方案中 PCS 的功率回路由两套 AC/DC 模块组成，AC/DC 模块采用三相高频 SPWM 整流（逆变）电路，主功率回路由三相逆变桥、驱动电路、直流电容、电抗器、控制电路等组成。如图 2-21 所示，装置交流输入设置有软启动电路，装置启动前，首先通过软启动电阻对直流侧充电，当电压建立后再闭合主接触器，随后装置并网运行。AC/DC 模块可四象限运行，当电池充电时，将网侧交流电整流成直流电给蓄电池充电，当电池放电时，则将直流电逆变成交流回馈到电网。
