关于大兴安岭地区无电村屯应用微电网系统供电的思考

【摘要】利用大兴安岭地区较为丰富的风能和太阳能资源建设风光互补型微电网系统，可以解决当地无电村屯用电难的问题。微电网系统按独立系统设计，主要由风力发电机组、太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器组成，该类系统已在瓦干村建成运行。

【关键词】微电网；系统；电力；风能；太阳能

0.引言

黑龙江省为解决偏远无电地区的供电问题，采取了电网延伸和散户撤并的方式，离网较近的部分无电地区已基本得到解决，但由于电网延伸的成本问题以及山区、林区电网铺设难度大等问题，仍有部分地区电网未延伸到。以黑龙江省大兴安岭地区为例，境内的塔河县、漠河县、呼玛县和岭南农业开发区还有三千余户家庭未用上电网电。有些家庭多年来靠高耗低功率的柴油发电机自发电，用以维持简单的生产生活需要。由于自发电每天只能用几个小时，电压极其不稳定，另外电价高，当地的经济发展受到严重制约。

风能和太阳能是目前全球在新能源领域利用最广的两种可再生资源。我国现在的无电地区大部分处于太阳能或风能资源较为丰富的地区，利用太阳能或风能发电有助于解决这些地区通电问题。

开发利用可再生能源也符合我国能源产业发展方向和国家节能减排政策，利国利民。早在2009年7月，由国家财政部、科技部、能源局联合下发了“金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法”，明确说明提高偏远地区供电能力和解决无电人口用电问题的光伏、风光互补、水光互补发电示范项目属于财政补助资金支持范围，对偏远无电地区的独立光伏发电系统最高按总投资的70%给予补助。

1.大兴安岭无电地区风能和太阳能资源状况

根据大兴安岭气象部门提供的资料，无电地区年平均风速达到3米/秒以上，风能密度在200W/m2以上，大于3m/s的风速全年累积时数超过5000h，具有较好的风能开发资源。无电地区全年日照时数最高为2404小时，最低为2269小时，平均为2326小时，年太阳辐照总量为4074-4452MJ/m2，属于太阳能“丰富带”地区，适合太阳能资源利用项目的开发。

2.微电网系统的技术方案

2.1 用电需求

对无电村屯通电需要充分考虑当地用户的用电需求。对典型用户来说，家庭主要用电设备有：电饭锅、电视机、照明灯、水泵、洗衣机和电冰箱，日用电量约3kW·h。

2.2 微电网系统的构成

微电网系统是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

鉴于大兴安岭无电地区远离电网，所以建议微电网系统按独立系统设计，并采用风光互补型式，主要有以下两方面的原因：

一是风能和太阳能在时间上、季节上都有很强的互补性，系统能有效地利用自然资源，获得比较稳定的输出，有较高的稳定性和可靠性。

二是风力机的单位成本比太阳能电池板的单位成本低，风力机同太阳能电池板组成混合系统后，可大幅降低系统建设成本。

此系统主要由风力发电机组、太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器组成，各部分设施的具体作用是：

（1）太阳能电池方阵

在有光照情况下，电池吸收光能，并在电池的两端产生电动势，将光能转换成电能。

（2）风力发电机

在工作风速范围内风力发电机将风能转化为电能。

（3）蓄电池组

贮存电能并可随时向负载供电。

（4）控制器

用于控制太阳能电池和风力发电机对蓄电池组充电以及蓄电池组给负载供电。

（5）逆变器

将直流电转换成交流电。

电站还提供若干回380V和220V配电线路将电能输送到各户。

2.3 设备选型

对于蓄电池，要选用自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽的铅酸蓄电池或镉镍蓄电池。

对于太阳能电池，选用目前比较主流的晶体硅电池组件。

对于风力发电机，采用具有低风速启动、变桨距调控、高效率、低噪声、安全性好等特点的国产机械变桨矩小型风力发电机，额定功率5-10kW。

对于控制器，要采用具有过充、过放、过载、短路、反接、防雷等一系列报警和保护功能的较为先进的控制器。

对于逆变器，要选用能够输出标准正弦波的独立运行逆变器。

2.4 系统运行管理

根据风力和太阳辐射变化情况，风光互补型微电网系统可以在以下三种模式下运行：风力发电系统单独向用户供电；光伏发电系统单独向用户供电；风力发电和光伏发电系统联合向用户供电。

针对独立运行模式下的微网能量管理问题，国内已有学者提出微网实时能量优化调度方法。该方法将作为压频控制单元的储能装置的能量状态划分为4个区间，并缩减作为压频控制单元的可控型微电源的基点运行功率范围，以确保压频控制单元有足够功率调节裕量吸纳微网内的非计划瞬时波动功率。该方法不仅能实现独立运行的微网可靠、经济运行，还可减小微网对储能装置的容量配置需求。

3.应用案例

目前，大兴安岭塔河县依稀肯乡瓦干村已建成1座50kW风光互补示范电站，其中，风力发电装机功率30kW，光伏发电装机功率20kW。该电站在冬至前后日照最短时期都可以保证37户居民每户日用电量2.5kW·h。

4.结束语

利用大兴安岭地区较为丰富的风能和太阳能资源建设风光互补型微电网系统以解决无电村屯用电难的问题，不仅能节省电网建设所需要的巨额投资，还能使无电地区百姓早日用电，提高当地人民的生活水平，促进经济发展，增加地方财政收入，同时有利于保护自然环境。