海南三沙智能微电网设计方案

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

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3587.6 MJ /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。https://www.360docs.net/doc/802037705.html,/news/detail.asp?serial=79076

2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”，2012.9.19

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。

2.3.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

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

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

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

小风机的最大优点是价格低廉，但是其缺点也十分明显，就是功率范围大，因此需要设置较大的安全裕量，造成了一定的装置容量闲置。如果将小风机接入具有储能环节的直流系统，便可利用系统容量在紧急情况（强风）时对风机有效刹车，从而保证系统安全运行。建议风、光按1：3配备。英伟力已经开发出了专用于小风机的600W、

1500W 系列的高效升压、逆变产品，效率达到94%，防护等级达到IP65。

(3) 的1/5～1/3 DC Bus

英伟力提出了“强源弱耦合”的创新理念，能同时满足提供高瞬时功率以及避免储能设备过度放电的要求，下面以路灯为例进行说明。对于一般市政使用的交流供电路灯系统，需要铺设满足整个支路上所有负载容量的电缆，成本相对很高。而某些已建成的光伏路灯示范项目，每个光伏路灯独立运行，蓄电池承受着较大的充放电冲击，

因此蓄电池寿命成为瓶颈，大多不能长时间稳定运行。

在此基础上，我们的方案是利用现有的线缆，将多个具有48V蓄电池的路灯节点（储能层）以400V直流母线（传输层）连接起来，瞬时功率以本节点为主，其它节点提供平衡功率，这样既能解决个体蓄电池的过度充放电问题，同时也可以利用PLCC 通讯解决了系统的智能控制问题。

每个路灯节点安装一个小风机（600W），两块太阳能电池板（共600W），一组蓄电池（2kWh），每个路灯节点的蓄电池通过48V到400V双向高效DC-DC变换后以普通交流电缆相连，并且每隔100～200m放置一组充电桩，将剩余电力出售给电瓶车和电动自行车。充电桩系统配备20kWh蓄电池，接口同时设计为整个直流路灯系统信息节点，接入以太网，将直流微网信息上传至互联网数据中心。可以将该交流节点进一步设计为系统维护中心，负责对系统进行维护、保养蓄电池、更换灯具等等。

该系统的特点是可以提供、吸收极大的瞬时功率，蓄电池之间相连的普通电缆可以提供相对较小的平衡功率及电力载波通讯，我们可以称之为“弱网强源”。比如如果利用现有的100kW级别的电缆，可以构造出瞬时功率达MW级的直流微网系统。作为智能电网框架下的直流微网，该系统不仅提供了照明服务，还具备了新能源并网、

图4 “产销一体”微网系统

(5)基于产（发电）销（用电）分离结构的微网系统

英伟力提出了通过直流母线将高效直-直变换器与高效直-交变换器分离的方案，下面以办公楼屋顶为例进行说明。单条发电支路由10块300W的电池板（共3kW）、或者5台600W的小风机（共3kW）组成。发电系统的直流母线为400V，各个分布式电源都

400V节点匹配了30kWh容量的蓄电池组，蓄电池组通过降压DC-DC变换器与400V连接，降压至48V后接入四路反激脉冲变压器给蓄电池充电，实现系统的储能功能。系统的负载部分通过隔离的DC-DC变换器由DC400V变换成DC48V接入直流母线。每个

系统的直流母线和用电负载支路中都集成了具有窄带电力载波通信功能（PLCC）的电力路由器（P-Router），可以实现对各个分布式电源和用电设备的管控。

5.英伟力提出的直流微网的架构和关键技术

（

设备层的储能环节为48V蓄电池。

在产销一体的结构中，各种分布电源通过非隔离DC-DC变换与48V蓄电池相连；单个分布电源的功率等级小于1kW，主要负载为LED灯、办公设备和各种黑色家电等低压直流用电设备。

在产销分离的结构中，各种分布电源先升压至400V/600V直流母线，通过隔离DC-DC变换与48V蓄电池相连；单个分布电源的功率等级大于3kW。主要负载为较大白色家电，比如洗衣机、冰箱和空调，这些设备目前市场都有变频产品，可以归纳为直流用电设备。

为控制直流微网的潮流、保障系统稳定安全运行，设备层与传输层加入控制单元SeGate（节点内部有多个小功率发电、用电设备），或者提供SeGate功能接口（节点为单一较大功率发电、用电设备）。每户用电单位的各种用电设备，通过功率等级为3-10千瓦的SeGate接入直流微网，SeGate中集成了智能电表和直流断路器，具有双向计费及潮流控制功能。

（2）传输层

400V或600V直流电解电容母线，主要承担各个储能层之间及储能层与电网（应用层）之间的功率平衡。400V直流母线可由原220V交流电缆直接改造完成。用电设备直接接入传输层，发电设备（储能层）经双向隔离的DC-DC变换器（SeGate）与传输层相连，上行功率（储能层→传输层）一般小于下行功率。

SeGate在48V母线及400V母线各有一个PLC接口：PLC-S及PLC-T，共同起到信息路由的功能。储能层子网一般规模不大，可将其最大接入点设定为32或16，内部采用竞争式的MAC协议。考虑到PLC传输的可靠性，将传输层的数据网络进一步划分为小于32节点的子网，用具有LCF功能的pRouter将电力载波信号阻断。考虑到直流微网物理维度的实际情况，pRouter可设计为二端口及四端口路由。通过引入传输层的突破性概念，英伟力完成了从单纯的电力电子公司向新型的智能电网公司的转变。

（3）应用层

应用层是传输层与公共电网的接口，将220V交流市电通过PWM整流器与直流微网相连。在应用层中集成了多个30kW功率等级的可并联的TeGate，实现功率双向流动。应用层提供与公共电网的电力与通讯规约接口，除了满足公共电网按电气安全、电气指标外，按照价格杠杆机制参与公共电网潮流控制。

对于直流网内部，应用层则是潮流控制的主导者。潮流控制原则也分为强制型与价格杠杆型两种，而且由于内部采用虚拟无线的电力线载波通讯，潮流控制可以实时通过电力线通讯实施。考虑到微网的特殊性，允许系统管理员人工干预。

传输层通过TeGate与电网非隔离相连，传输层与设备层通过SeGate隔离相连。TeGate/SeGate都提供电力变换，以及都具有电力计量和潮流控制的功能。TeGate对于电网具有分布式电源（DC-AC）和负载（AC-DC）的双重功能。英伟力正在瞄准下一个转型目标，即由产品、设备供应商向系统方案提供者转变。

2）两类DC-DC变换器

由于蓄电池串联需要采用平衡控制，在实际应用中高压方案如果进行单体平衡十分繁琐，并且效果不佳。英伟力提出的直流微网架构中在储能环节采用48V低压方案，即储能环节为DC48V。

智能直流微网中的DC-DC变换器分为两类，一类做非隔离变换，将直流微网中的

各种分布式电源如太阳能电池板、小风机与48V蓄电池相连，可以接入小功率用电设备，如LED照明、办公设备、黑色家电（电视、音响、电脑等）；另一类做隔离变换，将中型发电设备(大于3kW)、用电设备（大于1kW）、储能设备与400V/600V母线电气隔离。电梯能量回馈器等装置也与400V/600V直流母线隔离相连。英伟力的非隔离的变换器的变换效率已达98%，隔离变器效率也达到96%以上。使用寿命大于15年、功

断路器的消弧难度要比交流断路器大些。如果考虑到系统的实际结构，微网DC380V 的断路器承受的电气应力反而要小。这和HVDC的直流断路器相比，电压等级和电应力有着本质区别：在HVDC中，系统的结构基本表现为端到端（peer to peer）形式，即全功率在两端点传输。直流微网中的低压断路器用于断开传输层与设备层，而传输

层中只有电容支撑，没有感性元件串入；设备层除了含有纯电阻设备之外还有DC-DC 变换器和变频设备，后面两种设备的输入端都有支撑电容。所以，只要合理设计传输层与设备层的接口电路，断开电路时由于电感引起的过压（拉弧）就可以被有效抑制。5）局域网技术

PLCC。射频RF

带PLCC

案应当选模块化的窄带PLCC

（双向）

图8 pRouter（窄带PLCC方案）

考虑到直流微网在物理上具有本质的“线型结构”，且微网拓扑一旦建立基本不会改变，故pRouter具有双向/四向路由即能满足绝大应用，且以双向为主。每个局域网具有两个路由出口，二者采用协商方式，得标者负责局域网管理，退让者成为备用路由。局域网内部协议以主从协议为主，民主协议为辅。

pRouter内设高频阻波器LCF, 对直流则为短路。pRouter收集局域子网内的信息，逐级中继至总站，接入互联网。图9是英伟力电厂监控系统SEDAS的典型界面。

图9 pRouter的收集每日发电量

6）互联网应用技术

在直流微网的数据采集与控制系统中，不仅有能量变换、交易业务，也有数据业务。需要与之相应的开发计费及付费系统。数据中心应该设计三种类型的服务器：面向远程微网的嵌入式数据报文处理服务器、面向历史数据的文件管理服务器、以及面向客户应用访问的应用服务器。

7）直流微网的总体运营策略

英伟力提出了基于输出电流源特性，通过价格杠杆和强制限幅双重机制调节母线电压的方案，其中由于多个电压源并联而引起环流问题可自然得到解决。TeGate与SeGate的传输层端的输出特性皆为电流源，电压仅作为电价杠杆和保护阈值双重功能而存在。对于DC380系统，可以设定两个电压区间：380～390V，360～400V。当母线电压Ubus<380V时，TeGate下行工作，微网内部价格杠杆上调，SeGate依据自身节点的发电、用电及储能情况决定用电还是售电。由于此时电价高，储能多的节点进入售电模式，支持母线电压上升。当Ubus>390V时，TeGate上行工作，微网内部价格杠杆下调，SeGate依据自身节点的发电、用电及储能情况决定用电还是售电。由于此时电价低，储能少的节点进入买电储能模式，支持母线电压下降。当Ubus<360V时，SeGate 禁止用电，各节点进入自给状态（孤岛）。当Ubus>400V时，TeGate禁止下行，SeGate 禁止上行。价格杠杆是个广义的概念，它也可以是节点内部的综合加权值。