六位一体的孤岛型微电网建设与发展的新思路

作者：广东省江门市五邑大学 成志东

摘要

多方企业合作，在一个4公里×4公里的区域里面，由金融集团先行垫付建设资金，建设基于“孤岛型光伏电站、孤岛型风电电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站、电动汽车低成本的轮流慢充与人工换电模式、高耗能企业”的不并网的、六位一体的标准化孤岛型微电网的新能源产业共同发展的蜂窝综合服务小区的试验区，促进新能源的多个产业共同协调地快速发展。

不并网，是为了隔离网内的新能源应用对大电网的不利影响，而且便于使用不同厂家的技术。

该区域，可以看作是一个基于孤岛型微电网的、标准的蜂窝综合服务小区。每个蜂窝综合服务小区，都应该包含有：一个孤岛型微电网的电力负荷管理中心、一个孤岛型的储能电站、一个孤岛型的光伏电站、一个孤岛型的风电电站、一个孤岛型的燃气轮机发电站、一个车辆综合服务网点、一个电动汽车的快速充电站、电动汽车低成本的轮流慢充与人工换电模式、一个高耗能的工业企业。

其中，孤岛型微电网的电力负荷管理中心，负责微电网电力的统一调度与管理。孤岛型的储能电站，负责进行电力的储能与协调。孤岛型的光伏电站与风电电站，主要作为蜂窝小区的供电电源。孤岛型的燃气轮机发电站，负责微电网的调峰及在阴雨天的供电。车辆综合服务网点，负责为电动汽车提供“预约换电、定点快充、统一维修、汽油车临时租赁、简易充电桩的建设与维护”五位一体的服务。低成本的轮流慢充充电桩，负责为电动汽车提供在蜂窝服务小区的随处慢充服务。低成本的换电模式，则主要基于“人工换电池的小推车”来实现。高耗能的工业企业，利用孤岛型微电网的富余电力，一方面，产生经济效益；一方面，协助大电网减少碳排放。

在该区域里面，先行建设蜂窝综合服务小区的试验区，并逐步标准化，形成技术标准。然后，在全国推广建设蜂窝综合服务小区，争取电动汽车应用、风电与光伏发电应用、蓄电池储能等新能源产业共同蓬勃发展的良好局面早日实现。

1、引言：

1.1当前的新能源产业发展中存在的问题及对策

1.1.1电动汽车应用中出现的问题

（1）电动汽车应用过程中，出现了充电模式、换电模式之争。

从表面上看，充电、换电之争，是电动汽车应用模式之争。从本质上看，它其实是传统的大电网体制与新能源的孤岛型微电网体制之间的争端。

因为电动汽车是个随机波动的负荷。电动汽车的充电模式，只适合于孤岛型的微电网，并不适合于传统的大电网。

（2）社会上的充电、换电及维修等等配套服务还远远没有跟上。

电动汽车实际上是一项巨大的社会工程。现在看来，技术层面已经不是主要问题，关键还是社会上的充电、换电及统一维修等等配套服务远远没有跟上。

（3）电网公司承建的各种充电、换电设施的建设成本普遍过高。这既加大了电网公司的投资风险，也打击了电网公司的建设热情，阻碍了电动汽车发展进程。

（4）充电、换电的标准，深陷扯皮的泥潭，电动汽车推广之路举步维艰。

1.1.2光伏发电、风电发电应用中出现的问题

由于光伏发电、风电发电具有波动性，新能源发电并网会对传统大电网造成不利影响。新能源发电并网，一直是个令人头疼的大问题，这使得光伏产业、风电产业的应用也无法有效展开。

1.1.3蓄电池储能应用中出现的问题

由于电动汽车的应用没有发展起来，这使得基于车辆蓄电池的储能电站也没有发展起来。

1.1.4分布式的燃气轮机发电应用中出现的问题

由于分布式的燃气轮机发电，会对传统大电网造成难以管理的潮流影响，会危及传统大电网的安全，所以，电网公司对于分布式的燃气轮机发电一直不支持。这使得分布式的燃气轮机发电也一直发展不起来。

1.2当前问题的对策

1.2.1传统大电网、电网公司，已经成为了新能源产业快速发展的障碍与绊脚石

一方面，电网公司忙于传统大电网的智能电网的改造，无暇顾及微电网的建设；

另一方面，电网公司满足于传统大电网的丰厚收益，对于微电网不太重视。

种种事实证明，传统大电网、传统电网公司，已经成为了新能源产业（光伏、风电、蓄电池、电动汽车、微电网等产业）发展的最大障碍与绊脚石。

1.2.2中石油、中石化、中海油，是建设“孤岛型微电网”的最合适的投资主体

化石能源，正在走向枯竭。中石油、中石化、中海油，正面临着产业转型。积极建设“孤岛型微电网”，是中石油、中石化、中海油在未来能源产业中的最合适的切入点。

1.2.3急需组建“孤岛型微电网建设的股份合作公司”，建设孤岛型微电网

现在急需组建“孤岛型微电网建设的股份合作公司”，建设孤岛型微电网，建设独立的“第二张电网”。为整个新能源产业（包括：电动汽车、光伏发电、蓄电池储能、风电、分布式燃气轮机发电等诸多产业）提供一个集群的、统一的发展平台。

股份合作公司，可以考虑在4公里×4公里=16平方公里的一个区域里面，以“金融集团先行垫付建设资金、然后逐年收回投资”的方式，建设“基于孤岛型微电网的新能源产业共同集群发展的蜂窝综合服务小区”的试验区，并逐渐标准化。

这是当前整个新能源产业发展的一个现实的选择。

2、具体建设项目内容

“大学先行计划”，即建议：在某理工大学的校园内部，先行建设一个“基于孤岛型微电网的新能源产业共同集群发展的标准化的蜂窝综合服务小区”的试验区。推动孤岛型微电网，在理工大学校园内的示范应用。

具体建设内容，如下：

（1）组建：孤岛型微电网建设的股份合作公司。

（2）金融集团，先行垫付建设资金，然后通过微电网的收益逐年收回投资；

（3）股份合作公司，负责建设孤岛型微电网的电力负荷管理中心。

（4）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内建设一座孤岛型光伏电站；

（5）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内建设一座孤岛型燃气轮机发电站；

（6）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内建设一座蓄电池储能的孤岛型储能电站；

（7）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内建设一座快速充电站；

（8）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内，密集建设：低成本的轮流慢充充电桩（这样可降低投资风险）；

（9）股份合作公司，负责在蜂窝综合服务小区内，基于“人工换电池的小推车”，建设低成本的人工换电模式（这样可降低投资风险）；

（10）在蜂窝综合服务小区内，建设一个“预约换电、定点快速充电、统一维修、汽油车临时租赁、简易充电桩的建设与维护”五位一体的电动汽车综合服务网点；

（11）建设：一个基于孤岛型微电网的高耗能、低污染、高附加值的工业企业（如：电解铜厂、粉末冶金厂……等）；

（12）努力建设形成“基于孤岛型微电网的蜂窝综合服务小区”的技术标准。

3、建设“基于孤岛型微电网的蜂窝综合服务小区”的重要意义

（1）建设孤岛型的微电网，有助于隔离波动的新能源发电、波动的电动汽车充电负荷，对于传统大电网的影响，从而推动新能源产业的大规模应用与发展；

（2）孤岛型的微电网，可以为整个新能源产业提供一个良好的、集群的发展平台；

（3）基于孤岛型微电网建设的一部分高耗能企业，为传统大电网分担了减排压力；

（4）建设低成本的轮流慢充充电桩、建设低成本的人工换电模式，有助于充分降低股份合作公司的经营风险，有助于推动电动汽车的规模应用，推动基于车辆蓄电池的储能电站的快速发展。

（5）有助于帮助中石油、中石化、中海油等传统的化石能源公司，实现产业转型。

4、孤岛型微电网的蜂窝综合服务小区的建设成本预算

【备注：假设，一个孤岛型微电网的面积为：4公里×4公里=16平方公里。成熟期，每平方公里有400辆电动汽车，则一个孤岛型微电网内共有400×16=6400辆电动汽车。且规定：一个孤岛型微电网，只建一个光伏电站、一个储能电站、一个燃气轮机发电站、一个快速充电站，建设大量的低成本的轮流慢充充电桩，只建设一家高耗能企业。】

4.1电动汽车充电设施的建设成本预算

4.1.1轮流慢充的简易充电桩的建设成本

轮流慢充的简易充电桩，成本低廉，每个慢充充电停车位的平均建设成本1000元，使用寿命20年。

电动汽车应用的成熟期，每平方公里有400辆电动汽车，则每平方公里的充电停车位建设费用为：400个×1000元=40万元；一个16平方公里的孤岛型微电网的充电停车位建设费用为：16×40万元=640万元；

4.1.2快速充电站的建设成本

如前所述，一个孤岛型微电网，只建一个快速充电站。

一个快速充电站，征地及建设成本1000万元；假设，一个快速充电站，带有50台快速充电机。每台快速充电机20万元，则需要：20万元×50台=1000万元。

所以，一个快速充电站的建设费用为：1000万元+1000万元=2000万元。

4.1.3电动汽车的每天的电能消耗估算

【备注：光伏发电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站，等等的设计规模都与电动汽车的每天的电能消耗总量有关系。】

假设，每辆电动汽车每年平均行驶10000公里，则每天平均行驶30公里；每百公里消耗电能16度；则每辆电动汽车每天平均消耗电能6度。每平方公里400辆电动汽车，每天平均消耗电能：6度×400辆=2400度。一个16平方公里的孤岛型微电网内的6400辆电动汽车，每天平均消耗电能：6度×6400辆=38400度。

设，每辆电动汽车，工作电压为375V、慢充充电电流为20A，则充电功率为375V×20A=7.5kW。基本上，每辆电动汽车每天平均消耗的6度电能，用20A的慢充电流充电0.8小时，可以补充回来。

4.1.4电动汽车的每天的轮流充电安排

电动汽车实行轮流慢充的充电模式，通过控制轮流慢充系数，来调节瞬时充电功率。一个孤岛型微电网内的6400辆电动汽车，不同轮流慢充系数下的瞬时充电功率，如下：

（1）假设6400辆电动汽车同时慢充，则需要瞬时充电功率为6400×（375V×20A）=50MW；

（2）假设6400辆电动汽车按照0.2（每5辆车轮流慢充）的轮流慢充系数进行慢充，则需要瞬时充电功率为6400×（375V×20A）×0.2=10MW；

（3）假设6400辆电动汽车按照0.1（每10辆车轮流慢充）的轮流慢充系数进行慢充，则需要瞬时充电功率为6400×（375V×20A）×0.1=5MW；

4.2基于孤岛型微电网的高耗能工业企业的电力消耗

假设，一个孤岛型微电网内，只有一家钢化玻璃厂或只有一家电解铜厂。

如：钢化玻璃厂。5mm厚的钢化玻璃，平均耗电：15度/平方；每天生产1000平方，需要耗电15000度。

又如：电解铜厂。生产1吨电解铜需要耗电300度。假设，每天生产50吨电解铜，需要耗电300度×50吨=15000度。

【作者按语：为减少环境污染，可以采取“异地电解铜”的模式。

即：把可能造成污染的工艺环节进行集中，先预处理，得到电解母液；然后，把电解母液运输到各个孤岛型微电网内的电解铜企业进行电解。电解过程中产生的废水废气废渣，又统一进行收集，收集后集中处理。这样，可以最大程度地减少环境污染。】

4.3光伏发电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站

4.3.1光伏发电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站各自的作用

在孤岛型的微电网里面，燃气轮机发电站，主要用于调峰；光伏发电站，主要用于发电出力；蓄电池储能电站，主要用于光伏发电的储能，另外也能参与动态调峰。

其中，蓄电池储能电站，建设成本较高，需要上千万元；光伏发电站，成本在下降，也需要上千万元；燃气轮机发电站，建设成本较低，百万元左右。

需要设计轮流慢充的充电模式，促进有序充电，避免出现电力负荷高峰，以便有效地降低蓄电池储能电站、燃气轮机发电站的建设规模。

4.3.2光伏发电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站的设计规模

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网内的6400辆电动汽车，每天平均消耗电能：6度×6400辆=38400度。电解铜的企业，每天平均消耗电能：15000度。

一个孤岛型微电网内的一天电能消耗，总计为：（38400+15000）=53400度。

相应地，光伏发电站、蓄电池储能电站、燃气轮机发电站，每天需要能联合提供：（38400+15000）度×2=100000度电。其中，1.5为储能系数。

通过安排电动汽车的轮流慢充充电（如：轮流充电系数为0.3，即：每3辆车轮流慢充），可降低三大电站的瞬时出力功率的规模，从而降低设计规模。

电网公司如果能够配合，让微电网使用电网的谷电储能，设计规模还可进一步减小。

【结论：

①一个16平方公里的孤岛型微电网，可以设计为：在12小时内，光伏发电站出力25000度电、蓄电池储能电站储能55000度电（其中，40000度电用于电动汽车充电，15000度电用于高耗能企业生产）、燃气轮机发电站调峰出力25000度电。

②在出力的瞬时功率提供的分配方面：光伏发电站提供2MW；蓄电池储能电站应能动态地提供2MW～6MW；燃气轮机发电站提供2MW；

③电网公司如果能够配合，让微电网使用电网的谷电储能，上述设计规模还可减小；】

4.4光伏组件的建设成本预算

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网，在12小时内，光伏发电站出力25000度电。则，光伏组件平均功率为：25000度电/12小时=2000kW=2MW；

现在（2013年5月）的光伏组件的市场报价为：4.27元/瓦，则光伏组件的建设成本为：4.27元×2MW=850万元；

4.5蓄电池储能电站的建设成本预算

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网，在12小时内，蓄电池储能电站出力55000度电。其中，40000度电，用于电动汽车充电；15000度电，用于高耗能企业。

4.5.1电动汽车充电需要的蓄电池单体数目的估算

每辆电动汽车（工作电压为375V、慢充充电电流为20A），每天平均消耗的6度电能，需要用20A的慢充电流充电0.8小时。则，每辆电动汽车6度电需要消耗的电量为：（375V/24V）×20A×0.8小时=250AH24V；

储能电站，用于电动汽车的储能电量容量为：6400×250AH24V=1600000AH24V；

则蓄电池储能电站，用于电动汽车充电的储能电池，需要：

1600000AH24V/400AH24V=4000个的400AH24V的铅酸电池单体或储能锂电池单体。

4.5.2高耗能工业企业需要的蓄电池单体数目的估算

高耗能的企业，有：钢化玻璃厂、陶瓷地砖厂、粉末冶金厂、电解铜、电解铝等。

举例：电解铜的企业，铜的电化当量是1克/AH（工作电压2V），生产50吨电解铜需要消耗电能容量：50000千克/（1克/AH2V）=50000000AH2V。

一个蓄电池储能电站，用于高耗能企业的储能电量容量（采用24V蓄电池）为：

50000000AH2V=50000000/12=4000000AH24V；

设电池储能50﹪，则蓄电池储能电站，用于高耗能企业的储能电池，需要：

2000000AH24V/400AH24V=5000个的400AH24V的铅酸电池单体或储能锂电池单体。

【小结：一个蓄电池储能电站，需要400AH24V的蓄电池总数为：4000+5000=9000个；】

4.5.3蓄电池储能电站的建设成本估算

如前所述，一个孤岛型微电网，蓄电池储能电站，需要400AH24V的蓄电池总数为：9000个。

现在（2013年5月）的储能铅酸电池的市场报价为：3000元/400AH24V；储能锂电池的市场报价为：10000元/400AH24V。

则：一个孤岛型微电网的蓄电池储能电站（采用铅酸电池单体）的建设成本为：9000个×3000元=2700万元；蓄电池储能电站（采用锂电池单体）的建设成本为：9000个×10000元=9000万元；

4.6燃气轮机发电站的建设成本预算

4.6.1燃气轮机发电站的建设成本估算

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网，在12小时内，燃气轮机发电站出力25000度电。则，燃气轮机发电的平均功率为：25000度电/12小时=2000kW=2MW；

现在（2013年5月）的燃气轮机发电机组的市场报价为：50万元/MW，所以，一个孤岛型微电网的燃气轮机发电站的建设成本为：50万元/MW×2MW=100万元；

4.6.2燃气轮机发电站的一年运行成本估算

天然气价格3元/方。消耗0.3方天然气/度电。燃气轮机发电站，每天发电25000度电，需要消耗天然气0.3方×25000度=7500方，每天需要3元/方×7500方=2万元。一年需要消耗天然气：2万元×365天=700万元。

4.7一个孤岛型微电网的总的建设成本

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网的建设成本，如下：

①充电设施造价为：640万元（慢充充电桩）+2000万元（快速充电站）=2640万元；

②光伏发电站造价为：850万元；

③蓄电池储能电站造价为：2700万元（采用铅酸电池单体），9000万元（采用锂电池单体）；

④燃气轮机发电站的成本为：100万元+700万元=800万元；

综上所述，一个16平方公里的孤岛型微电网建设成本，总计为：7000～1.3亿元，取平均数则为：1亿元。

4.8电动汽车的用户每年的平均分摊费用计算

如前所述，一个16平方公里的孤岛型微电网平均建设成本，总计为：1亿元；

假设，微电网的各种设施折旧年限为20年。

则，一个16平方公里的孤岛型微电网，每辆电动汽车用户的每年需要承担的平均费用为：

（1）早期（每平方公里40辆电动汽车）：（1亿元/20年）/640辆=7800元；

（2）成熟期（每平方公里400辆电动汽车）：（1亿元/20年）/6400辆=780元；

4.9孤岛型微电网的总收益的估算

4.9.1孤岛型微电网的收入

（1）一个孤岛型微电网的充电电费的收益：

假设，每度电收费1元钱。

每辆电动汽车，每天平均消耗6度电；每辆电动汽车一年电费消耗：6度电/天×365天×1元/度电=2200元；一个孤岛型微电网的6400辆电动汽车，一年的电费收益为：6400辆×2200元/辆=1400万元；

（2）基于孤岛型微电网的高耗能工业企业的收益：

如：电解铜的企业，生产1吨电解铜需要耗电300度，电成本300元/吨。15000度电每天可生产50吨电解铜。粗铜的市场价40000元/吨，电解铜的市场价50000元/吨。一年的生产收益为：（50000元-40000元-300元）/吨×50吨/天×365天=1.8亿元；

又如：钢化玻璃厂，5mm厚的钢化玻璃市场售价：65元/平方，耗电：15度/平方；电成本：15度电×1元/度电=15元/平方，则每平方的净利润：65-15=50元/平方；每天耗电15000度，可生产：1000平方，每天净利润：50元/平方×1000平方/天=50000元/天；一年利润：50000元/天×365天=1800万元；

4.9.2孤岛型微电网的支出

（1）一个孤岛型微电网的设施的每年折旧费用：

一个16平方公里的孤岛型微电网平均建设成本，总计为：1亿元；使用寿命20年，每年折旧：9000万元/20年=500万元；

（2）一个孤岛型微电网的职员的工资费用：

假设，一个16平方公里的孤岛型微电网，需要系统维护的职员100人，每人平均年薪6万元，则工资开销：600万元；

（3）燃气轮机发电站的天然气消耗：每年需要700万元；

【结论：一个16平方公里的孤岛型微电网的每年净收益为：

①网内只建有一个钢化玻璃厂时，则为：1920+1800-500-600-700=1920万元；

②网内只建有一个电解铜厂时，则为：1920+18000-500-600-700=1.8亿元；】

附录1：有关专利技术资料一览表

（1）发明专利：《基于物联网及栏杆式供电桩的电动汽车自动充电系统》；

（2）发明专利：《可避免电网过载的电动汽车有序轮流充电控制系统》；

（3）实用新型：《一种路边栏杆式供电桩》；

（4）实用新型：《一种车辆取电装置》；

（5）实用新型：《一种可实现人工更换电池包的可调高度的换电池小推车》；

（6）实用新型：《一种电动汽车的拖曳式电池包》；

附录2、基于孤岛型微电网的新能源产业的蜂窝综合服务小区示意图

图1基于孤岛型微电网的新能源产业的蜂窝综合服务小区的示意图

图2孤岛型微电网的、电动汽车的低成本的轮流慢充充电桩的示意图

图2孤岛型微电网的、电动汽车的低成本的人工换电池模式的示意图