微电网电气系统项目立项报告书

微电网电气系统项目立项报告书中船重工（武汉）凌久电气有限公司2013年04月02日14一、立项背景1.1 孤岛型微电网需求迫切近年来随着我国经济的不断发展以及海洋权益维护局势的日益严峻以及西北偏远地区经济发展迅猛，引起了全社会的的高度关注，岛屿的战略价值和经济价值都非常高，而很多西北内陆也是国家经济、旅游事业的发展重点。由于这些待开发的区域地处偏远，大电网无法延伸至此，通常使用柴油发电作为主要能源，甚至是唯一提供电力的能源，这种供电方式，需要持续性地提供柴油补给，不仅用电成本高，而且柴油的补给受到地理、气候、成本以及技术等多方面原因的影响。因此，有效开发利用可再生能源，为偏远地域提供可靠、高效、可持续供应的清洁能源将关系到未来区域经济、资源的开发与发展。因此，为增强在新能源领域的影响力，拓展微电网领域的经济布局，重庆海装风电设备有限公司（以下简称海装风电）结合自身在风电行业的发展特点，充分利用其在西北地区的市场资源以及集团公司在海军市场的独特优势，正在积极进入孤岛型微电网供电系统项目的市场，以谋求在该领域发展初期就能取得良好开局，为今后新能源的微电网系统项目的发展打下坚实基础。1.2 孤岛型微网控制与配电系统研发的必要性根据我国军事、经济等战略需求，关于孤岛型微电网，海装风电提出一种以风能为主、柴油为辅的孤岛式发电系统，风力发电与柴油发电机组属于不同形式的能源，其发电原理及输电、配电设计上存在一定差异，因此，该系统则需要对微电网供电系统重新规划、设计，研制出一个稳定的、健壮的、最大利用风能的微电网供电系统。当前海装风电已与敦煌雅丹国家地质公园达成协议，进行孤岛型微电网供电系统的项目开发合作。我公司是海装风电股东单位，与海装风电技术合作已有8年，主要为重庆海装提供风电控制系统。此次海装风电进入孤岛型微电网项目也为我们进入该领域的控制与配电迎来了一个良好的发展契机。根据市场咨询公司M&M发布的一份报告，全球未来10年在微电网系统的年增长率预计12%，主要分区域有：北美、欧洲、亚太地区及其他。亚太地区将是增长最快的市场，中国、印度将领导亚太地区。目前并网型微网占据了很大的市场份额，但接下来离网以及混合微网将成长迅速，逐渐取代并网型微网的地位，其中离网型（孤岛型）将占据主要地位。作为能源领域增长如此强劲的市场，我们应积极联合海装风电，发挥我公司在电气与控制的技术优势，推进与其在微电网项目中的合作， 为我们进入微电控制与配电领域迈出重要的战略步伐。1.3 立项申请综上所述，为了向海岛及偏远地区提供稳定、安全、可靠的发电、输电与配电网络，也为了我公司能在迅速发展的微电网市场中占有一席之地，有必要联合海装风电，研究以风能为主柴油为辅的孤岛型微电网供电系统。在此，我们提出孤岛离网微电网供电系统科研项目申请，依托重庆海装风电设备有限公司，通过本项目实施，对在海岛上或远离大电网的偏远内陆地区建立微电网供电系统的主要关键技术和难点展开研究，从而为我国能源保障、资源利用等提供有利条件保障，也为我公司积累新技术、开拓新市场打下必要的基础。二、微电网国内外研究现状在远离主干电网的区域，不具备并入主干电网的条件，因此其供电系统主要以微电网的形式存在。早在20世纪80到90年代，欧洲与北美国家曾开展过以风柴互补微电网的研究，但都未能成功。2000年之后，随着技术的进步，加上环境和经济发展压力日渐增大，可再生能源微电网的研究又重新开展起来。当前处于研究或工程应用的可再生能源微电网主要有两类，一类是可在并网/离网模式之间切换的双模式微网，一类是只具有离网模式（或称孤岛模式）的微电网。在双模式微电网中，当可再生能源发电量不足时，可切换至与并网状态， 由主干电网提供稳定电源，保证微电网的电能质量。大部分实验微电网和偏远乡村的微电网系统采用这种结构。如美国劳伦斯伯克利国家实验室建立的微电网实验系统，由燃气轮机、光伏发电、风电和储能电池构成200kW微电网系统，该系统允许3套独立系统同时运行，并且支持并入大电网。2011年在河北承德建设了由60kW风电、50kW光伏和80kW/128kWh储能构成的可再生能源供电系统，可工作在微网和并网两种状态。具备并网模式的微电网可在风能或太阳能出力不足时从主干电网中获得电能，其电能质量和控制难度都比只具有离网模式的微电网更有优势。但是远离大电网使用的微电网并不具备并网条件，只能工作在离网模式。离网模式的微电网负载容量小，而风电和光伏等可再生能源发电属于不可控能源，对电网稳定性和电能质量有很大考验。目前有少量研究和工程化试验。如2005年，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）在敦煌市雅丹景区建设了由100kW风电、100kW光伏发电和两组共2000Ah蓄电池组构成的微电网系统。该系统可运行在风光储发电模式或柴油发电模式下，当风力发电机、光伏电池和蓄电池组所提供的电能无法满足负载需求时，需要令电网断电之后接入柴油发电机组，负载仅由柴油发电机供电。这种控制模式不能充分利用可再生能源，并且在切换工作模式时需要断电，无法满足高品质的用电要求。2011年5月在浙江东福山建成的微电网系统，由210kW风力发电机组、100kW光伏电池组、两组共2000Ah蓄电池组成，微电网可以工作在储能变流器（PCS）模式或柴油机模式，两种模式之间不能够无缝切换。在PCS模式，由蓄电池作主电源，微电网系统由风能、光伏和蓄电池供电。当蓄电池电量低于控制线，系统切换至柴油发电机模式，由柴油发电机作主电源，同时向蓄电池充电。光伏发电跟随最大功率点向蓄电池充电。在此模式下风力发电机组不运行。但是在只有风电的微电网中，需要以风电作为主要能源供应，东福山岛微电网控制方式也不能充分发挥风能的作用。目前仅采用风能作为主要能源的离网式可再生能源微电网还不多见，也没有成熟的电网架构及控制技术能够满足微电网的稳定性要求并充分利用风能。因此有必要在此方面展开研究。当前微电网架构中，绝大部分都以交流母线输电系统为主，即各分部式能源产生的3相交流电直接并入大电网或组成微电网，例如美国Wisconsin大学的示范工程、Mad river市微电网示范工程、德国曼海姆孤岛电网工程、日本爱知县分布式能源供电系统以及我国的东福山岛、万山岛等微电网供电系统等。另一种微电网供电系统结构为集中直流母线系统结构，即各种分布式能源产生的电能集中汇入直流母线系统，再通过DC/AC转换产生3相交流供电，采用该系统结构的有敦煌雅丹地址公园的供电系统等。三、研究目标及主要内容3.1研究目标为了解决孤岛式供电问题，本项目拟对以风能为主的微电网供电系统展开研究，主要达到如下预期目标：1）完成当前项目。在海装深入海岛离网型微电网领域进程中，其计划以甘肃省敦煌市雅丹国家地址公园的微电网系统项目为示范工程，我公司正以此项目合作为切入点，完成海装风电承接的雅丹地质公园微电网项目的电气与控制系统。2）验证我们提出的直流微电网系统可行性。微电网平均负载功率300kW，电网的结构和控制逻辑设计满足最大化利用风能的要求，对敏感性负载能够保障不间断供电，电能质量符合国家推荐标准要求。3）为海上微网系统研制打基础当前主要以雅丹地质公园项目为示范工程，该微电网系统的硬件设备（主要包括电压源变流器、储能系统、柴油发电机组、能量管理系统集成设备）符合西北高寒、大风沙区域环境的应用要求。将来的应用主要针对海上高湿度、高盐雾环境下的使用条件，通过此项目为海上微电网应用打下基础。4）提升技术积累通过该项目，明确微电网的发电、输电、配电各环节的参数设计或选型，用以指导微电网系统的参数和布局设计，达到工程化应用的目的。3.2主要研究内容从该微网系统的市场容量来分析，中小型岛礁上将占据较大部分市场，岛礁具有面积小、高盐雾、台风、高湿度、补给难等特点，故该供电系统应具备紧凑、噪音小、防盐雾、抗台风、高可靠性的特点，而内陆地区相对较少，内陆地区的应用环境条件相对优越，因此，我们最终将以海岛型孤岛微电网为主要研究方向。目前基于内陆微电网供电系统作为基础，海岛微电网只需根据陆地微电网稍作防腐等方面的改进便可应用。孤岛型微电网供电系统的架构设计直接关系到电网电能质量及供电的可靠性。由于岛礁远离大电网，故其岛内微网供电的稳定性、电能质量、容错能力受到较大挑战，若架构设计及能量监控管理设计不合理，则容易导致脆弱的微电网崩溃，从而难以保证稳定的、健壮的、不间断的供电系统。此外，由于诸多岛礁面积有限且有人居住生活，设备的占地面积和噪音控制也是需要考虑的因素。根据初步分析，岛礁的要求，微网系统应具备结构紧凑、需不间断供电、容错能力强、维护少、防盐雾等特点，集中直流母线系统供电方式具备一定优势，故该研究课题主要方向为集中直流母线系统的供电方案，该方案较之传统的交流微电网方案不同，在保证供电稳定可靠前提下，针对海岛特点，没有使用光伏，最大化地使用风能，占地面积小，造价相对较低，电网波动小、容错能力强、具有风、柴、储三种能源互备供电方式，即提高了稳定性、可维护性，同时也提高了系统的使用寿命。该微电网供电系统的研究内容主要包括：A. 风电机组的功率调度及发电控制策略研究；B. 中央监控及能量管理系统设计。C. 风、柴、储互为备用实现不间断供电及无缝切换技术的研究；D. 具备并机运行的恒压源逆变器研制；E. 集中直流母线系统的配电设计；F. 储能系统的设计及控制策略研究；3.3 关键技术及主要创新点1） 特殊使用环境下的适应性技术及规范本项目将解决低温环境中的应用问题。设计中将采用低温型元器件，对无法满足低温运行的设备，通过加热的方式控制其运行状态。微电网系统将根据环境要求做相应的试验，以确保满足现场运行要求。2） 以风能为主联合发电模式技术应用针对当前现有的微电网实现方案大多以柴油发电作为主要能源，可再生能源为辅助能源的现状，本项目提出风柴储联合发电模式，实现以风能为主要能源的目的。通过对微电网系统架构（在第四点描述）的创新设计以及变流设备的控制优化和能量管理控制系统的合理设计，保障风柴储发电过程的平稳无缝切换。3） 冗余设计及重构技术的创新提出创新性的微电网结构冗余设计和重构控制方法。当微电网中部分电气设施或供电设备发生故障时，在紧急状态下主控系统自动进行微网结构的重构或能源重组，调用冗余资源，保障电网正常供电。同时，逆变器采用2+1的热备方式，当其中任意一台或两台逆变器出现故障停机，不影响整个交流电网的供电。4）系统架构的创新提出具有创新性的集中型直流母线微电网供电系统设计。通过该技术实现以风能为主要能源的微电网的平稳运行与安全保障。该系统架构中各变流设备均采用现有成熟技术，但在控制方式和调度策略上做相应调整，既能保证较小的技术风险，又能达到不同能源的无缝切换。5） 中央监控及能量管理技术提出一种基于风能预测的功率调度技术，以风功率预测结果为参考，进行行功率调度、负载管理，从而确保功率分配调节系统的稳定，并最大限度利用风能。深入研究该微网中的风功率及负荷变化曲线，得出能量管理及调度算法，并利用我公司在系统集成及监控技术的多年积累，在中央监控管理平台上实现该技术。6） 智能诊断与维护技术的创新考虑到将来市场岛礁的补给难、且常驻维护人员比较缺乏，设计一套智能在线诊断及维护系统，将大大提高现场设备的可靠性。通过在线诊断设备，对柴油发电机组、风力发电机组进行故障分析预判断，由中央监控系统根据诊断结果进行优化配置，提高系统运行寿命，减少系统维护风险。此外，当中央监控及能量管理系统出现通讯或其他故障时，通过分布式的站点管理实现该供电系统持续稳定发电，可在线维护中央监控系统或通讯系统。为实现智能诊断与维护技术，我们将对微电网系统中的各设备、检测及控制元件的寿命、特性做详细分析，在中央监控平台中实现最优的设备管理及调度，最大限度的保证系统的可靠性和可维护性。3.4 成果形式1） 微电网系统集成项目完成并发电运行。2）发表微电网论文或申请相关专利。3）力争在微电网国家标准制定中发挥作用。四、技术方案及路线4.1 该孤岛型微电网供电系统技术方案根据研究目标，雅丹地质公园及海岛风能电网应具备结构紧凑、不间断供电，少维护等特点。本研究拟提出一种基于集中集中型直流母线的系统的供电方案，该方案请参考以下系统图：该方案将风力发电机组输出的能量汇入集中型直流母线，储能蓄电池组通过平波电路并入集中型直流母线，柴油发电机组通过柴油机整流器与蓄电池相连，集中直流母线与交流母线之间通过逆变器连接，此外，在集中直流母线上设置制动单元以达到高压保护的目的。与传统的交流微电网方案相比，该直流微电网供电系统结构简单、设备集中、电网更健壮、容错能力强、具有风、柴、储三种能源互备供电方式，即提高了稳定性、可维护性，同时也提高了系统的使用寿命，且成本更低，特别适用于发电、输电、配电、用电相对集中的地区。从系统构成来讲，该项目我们要完成设计并采购的设备和系统主要内容有：1) 柴油发电机组出口端的整流器设计；2) 直流母线系统的配电及保护设计；3) 建立微电网的电压源逆变器设计；4) 中央监控及能量管理系统。该系统包括上位机监控及中央控制系统；5) 储能系统的设计（不属于我们采购）；6）制动单元及制动电阻。4.2 技术路线关键技术及系统方案的描述，孤岛型微电网供电系统包含了电力电子、变流技术、计算机、控制等技术，其中计算机、控制技术我们具备一定的技术积累，电力电子、变流技术并非我们所长。因此在研制过程中，我们将充分发挥我们的优势领域对系统架构设计、中央监控及能量管理系统、直流母线系统的配电及保护设计、风机控制算法、能量调度算法进行自行开发设计。柴油机整流器、电压源逆变器、制动单元及制动电阻将与其他成熟掌握该技术的厂商合作，采用购置和部分功能合作开发的方式完成该项目。储能系统的设计，将由我们根据变流设备特性和海装公司的需求完成最终设计。五、依托单位本项目的依托单位为“海装风电设备有限公司组建的国家海上风力发电工程技术研究中心”（即海装公司）。国家海上风力发电工程技术研究中心于2010年1月挂牌，由科技部委托中船重工(重庆)海装风电设备有限公司承建，中心主要从事海上风电机组研制、海上装备防腐、系统稳定以及安全控制等核心技术的研究，是国内唯一一家以海上风能开发及利用的研究为主的工程技术研究中心。工程技术中心成立之后，承担了科技部的科技支撑计划项目5.0MW 双馈式变速恒频近海风电机组整机设计、集成及示范和国际合作项目近海5.0MW 风电机组设计关键技术合作研究的工作。2011年到2012年再次承担了国际合作项目海上风力发电机组设计关键技术合作研究和发改委能源局的5MW近海风电机组研制及产业化项目。未来工程技术研究中心的主要发展方向将从海上风力发电机组的研制扩展到以海上风能获取为核心的能源供给及应用系统研究，如海上孤岛风能综合应用系统、大规模风电海水淡化技术等方向。六、风险评估及市场分析从技术方面讲，由于孤岛微电网系统应用技术并非我公司优势，中央监控及能量管理系统、离网型逆变器技术、直流母线系统控制技术、故障诊断与预测技术我们均未涉及，在这些方面技术积累相对较少，加上可用于借鉴和参考的项目几乎没有，因此，技术实现上存在一定风险。不过由于针对海岛项目研制和实验的周期较长，风险相应减弱，只要有足够的人力、资金投入，通过必要的技术合作，关键技术可以突破并解决。在研究初期，海装将联合高校进行软件及物理仿真，以达到评估风险指导设计的目的，这将有助于我公司在项目的工程化设计和应用的前期评估，降低技术风险。从设备研制的角度出发，关键技术主要集中在离网型逆变器、储能充放荷电状态检测和管理、柴油发电机组的可控整流设备。其中，离网型逆变器应用较为广泛，但其前端输入直流母线系统相对复杂，对其输出电压控制难度具有一定增加，但根据当前技术水平，可以达到工程应用的水平；储能系统充放电管理是控制直流母线电压实现能量平衡的关键点，由于蓄电池其响应时间的限制，因此在该系统中采用超级电容与之互相补充，以达到稳定直流母线电压的控制；柴油发电机组出口的AC/DC可控整流设备也是成熟技术，但应用于柴油发电机组出口端并不常见，其稳定性有待于进一步验证。从系统架构的角度出发、中央能量管理系统为该系统的关键技术，该技术为我公司自行开发，目前，在此领域没有足够的经验，需要对微电网的调度及控制进行深入研究。不过从技术实现来看，中央能量管理系统的优劣不影该微电网供电系统的可行，因此技术风险并不大，我们将深入研究其调度系统，通过对各发电、配电、负荷的调度控制更好更优的实现该微电网的稳定性设计，力争做到最优控制。市场方面，从目前了解的市场信息来看，海装风电海装正在进行甘肃省敦煌市雅丹国家地址公园的微电网系统项目，海装公司计划采用我公司微电网控制供电系统，并以此为示范工程，该项目完成后，雅丹地质公园计划对供电进行扩容扩建，将追加投资2个以上的微电网项目，其中微电网控制与发电部分合同额预计600万元人民币,，届时雅丹地质公园极有可能仍然与海装风电合作。此外，据市场咨询公司M&M的数据，至2022年微电网市场将高达220亿美元，总装机规模将达到15.4GW。仅世界岛礁用电需求就非常巨大，东南亚岛屿众多，其中光印尼就有岛屿17500个，有人居住就有6000个。国内市场也相当可观，中国的岛礁数以万计，且绝大部分面积小、战略意义高，需求众多。目前已有一些国内厂商正进行微电网项目的投资开发。这些岛礁供电较为倾向于直流架构微网系统，总体而言，微电网市场目前还处于培育成长阶段，目前竞争并不激烈，加上海装风电和我们公司具有独特的海军及海上环境应用背景，因此适用于海上的孤岛型微电网供电系统，具有较大的市场前景，在未来的几年应具有较高的经济回报。我们主要依托还装风电进行项目的开展，海装风电正与海军进行洽谈，初步达成合作意向，预计在未来3年内预计每年3-5个微电网项目，未来5年预计每年微电网系统达12套以上，以300万元/套记，年产值3600万元，利润达1000万元以上。七、项目进度及人员7.1 项目进度目前海上的微电网供电系统项目主要针对已有的供电系统进行改造，但我们的依托单位-重庆海装风电设备有限公司在半年内不确定能否与海军有项目合作。岛礁已有系统完全以柴油发电机为能源供应系统，在敏感负荷部分具有UPS供电。当前，重庆海装将对敦煌的雅丹地址公园供电系统进行改造，我公司为海装进行电气与控制方面的设计与供货，该项目将成为海上微电网供电系统的示范项目，其项目计划进度2013年1月-7月完成安装调试，该项目已经进入初步设计阶段，重庆海装将以此项目为海上微电网的功能试验模型。综上所述，我们立项当前主要任务是，以敦煌市雅丹地质公园的孤岛型微电网供电系统项目为基础，进行集中式直流母线型微电网供电系统方案的研究、设计及研制，并配合重庆海装的项目进度，完成相关的仿真实验、开发研制等内容。项目进度计划如下： 序号实施项目时 间备 注调研、资料收集及软件仿真1需求输入调查2013/1/23-2/7海装还未提供完整2微电网系统架构设计2013/2/18-3/6有待与海装沟通3软件仿真2013/1/17-3/15配合海装完成稳态仿真微电网系统4微电网模型仿真和评估2013/1/17-2/285微电网系统架构详细设计2013/2/21-3/276直流母线及储能系统设计2013/3/7-3/287微电网现地控制及通讯、配电2013/3/7-4/158信号检测及系统保护2013/3/7-4/159能源管理中心发电控制2013/3/7-4/1710能源管理中心负荷管理2013/3/7-4/1511能源管理中心运行监控2013/3/7-4/2312能源管理中心设备管理2013/3/7-4/1513能源管理中心风能预测2013/3/7-4/3014DC/DC生产2013/4/2-6/214可控整流器生产2013/4/2-6/215双模变流器生产2013/4/2-6/2小系统联合调试17柴油发电机与直流母线及储能系统调试2013/6/2-6/1018双模变流器与直流母线及储能系统调试2013/6/2-6/1019柴储模式带载调试2013/6/10-6/17含试验20对拖小功率风、柴、储模式联调2013/6/18-6/30能源管理中心仿真测试和系统联调21系统调试大纲2013/4/18-4/1822能源管理中心仿真测试环境设计2013/4/19-4/2223能源管理中心仿真测试平台搭建2013/4/22-4/2924能源管理中心仿真测试2013/4/29-5/307.2 人员计划人员计划如下表：序号项 目负责人备 注1项目经理王湛1人2系统架构设计王湛、周明2人3微电网配电及控制电气设计周明、李晓斌、甘敬松3人4中央监控设计周明、刘徽2人5能量管理算法及实现周明、王赟、刘徽3人6车间及现场调试以上所有人员6人总计：6人八、经费预算下面从三个方面来描述经费预算问题。8.1 调研及预研部分根据目前海装的进展情况，雅丹地址公园的微电网项目已经展开，正在对需求进行分析及系统初步设计，目前200kW风机电气图纸已完成消化吸收，但海装提供的关于风机及微电网的设计需求尚不完整。近1-2个月内，我们主要的成本为需求调研成本和人力成本，该部分费用由我公司承担，预算表如下：序号项 目数量单价小计(万）1资料费及差旅1620006.2合 计：6.28.2 实验平台部分在该项目实施过程中，海装风电将委托华北电力大学搭建小功率实验平台，目前正在洽谈中，计划3月中旬签订合同，功率等级初步确定为20kVA-50kVA，该物理实验平台如果搭建完成，我方人员有可能将配合做连调实验。该部分预算如下，费用由我公司承担。序号项 目数量单价小计(万）1差旅及会务1400004合 计：48.3 雅丹地质公园微电网改建项目部分目前，海装计划以甘肃省敦煌市雅丹国家地址公园的微电网系统项目为示范工程，完成对海岛供电系统具有参考和借鉴意义的集中式直流母线系统微电网方案设计及施工，功率等级为400k