电力频道
我国临海海域广阔，蕴藏着丰富的海洋能储量和可开发利用量，包括有潮流能、温差能、波浪能、盐差能、海上风能等多种海洋能源。
当前海洋权益的重要性日益凸显，我国海域散布着众多的海岛，面积大于500m2的有6961个（不含海南省本岛和台湾、香港、澳门所属海岛），其中有居民海岛433个，无居民海岛6528个[1]。岛屿的电力保障是实现岛屿有人居住、值守的关键条件。近岸海岛的用电可依靠大陆的电网，通过海底电缆引电，而偏远的孤立海岛则引电困难多自设柴油发电机。采用柴油发电成本高，对柴油的长距离运输及储运有要求。海岛周边如有可利用的海洋能资源，构建多种能源互补的电力系统，将大大减少对柴油的依赖，提供海岛供电的可靠性。
潮汐是海水在月球、太阳等的引力作用下形成的周期性海水涨落现象。潮汐现象伴随着两种运动形态：涨潮和退潮引起的海水垂直升降，即潮汐；海水的水平运动，即潮流。前者是所携带的能量（潮汐能）为势能；后者所携带的能量（潮流能）为动能[2]。
我国潮流能储量十分丰富，根据对130个水道的计算统计，我国沿岸海流资源理论平均功率约为14000MW。相当一部分岛屿周边海域存在有可利用的潮流能资源。
针对孤岛的海洋能发电方案中，潮流能电站具有非常大的竞争力，也是海洋能利用的主要方向。潮流能与常规水力发电相比，潮流能的能量密度还比较低（但远大于风能和太阳能）；潮流能是一种随时间、空间而变化的能源，但其变化有规律可循，并可提前预报。鉴于潮流能的特点，为了保证海岛供电的持续性和可靠性，应利用多种能源发电实现互补[3]，建成分布式稳定的微电网为孤立海岛用户供电。
海岛海洋多能互补独立电力系统由发电、输变电、配电、用户4部分构成一个独立的小型电网。以黄海海域的孤立海岛为例，介绍如何实现海岛海洋多能互补独立电力系统。多能互补发电系统包括潮流能发电系统、风力发电系统和太阳能光伏发电系统，如图1所示。
图1 电力系统示意图
2.1 潮流发电系统
潮流发电系统采用自适应背流式水轮机，4套发电机组相对独立布置。每套机组由底座基础结构、支撑结构和（背流式）水轮发电机组等组成。底座基础结构为重力式钢筋混凝土结构（或钢桩），座在潮流水道海床。支撑结构为钢质三角形导管架形式，由底座、立管和斜撑管组成。水流绕流发电机舱后推动下游水轮机叶片转动，水轮机主轴通过增速齿轮箱驱动发电机，潮流方向改变时叶轮能自动换向。发电机发出的电力通过300m的海底电缆和600m的陆缆输送到临近海岛岸上集控中心， 经过变频控制与岸上电网连接并入独立网供电，电站实现远程全自动控制运行。
2.1.1背流式水轮机
此海岛处水域最高流速为1.35m/s，可产生的叶轮转速为9.4r/min，所以需要输入转速满足9.4r/min的发电机。目前市场上销售的均为转速较高的发电机，若采用此种方案，则需专门定制特殊的发电机。因此，在传动系统设计上采用半直驱式，通过一级行星齿轮增速，从而使叶轮转速达到发电机的输入转速，提高了发电效率。细化后的半直驱式方案如图2所示，水轮发电机组主要零部件有叶轮、发电机、机舱、增速器、整流罩、主轴等。
1—整流罩；2—叶片；3—联轴器；4—增速器；5—箱体；6—发电机；7—尾罩；8—联轴器；9—主轴；
图2 半直驱式水轮发电机图
采用背流式裸机机组，直接利用叶片对潮流能量的吸取作用而做功，避免设置结构形式较为庞大、沉重的导流罩。为了增加装置对潮流流向的适应力及捕获能量的能力，背流式裸机机组的底部支撑杆设计为具有适应潮流变化的自适应转向功能，使发电机组能够随着潮流变化而自行旋转，始终保持以背流的姿态迎接来流。
2.1.2 电能变换系统设计
电能变换系统由AC/DC 变换器和DC/DC变换器串联组成。第一级AC/DC电力变换用于将潮流能发电装置发出的不稳定交流电变换为直流电；第二级DC/DC电能变换的主要作用是根据系统能量管理的要求和发电系统前级AC/DC输出情况，将AC/DC变换器的输出电能送到直流母线上并控制直流汇流母线电压，将其保持在设计的范围内。两级电能变换装置配合，完成将发电机发出的电压、频率均不稳定的交流电变换为电压稳定的600V直流电，输送到公共直流母线，电能变换的拓扑结构见图3。
图3电能变换系统的拓扑结构（升降压型）
2.2风力发电系统
本岛上的风力发电系统采用3台风力发电机组成。风力发电机组采用永磁直驱型式，风轮与发电机直接耦合。风力发电机组额定电压为直流420V。
风力发电系统还配有风机控制器、卸荷器、直流配电柜、DC/DC转换器等，如图4所示。风机控制器可以通过采集电压、电流，以及机身温度和风速等模拟信号，来参与风机的各个控制，并通过通信实时监控和查看历史记录，随时了解风机现在和近来的运行情况和数据。每台控制器具备分流卸荷箱，配套卸荷器，是为了防止过载，通过卸荷器把多余的电卸载掉，使风机可以继续转动工作。从风机接线盒进来的多路直流导线合并成两路电缆输出，通过直流配电柜接到DC/DC变换器上。DC/DC变换器是一种能高效地实现直流到直流功率变换的混合集成功率器件，将风力发电机额定输出电压直流420V变换到直流600V后输送到公共直流母排。
图4 风力发电装置结构配置示意图
2.3太阳能发电系统
太阳能发电的总容量为50kW ，太阳能发电系统由光伏电池组件及其支架、光伏阵列防雷汇流箱、直流防雷配电柜、通信监控系统等组成，其结构与配置如图5所示。
光伏整列组件固定在支架上，可露天安装在集控中心及其他可利用建筑的顶部。50kW太阳能电池光伏阵列由270块增强型高效多晶硅太阳能电池组件组成，每块电池组件功率为188W。单体光伏电池的输出电压、电流和功率都很小，一般只有0.5V左右，不能满足作为电源应用的要求，为了提高输出功率，需要将多个单体电池合理地串、并联后封装成组件。此外，太阳能本身是一种低密度的平面能源，需要用大面积的太阳能电池来采集，所以在需要更大功率的场合，还需要再将多个组件组成方阵，以提供数值更大的电流、电压的输出。为了减少光伏电池组件到DC/DC变换器之间的连接线，以及方便操作和维护，直流侧采用分段连接、逐级汇流的方式，通过光伏阵列防雷汇流箱将光伏阵列进行汇流，直流防雷配电单元将汇流箱输出进行配电汇流，通过控制器输出给DC/DC变换器，转换成直流600V后输送到直流公共母排。
图5 太阳能发电装置结构配置示意图
2.4海洋多能互补并网方案
海洋多能互补的并网方案如图6所示。各可再生能源机组均经DC/DC转换器接入到直流母线；储能单元通过电池组管理单元接入直流母线；Dump负载经调节控制器接入直流母线；逆变器接入直流母线，逆变为交流输出；柴油发电机通过同期接入到交流母线，实现柴油发电机与可再生能源机组的并网发电。
不同发电装置并网时，在发电能力许可的情况下，可通过设定转换模块的输出特性，来设定某个发电装置功率输出的优先级和容量。直流并网采用的转换模块工作在高频开关模式，动态响应速度快(毫秒级)，能对发电变化和用户负载变化快速地响应。
连接在直流总线上的蓄电池组可以存储能量，平衡发电和用户负载，同时起到稳定母线电压的作用。在发电不足时，蓄电池储能装置放电维持负载运行。需配置的电池组容量主要跟用户的关键负载容量和持续应急工作时间相关，并跟最大的单个负载容量有一定关联。在直流母线上连接DUMP负载，在电压高于一定值时，DUMP负载自动工作，消耗多余的能量。
图6 海洋多能互补并网方案拓扑架构图
随着技术的不断进步，成熟产品的大量涌现，就地开发利用潮流能，辅以其他清洁能源或常规能源并网发电，是解决沿海和海岛能源紧缺的重要措施，能有力推动我国的海洋经济发展和海防事业发展。
参考文献
[1] 刘富铀，张俊海，刘玉新，等．海洋能开发对沿海和海岛社会经济的促进作用[J] ．海洋技术，2009, (1)：115-119
[2] 戴庆忠．潮流能发电及潮流能发电装置[J] ．东方机电，2010, (2) :51-66
[3] 张理．我国海洋能开发利用思路初步探索 [J] ． 中国造船, 2012, (11) : 555-560.