北麂岛：致力于打造“生态友好型”海岛微电网示范工程

北麂岛，全称北麂列岛——位于温州瑞安市东南方向东海沿海海面上，距瑞安市区37海里处，主要由大明甫岛、小明甫岛、北麂岛、下岙岛、关老爷岛等16个岛屿组成。

北麂岛

北麂岛远离人烟，低调又神秘，完好保存了这里原始的自然美景和原生态，这里朴素的民风和小岛的美丽仿佛是世外桃源。

北麂主岛面积约1.9平方公里，由四个行政村构成，分别为海利村、胜利村、东联村、立公村，目前常住人口约3500人。

从瑞安南门港到北麂岛的船票价格是130元(当地居民票价为70元)，坐船上岛是目前居民出行的最主要方式，记者从瑞安市上船到登岛靠岸，全程花费时间2小时20分钟左右。据当地居民介绍，如遇到台风季节或大雾天气，船是不能出港的。

海岛供电：用电难、用电贵

目前解决海岛供电的方式主要通过架设海底电缆，或依靠柴油发电机、燃气轮机等常规化石燃料机组供电。但铺设海底电缆的费用昂贵，且受到海底电缆走廊的限制;利用常规燃料机组供电燃料运输困难且会给脆弱的海岛生态环境带来严重的污染问题。

2010年颁布的《中华人民共和国海岛保护法》指出“有居民海岛的开发、建设应当优先采用风能、海洋能、太阳能等可再生能源和雨水集蓄、海水淡化、污水再生利用等技术”，对于远离大陆的海岛微电网的建设应以最大化利用当地可再生资源和减少常规机组为指导思路(参考文献[1])。

长期以来，北麂岛未能实现与大陆电网相连，岛上供电长期依赖柴油发电，供能有限、供电不稳定等问题成为居民生活和岛上旅游和渔业养殖经济发展的掣肘。

渔民出海捕获回来的海鲜需要24小时加注氧气，对于电的依赖性很高，以前到了夏天用电高峰时，一天会停10多次电，非常不稳定。如果供电没有及时跟上，供养不足造成海鲜死亡，这将给渔民带来极大损失。

北麂岛渔民大力发展的养殖业

据了解，在2014年以前，北麂岛住民用电、路灯照明、海岛养殖、港口等用电需求全部依靠柴油发电来解决。

据温州华电实业有限公司新能源部主任、高级工程师尚博介绍，岛上柴油发电成本3元以上/度，还不包括设备折旧、人员工资等。柴油机组需要一天24小时不停运行，加上海岛气候环境，对柴油机的使用性能及寿命造成极大的损害，容易造成停电检修。

北麂岛作为备用的柴油发电机组

另外，柴油价格上涨、人工成本攀升、柴油机组漏油和废机油对土地和海洋环境污染和噪声影响，使海岛电力紧张局面陷入困境。

尚博指出，海岛‘用电难、用电贵’是长期存在的痛点难题，同时还存在岛上设备建设时间长、配电站的低压架空线路残旧、锈蚀严重、变压器的容量和线路线径都偏小、岛上居民房屋产权不清等问题。

“这些问题要逐一解决，相当于在岛上重建一个电网。”尚博说。

政策助力 开启用能新时代

“过去供电机组的残旧会导致供电不稳定，甚至是造成安全隐患，严重影响了岛上用户日常生产和生活，有了稳定的供电系统，才能更好的服务地方渔业养殖和旅游经济发展。”尚博说。

为此，如何加快海岛电网建设，提升海岛供电服务的惠及岛上居民和各类用户是当地供电公司亟需解决的难题。

恰逢此时，浙江朗呈新能源有限公司(以下简称“朗呈公司”)正组织力量对北麂岛群众的用电需求开展调查研究，并着力解决好人民群众用电中最关心最现实问题。

经过一番调研和论证后，结合岛上用电环境的现实状况，以及国家金太阳示范工程项目政策，朗呈公司决定投资4500万元在北麂岛建离网发电系统项目。

据介绍，项目前期采用“光伏发电+储能为主电源，柴油发电机为备用电源”的微电网运行模式，可有效解决岛上居民的用电难问题。微电网技术充分利用海岛可再生能源的优势，兼顾绿色环保与供电质量的要求，与敷设海底电缆相比，微电网投资少，运维成本低;而与柴油发电相比，微电网供电质量高、运维成本低，更加绿色环保。

朗呈公司总经理章旭敏表示，2014年-2017年北麂岛全年的用电量在120万度电左右，目前北麂岛正在大力发展旅游业，用电负荷业随之增加，2018年北麂岛年供电量为152万kWh，预计最大供电量会增长到180万kWh左右。

整体架构如下：

章旭敏指出，岛上如果是晴到多云天气基本是光伏系统直供电，晚上储能系统放电。海岛晚上的用电量比白天要多，所有在储能系统中要配有足够的容量才能够保证不浪费光伏发电及保证夜晚供电。

“2015年至2019年运行5年以来，虽然光伏组件能发电464.7万度，但是实际供电仅297万度，转换效率比较低”，章旭敏说。

章旭敏告诉记者，从2014年6月至2017年的实际运行中发现原来的储能系统存在损耗大、转换效率低、储存能力不足(供电能力下降)、设备老化、VF源不稳定、EMS系统不稳定等情况。主要体现在以下几个方面：

1、VF源不稳定，导致整个系统不稳定。

交流母线离网系统，核心部分就是VF源系统，主要起到支撑整个供电系统，调节负荷、光伏等波动。由于原先的VF源系统是由锂电池与变流器组成，在实际运行中，发现锂电池在海岛上应用一致性不稳定，经常出现故障(如VF源经常出现单体报警、组串之间SOC相差过大等报警信)，导致设备停机，影响系统稳定运行及供电。

2、主要逆变器设备老化故障频发。

光伏逆变器及储能逆变器经常出现故障停机，大大影响了光伏发电及供电。如2017年1月22日至2月13日，储能逆变器故障停机，严重影响发电量。

3、故障维修时间长。

由于海岛交通不便，当出现故障后，一般都需要专业人员运维。因此从登岛到维修完成基本需要7天以上左右时间。尤其是设备、光纤线路方面的检修，耽误的时间比较长。

4、设备损耗大。

根据该项目历年运行数据显示，一天的损耗电量在1000kWh左右，造成储能系统全年转换效率在62%左右。(2015年损耗率38.41%、2016年损耗率37.31%、2017年损耗率37.51%)

5、EMS管理系统性能不稳定。

在2018年初该系统EMS通讯异常，无运行数据显示，最终导致整个系统无法供电。

至于为何这个项目选择铅碳电池，没有用锂电池，章旭敏告诉记者，锂电池和铅碳电池都是充放电模块，没有本质上没有区别。海岛项目在选择储能模块时，主要是放电深度不能太浅，要达到60%以上，电池循环使用寿命最好是5年左右，同时要考虑海岛环境对电池在实际运行中的影响。目前来看锂电池的价格虽然这几年一直在降低，但是和铅碳电池相比还是有差距，锂电池的使用环境及安全性比较严格，一致性要稳定。而铅碳电池技术也在不断进步，性能也有相应提高，但在能量密度方面不如锂电池。

通过这几年的项目建设及运营，章旭敏体会颇深，她告诉记者，这个项目给她带来了很多快乐，尤其是夜晚岛上繁星灿烂和和灯火通明，成就感最充实。

改造系统 旧貌换新颜

章旭敏告诉记者，海岛微电网项目在建设、施工和运维过程中也要做好相应工作，稍不留神，会带来系统的不稳定和经济损失。

章旭敏指出，海岛的运输和人工成本要比陆地高一倍。在安装进场前，先准备好所有施工作业工具，做好计划安排;海岛道路较窄、湿度大、盐分高、腐蚀性墙。平时要做好室外设备的防腐工作;台风季节时，要注意光伏区场地的检查，防止异物砸坏组件，所有的设备都要有备件;要定期的处理遮挡光伏组件的杂草，不能用除草剂，防止大量水土流失。

一系列存在的问题给项目运营和岛上居民用电带来居多不便，为此，章旭敏先后在2018年至2019年期间更换了部分蓄电池和EMS系统，虽然更换设备后提高了部分发电量，但是损耗大等问题依然存在。

将交流微电网与直流微电网互联构成交直流混合微电网，交直流混合微电网是适应新的分布式电源形式及负荷而建立的，可同时接入包括光伏、风机、储能装置、小型发电机、直流负荷、交流负荷等多种交直流能源形式。

为此，章旭敏再次下决心投资600万元左右改造升级成交直流混合微电网架构系统。

2018年5月份与浙江大学电气学院达成了合作协议，委托浙江大学对本项目进行优化和提升。

2019年3月，浙江大学完成了该项目直流改造设计方案，10月份已完成蓄电池设备房的建设和控制系统现场的模拟调试以及相应关键设备的委托定制，12月对项目进行进场施工和整体调试，并于2020年1月完成电站改造升级。

系统机构图

北麂岛交直流混合微网系统由五大部分组成，包括集中式光伏发电系统、蓄电池储能系统、供电系统、柴油发电机组、EMS管理系统。

光伏系统(1.274MWp)与储能系统(7.239MWh)总直流母线连接，并由2台BCS逆变器升至400Vac交流母线，并经0.4/10.5kV升压变升压至10kV输电线路接入用户侧。

该项目最大能带载负荷量是1000kW，目前朗呈公司和供电局结算电价是1.1元/kWh。

同时还配备1800kW柴油发电机组作为系统备份电源，遇上阴雨天等情况时，适当开启柴油机补充用电。

该项目所有采用充放电设备是科华恒盛股份有限公司生产，电池采用的是铅碳电池技术。

项目改造后，优势进一步凸显，主要体现在：

1、适合于不同形式或不同频率频率的发配电互联，因而，特别适合新能源分布式发电(DG)供电系统。现有新能源发电，要么输出是直流(如PV光伏)，要么因为稳定需要采用了“交-直-交(AC-DC-AC)”电能变换结构(如风力、海洋能发电)，柔直系统可方便它们的接入，提高变换效率、节省设备环节。

2、方便储能设备(电池、超级电容器等)连接，采用双向DC/DC直接充放电、省去AC/DC环节，系统具有更高的效率、更低的设备成本。

3、容量大小可定制、分期建设和日后扩展方便。由于直流母线无交流同步、功率因数、谐波畸变、三相不平衡、负序零序等电能质量问题，用电品质好、无需额外电能质量治理装备。

4、柔性直流平台适合于地埋或海底供电线缆的铺设，由于直流线路无交变电磁场效应、占地空间小;周围介质的影响小，特别是海水或地埋线路，无交流线路的地质、介质、占地空间、供电距离等限制，可方便实现多岛互联、也有助于海岛环境的美观。

5、柔直系统主要设备VSC惯性非常小(相对柴油发电等)、动态响应快，同时，采用了智能控制器，系统供电性能稳定。

6、柔直微电网并网和离网兼容性好，在有条件的海岛或未来，可方便实现与岸上大电网互联(如直流输电HVDC等)，即可向大电网吸收或送出电能、平衡网内电能生产和消耗，也可以离网独立运行。

7、具有多级智能能量控制能力，既可自动实现网内发电、用电、储能之间的能量平衡，也可是按发电电源、储能和用电工况等的经济性，实现智能优化调度。在联网运行条件下，还可兼有协助大电网“削峰填谷”、“调压调频”能力，进一步优化供电效益。

瑞安市北麂岛1.274MWp交直流混合微电网项目铅炭储能电池

据科华恒盛股份有限公司新能源事业部技术总监林金水介绍，该项目光伏系统装机容量为1.27MWP，有5200块多晶硅245Wp组成，经21台汇流分别接入到6台SPT(DC/DC)，经子直流母线给蓄电池充电，再经总直流母线对外供电。

瑞安市北麂岛1.274MWp交直流混合微电网项目

升级改造后，储能系统装机容量为5.239MWh，分为6组，分别接一台SPT，形成6个直流子系统配套运行。而原储能区的2MWh旧电池已不再运行，等待后续改造升级。

瑞安市北麂岛1.274MWp交直流混合微电网项目

供电系统有6台直流系统平均分配到2台BCS逆变器，形成2个供电系统，并并机运行，对外供电。

改造后的EMS系统

值得一提的是后台EMS系统重新做了技术改进，和浙江大学联合研发，升级后EMS系统主要功能是负责系统监控、数据处理等，几乎不参与直流系统运行，避免断电。

系统机构图

林金水指出，该系统升级改造后光伏发电至电池充电仅仅经过一级DC-DC变换，电池放电至电量上网也仅仅经过一级DC-AC变换，系统效率显著提升;直流母线电压由储能电池钳位，系统稳定性提升;系统潮流控制简化、差额功率由储能电池自动补充，控制简单方便;系统由直流母线连接光伏系统、储能系统、供电系统，系统扩容简单易行。

通过此次系统的改造和升级，一是损耗大大减少，系统储能转换效率将提高23%以上(到达85%以上)，如2020年5月运行数据显示该系统转换效率达到84.88%。 二是项目运行更稳定、更可靠，没有VF源系统，也不受限于后台管理系统约束，改造后项目基本是自主运行，大大减少现场人员运维负担。三是提高了发电量，从前五个月运行数据来看，预计2020年供电量会在100万度以上，供电能力增长35%以上。

章旭敏告诉记者，在海岛微电网项目建设中，还需要从项目规划设计、项目施工、项目运维以及储能系统设计规范、安全措施等方面做好标准规范工作，为未来海岛经济高质量发展做好更强有力支撑服务。

章旭敏认为，在规划设计上，需要进一步研究海岛光伏、储能、用电负荷、柴油机组及其他新能源的容量配比模式;光伏组件安装方式(角度及高度);光伏区的排水系统(梅雨季节时雨量较大，会造成水土流失，影响基础设施稳定);场地选择商，要尽量避开历史台风登陆点。

在施工过程中，海岛的道路比较窄，大型的工程器械排不上用场。设备的装卸、运输、安装，基本是靠三轮车辆(2到3吨左右)及人力。海岛交通不便，腐蚀性强，现场管理人员技术水平有限，因此建议相关设备组件要模块化，便于运输和安装。

章旭敏指出，要注意设备材料防腐工作。由于海岛湿度大、盐分高、腐蚀性强。尤其是暴露在空气中的设备，如光伏组件、升压变、光伏支架、环境检测仪、汇流箱、供电设备、电池支架、蓄电池接触端都要做好充分的防腐措施，因此建议相关设备尽量都安装在室内环境中。

受台风影响损坏的光伏组件

在安全措施方面要高度重视防台风。海岛有台风季节性，光伏组件的安装角度不易过高，同时光伏场地四周要设挡风墙，场区内不能有尖锐的异物(防止被风刮起砸坏组件)。

章旭敏进一步指出，在项目日常运维方面，要注意光伏区杂草、高压线路检查、设备检查、线路维修、通讯线路维修(光纤)等，以免影响项目发电效率和正常运行。

北麂岛现有500kW柴油发电机两台和200 kW柴油发电机两台，500kW柴油发电机用于正常发电，200 kW柴油发电机作为备用，对全岛居民供电。随着岛上旅游业的发展，负荷也会逐渐增加。朗呈公司正在谋划进一步增加储能系统配置满足日益增长的用电需求。

章旭敏指出，日前改造后投入使用的北麂岛光伏离网发电系统工程，让3500多名岛民正式告别了以柴油机发电为主的供电模式，为发展“生态友好型”海岛微电网工程提供借鉴与参考。

记者观察：

海岛是陆地国土和海洋国土的结合部，它兼备丰富的海、陆资源，在海洋经济和沿海经济发展中具有重要的作用。据不完全统计(台湾省、香港和澳门所属岛屿暂未列入)，中国共有面积大于500平米的岛屿5000多个，约占全国陆地总面积的 0.8%，其中，有人居住的岛屿400 多个。中国海岛分布很不均匀，东海岛屿最多，约占全国岛屿总数的58%;南海次之，约占28%;黄海、渤海最少，约占14%。

海岛及周边海域以其岸线、土地、景观、养殖、矿产以及油气、风能、潮汐能等资源成为经济发展不可或缺的重要资源，作为海洋的

“桥头堡”，在海洋经济发展中占据重要的地位。但是，从总体上看，海岛分散，面积小，基础设施落后等原因，致使海岛经济的总体水平不高。

瑞安市北麂岛1.274MWp交直流混合微电网项目(光伏电站部分)

海岛由于受海洋性气候的影响，风光的波动性、随机性和间歇性使新能源发电具有强不确定性，准确预测风光发电难度较大;同时，海岛负荷由于长期受供电能力的影响，负荷压制较大，难以准确了解真实负荷情况。受海岛地形、可用资源及环境保护的影响，可安装光伏或风电的资源受影响较大，甚至可能因风机噪音或光污染导致无法安装所需的新能源容量(文献2)。

针对不同自然条件的海岛合理布局不同电源，构建由不同功能类型的微电网组成的总体架构，提高微电网间的功率互济性，并降低源荷不确定性对弱联网或独立型微电网的影响(文献3)，从而合理、有序、规范地利用好海岛资源，挖掘海岛经济价值，保证其可靠的能量供给对我国发展海洋事业、捍卫国家权益具有重大战略意义。

参考文献1、2、3：基于100%绿色能源供电目标的海岛微电网群容量优化配置，《中国电机工程学报》网络首发论文，作者：赵波、李得民、吴在军、张雪松、汪湘晋、唐雅洁