基于风光柴储的多能互补微电网系统设计与应用

摘要：为了解决边防监控站、滨海试验场、孤岛等特殊场景的供电问题，设计高可靠性和高适应性的微电网系统尤为重要。针对江苏省太仓长江中浏家港雷达站的现场环境及用电情况，设计了一种基于风光柴储的多能互补微电网系统，以风力、光伏发电作为主要电能来源，柴油发电作为后备辅助电能来源，能够实现智能化供配电管理，并具备远程监测和控制功能。该系统采用模块化设计，各模块间耦合度较小，可减少单一模块损坏对整体系统的影响，确保系统的可靠运行。此外，该系统不依赖国家电网，采用区域独立发电和用电模式，且安装方便、易于维护，可为我国边远地区的供电模式设计提供参考。

关键词：能量管理；控制策略；系统设计；多能互补；微电网

中图分类号：TM614 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）04-0133-04 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

我国海岸线较长，边防监控站、滨海试验场、孤岛以及偏远地区农村的生活用电问题一直是制约我国偏远地区发展的重要因素，主要表现为供电可靠性低、成本高、污染严重等问题[1-2]。为了解决上述特殊场景的供电问题，设计高可靠性和高适应性的微电网系统显得尤为重要。

微电网主要由可再生分布式能源、储能、能量转换、负载和保护控制等多个功能模块构成，能够实现自我管理、保护和控制，具有并网运行和孤岛运行两种工作模式[3]。作为可控的发电单元，微电网系统首先要解决偏远地区和海岛等特殊位置的供电问题，同时可以根据不同用户的需求制订个性化的用电方案，为某一特定区域提供电能来源。微电网作为一种小型配电系统，具备可靠、灵活、环保和节能等优点，采用区域独立发电、独立用电的模式，且安装方便、易于维护，不依赖于国家电网等特点，因而被广泛应用于各类电网设计[4-5]。

我国拥有7 000多个面积大于500平方米的海岛，其中90%以上的海岛有常住居民。这些岛屿主要依赖柴油供电，但仍有近100 万家庭处于缺电状态[6]。鉴于岛上运输柴油的成本高、难度大，并且风能和太阳能资源丰富，因此设计一种高可靠性和高适应性的微电网系统，成为解决海岛稳定供电的最佳途径[7-9]。

本文针对江苏省太仓长江中浏家港雷达站的现场环境和用电情况，设计了一种基于风光柴储的多能互补微电网系统，以满足太仓长江中浏家港雷达站的实际用电需求。全文结构安排如下：首先，介绍系统的总体设计，包括设计背景和总体设计；其次，介绍分项系统设计，包括风光发电系统设计、柴油机发电系统设计和控制系统设计；最后，对全文进行概括总结。

1 系统总体设计

1.1 设计背景

江苏省太仓市（31.73°N，121.22°E） 属于北亚热带南部湿润气候区，四季分明，全市平均气温接近常年水平，高温日数略偏多，总雨量明显偏少。全年日照平均值为1 906.6小时，其中第一季度和第四季度的日照时间低于平均值，光照条件一般；而第二季度和第三季度的日照时间高于平均值，光照条件较为充足。

平均每天有效日照时间为3.81小时，适宜建设光伏发电系统。然而，由于太仓市位于长江流域，必须充分考虑非梅雨期和梅雨期的能源供电结构，以满足现场的实际供电需求。本项目为江苏VTS建设网的一个中心站，中心站位于江苏省太仓市长江口。由于中心站位于长江中，设备供电采用自给自足的发电方式，系统用电负荷情况如表1所示。

系统工作时考虑平均功率情况，平均功率按照7.5 kW计算。在风能和光能均无法发电的情况下，系统将自动控制，仅为核心设备供电。系统用电量分析情况如表2所示。

1.2 总体设计

风光柴多能互补微电网系统在海岛、边防哨所等场所广泛应用，是一种较为成熟的多能互补供配电系统。然而，该系统也存在一些问题，例如内燃机发电的运输成本较高，采用光伏发电和风力发电时，输出电能具有随机性和波动性；海岛负荷的峰谷差异大且季节性强，整体可靠性也不高[6]。

针对上述不足，本系统整体上以风力和光伏发电作为主要电能来源，柴油发电作为后备辅助电能来源，储能系统可在一定时间内进行配置，以实现智能化供配电管理。同时，系统具备远程监测和控制功能。整个系统的控制流程为：本地控制系统接收远程监控软件指令后，将指令通过RS485总线发送至光伏控制柜、风油机控制柜、蓄电池柜、配电柜柜内控制板，柜内控制板用于发电数据信息采集、设备状态监控以及对设备及各柜内电动操作机构开关的控制等。系统结构如图1所示。

由图1可知，风光油组合供电系统主要由供配电系统、储能系统、配电系统、控制系统四部分组成。系统具备太阳能、风能、油机及市电等多种供电模式并能根据储能情况进行自动切换。

1） 供电系统。供电系统主要由光伏发电、风力发电和柴油发电三部分构成。

①光伏发电部分：组件通过串并联输入光伏控制器中，光伏控制器对蓄电池进行充电。在光伏发电时最大功率输出，通过不断改变阻抗的大小，从而得到光伏阵列与负载的最佳匹配，提高系统的效率，即光伏控制器具备最大效率跟踪技术（MPPT） 。

②风力发电部分：作为光伏发电的重要补充，风能通过风控制器对蓄电池进行充电。

③柴油发电部分：柴油机作为备用电源，当太阳能和风能发电无法满足整个系统的用电需求时，系统能够自行启动柴油机对蓄电池充电；当蓄电池电量恢复到满足整个系统用电需求时，系统会自动切断柴油机。

2） 储能系统。储能系统主要由蓄电池组组成，蓄电池组包含电芯、电池管理系统（BMS） 以及外壳等部分。其中，BMS具有对电池电压、电池柜内部温度、电池组端电压、充放电电流等重要信息采集和数据传输功能。

3） 配电系统。配电系统主要分为交流输出，主要由逆变器和控制开关组成，其中逆变器输出为三相380 V交流输出。

4） 控制系统。整个能源供配电系统具备完整有效的远程监测和控制功能，实现了智能化管理，包括数据采集、状态监测、故障诊断、远程控制等功能，同时支持多个地址的访问和管理。根据能源发电系统中的相关设备参数读取、预警告知等信息，可以根据实际情况对整体系统进行智能控制，包括设备的重启和参数设置等。此外，监控中心以外的地区也可以通过授权登录进行监测或控制系统。

本文针对系统设计中的难点问题，重点介绍供配电系统和控制系统两部分设计。

2 分项系统设计

2.1 风光发电系统设计

2.1.1 日用电量需求

根据需求，设备的平均总功耗为5 kW，需要24小时不间断供电。平均每天的实际用电量为5 kW ×24 h = 120 kWh，修正为156 kWh（冗余设计） ，日用电量需求如表3所示。

2.1.2 风光发电量预测

综合考虑现场的风场条件、水工平台面积及施工难度，本文选择了两台20 kW的水平轴风力发电机。同时，使用了98块330 W的光伏组件，总功率P=330×98=32.3 kW。 32.3 kWp光伏发电由单块330 W组件采用14串7并联方式连接实现。在整个新能源发电系统中，光伏发电和风力发电作为整个系统主要的发电来源，光伏发电功率为32.3 kW，风力发电机额定功率为40 kW。根据不同月份的风速、光照情况和系统效率，计算出了风光发电单元的发电量。其中，系统效率为充电效率、线损和逆变器效率的乘积，整体效率约为76.5%。风机与光伏在不同月份每天的发电量如表4所示。

2.1.3 电情况分析

1） 用电情况分析1：基于平均用电量的发电量分析。负载实际使用功率约为5 kW，每天24小时工作120 kWh，图2可以看出，全年平均每天发电量均大于用电量。

2） 用电情况分析2：基于冗余设计的用电量分析。冗余负载按照6.5 kWh的用电量进行设计，因此修正后的每日用电量为6.5 kWh × 24 h = 156 kWh/天。从图3 可以看出，全年每天的平均发电量均大于用电量。

根据用电负载分析，负载的平均功率曲线应保持在5 kW。因此，基于平均用电量的发电量分析较为准确。然而，负载不能始终以满负荷最大功率持续运行。因此，在系统设计时，应从冗余设计的角度出发，将每日用电量修正为156 kWh/天，放置余量约30%，更为科学，可以满足系统对发电单元的需求。

2.2 柴油机发电系统设计

在本系统中，采用一台20 kW柴油发电机作为备用电源。在风光不发电且蓄电池中电量低于某值（可设置） ，柴油机自动启动。柴油机整流模块采用两个10 kW并联，可以有效降低系统故障时间。柴油机发电满足以下要求。

1） 供电异常时自动启动。本系统在光伏和风力发电正常工作时，柴油机不工作；在风光发电失效且储存电池不足以提供系统能量时，柴油机可以自动启动，在系统电能储存至80%（可设置） 时，柴油机自动停止，可以实现柴油机的自动启停。

2） 具备防水和防腐蚀性能。由于本项目位于长江，气候常年潮湿，对发电设备的防腐性能要求较高。故柴油机发电系统设备需要具备良好的防水和防腐蚀能力。如果因施工导致保护层脱落，需要在现场进行补漆和“三防”作业（防水、防尘、防腐） 。

3） 系统集成、高可靠性、维护周期长。由于本项目位于长江，维护不便且维护费用较高，因此系统集成应采用高可靠性的设备，并采取模块化设计，以降低维修难度。

4） 满足国家对能耗排放的相关标准。本项目位于水上，柴油发电机油箱常备柴油，加之水上有船只来往。如果发生碰撞或故障导致漏油，将对江水造成污染。因此，油箱需要进行加固设计，并在油箱下方配置防漏油槽，以确保即使发生漏油也不会污染环境。

2.3 控制系统设计

本控制系统采用“软件+硬件”的设计理念，发电单元之间互不干扰，相互独立，可以有效降低设备的安装和维护成本，实现能源系统管理的集约化、网络化、模块化和通用化。系统主要包括模块化设计、实时控制、智能管理和远程控制等功能。

1） 模块化设计。系统采用模块化设计思路，便于用户以后的扩容或减容，使用方便，降低了维护难度，减少了维护时间。同时，各模块之间的耦合度大幅降低，当某一模块发生故障时，不会影响其他模块的正常运行，从而保障系统的高度可靠性，降低整体系统失效的风险。采用模块化设计后，当系统长时间运行出现故障时，可以方便地进行更换，具有良好的可维护性。

2） 实时监控。系统中的发电单元（光伏发电单元、风力发电单元、油机发电单元） 、配电单元均可通过监控中心发送指令进行控制。同时，系统根据现场用电及发电情况实现自动控制，若发生故障或异常情况，会第一时间上传至监控中心。监控中心能够对设备的运行状态进行实时跟踪，故障发生后，能够快速定位问题并及时解决。

3） 智能管理。系统监控中心与各个模块实现实时通信和数据监测。在运行过程中，系统能够获取每个模块的输出参数和运行状态，并通过4G/卫星进行远程通信，方便用户在远程终端实时了解和跟踪设备的运行状态，节省了工作人员前往现场的成本，实现系统的智能运行和无人值守。

4） 远程控制。整个发电系统具备自动启动功能、参数设置及远程控制功能。

3 结论

本文设计了一种基于风光柴储的多能互补微电网系统，并成功应用于江苏省太仓长江中浏家港雷达站。该系统以风力和光伏发电作为主要电能来源，柴油发电作为后备辅助电能来源，能够实现智能化供配电管理，并具备远程监测和控制功能。该系统不依赖国家电网，采用区域独立发电、用电模式，安装方便、易于维护，可为我国边远地区供发电模式设计提供参考。未来，拟采用人工智能算法进一步完善系统功能，优化能源配置，拓展应用场景，提升系统的实时性与可靠性，为我国“碳达峰、碳中和”目标的实现提供坚实基础。

参考文献：

[1] 吕冬翔，李钏，王哲超，等.南极泰山站多能互补微电网系统研究及实证[J].极地研究，2020，32（2）：184-194.

[2] 杨刚.多能互补微电网系统容量配置优化目标及优化算法综述[J].数字技术与应用，2022，40（9）：7-9.

[3] 周林，黄勇，郭珂，等.微电网储能技术研究综述[J].电力系统保护与控制，2011，39（7）：147-152.

[4] 吴志锋，舒杰，崔琼.多能互补微电网系统组网及控制策略研究[J].可再生能源，2014，32（1）：44-48.

[5] 张皓.微电网系统的设计与优化[J].电气技术与经济，2024（6）：180-181，189.

[6] 毕晓辉.微电网混合储能系统控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[7] 刘帆，肖健梅.基于岛屿互联的远洋海岛群微电网系统优化设计[J].电气工程学报，2024，19（2）：268-278.

[8] 付保川，韩雅明.微电网储能系统优化方法研究综述[J].苏州科技大学学报（自然科学版），2024，41（1）：10-20.

[9] 陈晓阳.基于云架构的智能微网群智能运维管理平台设计[J].电脑知识与技术，2024，20（10）：111-112，123.

【通联编辑：梁书】

基金项目：江苏省产学研合作项目（NO.BY20230703）