劉佳男，李業(yè)行，張 董，劉海涵，賀敬波

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引言

在習(xí)近平總書記提出的“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略指引下，我國(guó)能源轉(zhuǎn)型工作和產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)深入推進(jìn)，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》的發(fā)布，宣告著我國(guó)將全推進(jìn)鄉(xiāng)村振興建設(shè)。鄉(xiāng)村振興、電力先行，優(yōu)化更新農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)農(nóng)村新能源的充分合理利用，可以滿足農(nóng)村不斷增加的用電需求。

以山東為例，其村莊分布較為零散，農(nóng)村負(fù)荷呈現(xiàn)散而多的特點(diǎn)，難以一條或幾條線路集中供電，導(dǎo)致供電線路過長(zhǎng)、過多，部分10 kV 線路供電壓力大；農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)維工作難度大、檢修工作任務(wù)重等問題也日益明顯；而廣大農(nóng)村風(fēng)能、光能的開發(fā)程度低，依靠傳統(tǒng)化石能源的現(xiàn)象普遍存在。為充分利用風(fēng)光能源，解決農(nóng)村電網(wǎng)升級(jí)瓶頸，圖1 所示的交直流混聯(lián)微電網(wǎng)是一個(gè)良好途徑。

圖1 交直流混聯(lián)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

交直流混聯(lián)微電網(wǎng)主要由交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、雙向功率變換器和能量管理系統(tǒng)4 部分組成［1-2］。以變換器為核心設(shè)備的新型配電網(wǎng)，是未來研究和工程實(shí)踐的一個(gè)新方向。新型配電網(wǎng)將既能同時(shí)滿足不同類型負(fù)荷的需求，又能全面開發(fā)分布式能源、增強(qiáng)新型配電網(wǎng)自身的可靠性和降低對(duì)大電網(wǎng)的影響。因此，開展基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新型農(nóng)村配電網(wǎng)的研究對(duì)促進(jìn)農(nóng)村分布式可再生能源的充分利用、提高農(nóng)村電氣化進(jìn)程具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)微電網(wǎng)的研究相對(duì)單一，一些文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的微網(wǎng)系統(tǒng)中同時(shí)包括交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)，但是在具體研究時(shí)則分開研究，在設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)系統(tǒng)中交流電源對(duì)交流負(fù)荷供電，直流電源對(duì)直流負(fù)荷供電，二者間的能量流動(dòng)受到限制。對(duì)于將直流電源和交流電源進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)電、統(tǒng)一輸送的混合微電網(wǎng)研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)［3］以新能源發(fā)電為基礎(chǔ)，分析了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，利用微電網(wǎng)的就地消納能力，消除了新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、不連續(xù)性的缺點(diǎn)，降低對(duì)大電網(wǎng)的不利影響。文獻(xiàn)［4］介紹一種基于新能源發(fā)電的智能配電網(wǎng)，通過構(gòu)建物理結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行模擬，研究分析了智能配電網(wǎng)運(yùn)行特征、故障判斷、故障智能處理。文獻(xiàn)［5］提出一種集中控制與就地控制結(jié)合的控制方法，在考慮隨機(jī)因素的基礎(chǔ)上，利用集中控制進(jìn)行核心控制，利用就地控制進(jìn)行邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整體與部分的融合，實(shí)現(xiàn)快速控制，消除新能源發(fā)電波動(dòng)的影響。文獻(xiàn)［6］在分析新能源發(fā)電隨機(jī)性、間接性的基礎(chǔ)上，提出了多個(gè)變流器間的協(xié)調(diào)控制策略及能量管理方法。

Grzegorz Iwanski 等人提出了一種直流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行能量管理策略，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)為依據(jù)，利用PI 控制器分別對(duì)發(fā)電過多、發(fā)電不足、儲(chǔ)能裝置過度放電、過度充電進(jìn)行控制［7］。Sun Kai 等人提出一種以直流母線電壓信號(hào)為判斷依據(jù)的能量管理方法，通過將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模式劃分，利用直流母線電壓的變化來進(jìn)行模式切換，最終達(dá)到系統(tǒng)孤島和并網(wǎng)間、不同模式間轉(zhuǎn)換的平滑切換［8］。

傳統(tǒng)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究多集中于相對(duì)獨(dú)立的微電網(wǎng)，不適用于農(nóng)村配電網(wǎng)；傳統(tǒng)控制方法研究多集中于基于母線電壓等級(jí)進(jìn)行分層或分級(jí)控制，負(fù)荷變動(dòng)頻繁時(shí)會(huì)出現(xiàn)母線電壓頻繁波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。能量管理控制方法是實(shí)現(xiàn)新型農(nóng)村配電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行的保證［9-10］。研究以“源荷儲(chǔ)”為基本結(jié)構(gòu)的能量流動(dòng)管理控制方法［11-13］，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模決策變量的優(yōu)化處理和多目標(biāo)優(yōu)化功能［14-15］?；谏鲜鰡栴}，設(shè)計(jì)一種基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新型農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，研究一種以功率守恒為目標(biāo)的能量管理控制方法，實(shí)現(xiàn)可再生能源的接入、不同農(nóng)村配電網(wǎng)間的互連互通，最終實(shí)現(xiàn)基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新型農(nóng)村配電網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

1 新型農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 新型農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖2 為新型農(nóng)村配電網(wǎng)示意圖，擬將各個(gè)村莊的配電網(wǎng)構(gòu)建成基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的微電網(wǎng)，由綜合管理平臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)一控制，將風(fēng)光電源、交直流負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)統(tǒng)一整合，構(gòu)建一個(gè)完全可控且具有一定獨(dú)立性的系統(tǒng)，同時(shí)接入大電網(wǎng)，組建適當(dāng)獨(dú)立且與大電網(wǎng)并行運(yùn)行的新型配電網(wǎng)。利用主動(dòng)并網(wǎng)技術(shù)、電力供需平衡高效互動(dòng)技術(shù)、智能微電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同新型農(nóng)村配電網(wǎng)之間相互連接，最終實(shí)現(xiàn)全國(guó)乃至全球的能量互聯(lián)互通。

圖2 新型農(nóng)村配電網(wǎng)

光伏電源和風(fēng)力電源具有隨機(jī)性與不連續(xù)性，不僅需要保持穩(wěn)定的功率輸出，還需要保持穩(wěn)定的電壓輸出。光伏電源為直流電源，風(fēng)力電源為交流電源，為了統(tǒng)一調(diào)度管理，減少交流—直流或直流—交流的變換環(huán)節(jié)，光伏電源與風(fēng)力電源同時(shí)接入直流母線，儲(chǔ)能裝置采用雙向直流—直流電路接入直流母線，直流母線與交流母線之間采用逆變器連接。

下面主要研究圖2 中交直流母線供電部分及風(fēng)光發(fā)電部分，具體包括配電網(wǎng)接入系統(tǒng)、風(fēng)力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷接入系統(tǒng)和交流負(fù)荷接入系統(tǒng)6個(gè)部分。

1.2 光伏電源系統(tǒng)與風(fēng)力電源系統(tǒng)

光伏電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，由于光伏單板的輸出功率較低，需要將若干光伏單板進(jìn)行串并聯(lián)組合，然后經(jīng)過Boost 變換器構(gòu)成單模組，多個(gè)模組進(jìn)行并聯(lián)組合后接入直流母線。

圖3 光伏電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

風(fēng)力電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示，風(fēng)力電源系統(tǒng)單模組由發(fā)電機(jī)組與三相整流器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓經(jīng)整流后接入直流母線。風(fēng)力電源輸出三相交流電，本研究中采用永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

圖4 風(fēng)力電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流負(fù)荷接入系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)擬采用釩電池，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）功率和容量相對(duì)獨(dú)立，可分別設(shè)置，功率通過改變單電池總數(shù)或電極的表面積來調(diào)節(jié)，容量通過改變電解液的體積和釩離子濃度來調(diào)節(jié)；

2）性能受外部環(huán)境的干擾較小，相對(duì)于普通蓄電池受溫度影響大，其性能受影響較??；

3）使用壽命較長(zhǎng)，過度放電對(duì)性能影響較小，過度放電后充電，容量可以恢復(fù)，不會(huì)對(duì)電池造成致命損傷。

儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過儲(chǔ)能陣列（單電池）的串并聯(lián)組合來提高容量和功率，利用雙向直直變換器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與放能，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)。為順利實(shí)現(xiàn)不同流向的能量任意平滑切換，選用圖5 所示的共用主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流負(fù)荷接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相同，實(shí)現(xiàn)直流—直流變換。

1.4 交流負(fù)荷接入系統(tǒng)與配電網(wǎng)接入系統(tǒng)

交流負(fù)荷接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示，利用三相逆變器、變壓器連接直流母線和交流母線，為交流負(fù)載供能。配電網(wǎng)接入系統(tǒng)中的變換器為三相整流器，為三相逆變器工作的逆過程。

圖6 交流負(fù)荷接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.5 新型農(nóng)村配電網(wǎng)總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

綜上所述，可以得到圖7 所示的新型農(nóng)村配電網(wǎng)總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)上文所列的6 個(gè)子系統(tǒng)。構(gòu)建的新型農(nóng)村配電網(wǎng)包含直流母線和交流母線，分別向直流負(fù)荷與交流負(fù)荷供電，減少了交流—直流變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。為降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性，減少對(duì)現(xiàn)有農(nóng)村電網(wǎng)的改造，將交流母線電壓設(shè)為380 V，與之相匹配的將直流母線電壓設(shè)為650 V。

圖7 新型農(nóng)村配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 新型農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理

通常情況下，構(gòu)建的新型農(nóng)村配電網(wǎng)（下文簡(jiǎn)稱新型配電網(wǎng)）有并網(wǎng)和孤島兩種基本運(yùn)行模式，當(dāng)處于并網(wǎng)模式時(shí)，新型配電網(wǎng)中的負(fù)荷由內(nèi)部電源或大電網(wǎng)供能，此時(shí)新型配電網(wǎng)可以作為一個(gè)可控的微電網(wǎng)；當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)各種故障或需要停電檢修時(shí)，新型配電網(wǎng)快速斷開與大電網(wǎng)之間的連接，并且平滑過渡到孤島的運(yùn)行狀態(tài)，給農(nóng)村重要負(fù)荷提供持續(xù)可靠的電力供應(yīng)，確保農(nóng)村的重要負(fù)荷不受影響，從而增強(qiáng)了農(nóng)村配電網(wǎng)抵御外部故障的能力，減少了因外部故障帶來的不必要損失。因此，構(gòu)建的新型配電網(wǎng)運(yùn)行模式靈活，根據(jù)大電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，在并網(wǎng)和孤島模式下進(jìn)行平滑切換，以達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 新型農(nóng)村配電網(wǎng)能量管理

能量管理采用協(xié)調(diào)控制的模式，控制系統(tǒng)首先對(duì)光伏電源、風(fēng)力電源的輸出功率和負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后制定相應(yīng)的運(yùn)行計(jì)劃，并根據(jù)采集的電壓、電流、功率狀態(tài)信息，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，控制光伏電源、風(fēng)力電源、儲(chǔ)能裝置的啟停，保證新型農(nóng)村配電網(wǎng)的直流母線電壓、交流母線電壓和頻率穩(wěn)定，并提供相關(guān)的保護(hù)功能。

新型配電網(wǎng)功率流動(dòng)如圖8所示。圖中，PPV表示光伏電源輸入功率，PWT表示風(fēng)力電源功率，PACL表示交流負(fù)荷接入系統(tǒng)功率，PDCL表示直流負(fù)荷接入系統(tǒng)功率，PN表示配電網(wǎng)接入系統(tǒng)功率，PSCS表示儲(chǔ)能系統(tǒng)功率。

圖8 新型配電網(wǎng)功率流動(dòng)

當(dāng)電源系統(tǒng)發(fā)電滿足新型配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需要時(shí)，滿足

此時(shí)PN=0，PSCS為正時(shí)，相當(dāng)于負(fù)荷，進(jìn)行儲(chǔ)能；PSCS為負(fù)時(shí)，相當(dāng)于電源，進(jìn)行放能。當(dāng)光強(qiáng)、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素變化時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能量流動(dòng)，保證新型配電網(wǎng)的穩(wěn)定。

當(dāng)電源系統(tǒng)發(fā)電不滿足新型配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需要時(shí)，先由儲(chǔ)能系統(tǒng)放能來維持負(fù)荷需求，當(dāng)儲(chǔ)能裝置電量過低時(shí)，大電網(wǎng)接入，滿足

當(dāng)大電網(wǎng)檢修或故障時(shí)，此時(shí)功率表達(dá)式為式（1），系統(tǒng)將按照負(fù)荷的重要性，切負(fù)荷運(yùn)行。

因此，能量管理主要的關(guān)鍵技術(shù)有：

1）全狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)新型配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集相關(guān)數(shù)據(jù)；

2）新能源發(fā)電管理，對(duì)新型配電網(wǎng)內(nèi)電源工作狀態(tài)及輸出功率進(jìn)行自動(dòng)分配，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行；

3）功率預(yù)測(cè)，對(duì)一定時(shí)間內(nèi)新型配電網(wǎng)的電源工作狀態(tài)和負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行有效的短期、長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果用于優(yōu)化新能源發(fā)電管理并為調(diào)度提供參考；

4）儲(chǔ)能管理，調(diào)節(jié)新型配電網(wǎng)內(nèi)電源與負(fù)荷的供需關(guān)系，用于穩(wěn)定直流母線電壓和削峰填谷等；

5）保護(hù)功能，分為設(shè)備級(jí)保護(hù)、子系統(tǒng)級(jí)保護(hù)和系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，根據(jù)系新型配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)隔離消除故障，縮小故障影響范圍，在特定情況下進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行；

6）智能調(diào)度，根據(jù)新能源發(fā)電管理、功率預(yù)測(cè)、儲(chǔ)能管理，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電源進(jìn)行優(yōu)化整合，提高系統(tǒng)工作效率。

2.2 新型農(nóng)村配電網(wǎng)綜合管理平臺(tái)

新型農(nóng)村配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)實(shí)行數(shù)字化和智能化建設(shè)，采用一體化的設(shè)計(jì)原則，在統(tǒng)一的通信平臺(tái)上，配置一體化的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型農(nóng)村配電網(wǎng)的所有設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，達(dá)到智能調(diào)度的目的。根據(jù)目前的光伏電源、風(fēng)力電源、儲(chǔ)能裝置、并網(wǎng)逆變器等設(shè)備的控制方式，采用統(tǒng)一的通信規(guī)約在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能控制?；诰C合管理平臺(tái)的新型農(nóng)村配電網(wǎng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 基于綜合平臺(tái)管理的新型農(nóng)村配電網(wǎng)架構(gòu)

線上可視化運(yùn)維功能是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。利用多維度報(bào)表統(tǒng)計(jì)、可視化管理，運(yùn)維人員便可在遠(yuǎn)端全面掌握設(shè)備運(yùn)行情況。除此之外，該系統(tǒng)提供專業(yè)APP服務(wù)，管理人員或是基層運(yùn)檢人員，隨時(shí)隨地利用APP快速瀏覽相應(yīng)關(guān)鍵指標(biāo)，如若發(fā)生異常情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出告警信息，密切密切配合相關(guān)單位進(jìn)行巡檢及故障排查。

數(shù)據(jù)是智能化管理工作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)管理存在采集困難、丟包、無法實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳等問題。為避免該類問題的出現(xiàn)，利用多功能光伏電源通信網(wǎng)關(guān)、風(fēng)力電源通信網(wǎng)關(guān)、儲(chǔ)能系統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)、電力通信機(jī)、工業(yè)交換機(jī)等解析多種通信協(xié)議，增設(shè)斷線緩存功能，解決數(shù)據(jù)傳輸、丟失難題，優(yōu)化管理實(shí)現(xiàn)效益最大化。

建立高效的新型農(nóng)村配電網(wǎng)綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)，優(yōu)化人員配置統(tǒng)一管理電力調(diào)度，能夠?qū)崿F(xiàn)健康運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)共享，打造“工業(yè)設(shè)備+工業(yè)APP+工業(yè)平臺(tái)”的垂直生態(tài)體系，有效推進(jìn)新一代信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)深度融合，構(gòu)筑高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、安全的新型農(nóng)村配電網(wǎng)。

3 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink 平臺(tái)中搭建基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新型農(nóng)村配電網(wǎng)仿真模型，包括配電網(wǎng)接入系統(tǒng)、風(fēng)力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷（充電樁）接入系統(tǒng)和交流負(fù)荷接入系統(tǒng)。

首先對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，然后對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真。由于風(fēng)光電源受環(huán)境影響較大，限于文章篇幅，子系統(tǒng)仿真主要對(duì)風(fēng)光電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

光伏電源采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)的MPPT算法，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)2 s，溫度為25 ℃，光強(qiáng)在開始時(shí)為1 000 W/m2，在0.5 s時(shí)降低為500 W/m2，在1.5 s時(shí)增強(qiáng)為800 W/m2。由此可以得到如圖10 所示的光伏電源輸出功率的仿真波形。

圖10 光照強(qiáng)度與光伏電源輸出功率

由圖10（b）可知，在t=0.05 s時(shí)，光伏電源開始穩(wěn)定輸出，說明本文采用的變步長(zhǎng)擾動(dòng)的MPPT 算法追蹤效果良好；在t=0.5 s 時(shí)，隨著光照強(qiáng)度突然降低，光伏電源輸出功率迅速降低，在短暫調(diào)節(jié)后恢復(fù)至最大功率點(diǎn)，并保持穩(wěn)定；在t=1.5 s 時(shí)，光照強(qiáng)度突然增強(qiáng)，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)后恢復(fù)至最大功率點(diǎn)。

風(fēng)力電源機(jī)側(cè)整流器采用內(nèi)環(huán)電流外環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為2 s，設(shè)置最大風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)速在開始時(shí)為7.2 m/s，在0.5 s時(shí)風(fēng)速增大為9.6 m/s，在1.5 s時(shí)風(fēng)速增大至為13 m/s，風(fēng)力電源輸出功率如圖11所示。

圖11 風(fēng)速變化與風(fēng)力電源輸出功率

由圖11（b）可知，在t=0.1 s 時(shí)，風(fēng)力電源開始穩(wěn)定輸出，說明系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤效果良好；在t=0.5 s時(shí)，隨著風(fēng)速突然增加，風(fēng)力電源輸出功率迅速增加，波形平滑，功率有較小波動(dòng)；在t=1.5 s時(shí)，風(fēng)速過大，超過了設(shè)定的最大風(fēng)速（12 m/s），為防止風(fēng)機(jī)機(jī)械損壞，風(fēng)力電源限功率運(yùn)行。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所構(gòu)建的新型農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的正確性、能量管理的有效性，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真分析，由于大電網(wǎng)供能時(shí)，與現(xiàn)有電網(wǎng)基本相同，因此重點(diǎn)研究系統(tǒng)內(nèi)部的能量調(diào)節(jié)。表1 為系統(tǒng)整體仿真功率參數(shù)。

設(shè)置仿真時(shí)間為6 s，直流母線電壓650 V，交流母線電壓380 V，子系統(tǒng)功率如表1 所示，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)功率波形如圖12 所示。其中，儲(chǔ)能功率為負(fù)表示放能，為正表示儲(chǔ)能。

表1 系統(tǒng)整體仿真功率參數(shù)

圖12 電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)功率波形

由圖12可知：

0～1 s，風(fēng)速低于額定風(fēng)速，電源的功率低于負(fù)荷側(cè)功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差額由儲(chǔ)能系統(tǒng)放能補(bǔ)充；

1～2 s，光強(qiáng)低于額定光強(qiáng)，電源的功率低于負(fù)荷側(cè)功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差額由儲(chǔ)能系統(tǒng)放能補(bǔ)充；

2～3 s，風(fēng)速和光強(qiáng)均達(dá)到額定值，風(fēng)光電源的輸出功率達(dá)到額定值10 kW，PPV+PWT=PDCL+PACL，系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；

3～4 s，交流負(fù)荷由10 kW 增大至20 kW，此時(shí)PPV+PWT＜PDCL+PACL，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率為負(fù)，進(jìn)行放能維持系統(tǒng)功率平衡；

4～5 s，交流負(fù)荷由20 kW 減小至5 kW，此時(shí)PPV+PWT＞PDCL+PACL，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率為正，進(jìn)行儲(chǔ)能維持系統(tǒng)功率平衡；

5～6 s，直流負(fù)荷由10 kW 增大至20 kW，此時(shí)PPV+PWT＜PDCL+PACL，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率為負(fù)，進(jìn)行放能維持系統(tǒng)功率平衡。

直流母線電壓波形如圖13 所示。整體上看，系統(tǒng)的功率波形平滑穩(wěn)定，只有在模式切換時(shí)有一定的波動(dòng)，證明了系統(tǒng)中能量的穩(wěn)定流動(dòng)；直流母線電壓穩(wěn)定在模式切換時(shí)僅有微小的波動(dòng)，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖13 直流母線電壓波形

系統(tǒng)整體仿真表明，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能保持能量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與穩(wěn)定流動(dòng)，直流母線電壓始終維持穩(wěn)定，驗(yàn)證了所構(gòu)建的新型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的正確性、能量管理策略的有效性。

4 結(jié)語

針對(duì)目前農(nóng)村配電系統(tǒng)與新能源開發(fā)利用中的問題，構(gòu)建基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新型農(nóng)村配電網(wǎng)，子系統(tǒng)包括配電網(wǎng)接入系統(tǒng)、風(fēng)力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷接入系統(tǒng)和交流負(fù)荷接入系統(tǒng)，給出了每個(gè)子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，以功率守恒為目標(biāo)，利用能量管理策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過仿真分析得到如下結(jié)論：

1）構(gòu)建的新型農(nóng)村配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)能的充分開發(fā)利用，提高了能源利用率，降低了農(nóng)村配電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的依賴，降低了新能源發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)的影響，減輕了運(yùn)維檢修的壓力，實(shí)現(xiàn)安全可靠高效用電。

2）基本解決農(nóng)村配電網(wǎng)“低電壓”等電能質(zhì)量問題。本文構(gòu)建的新型農(nóng)村配電網(wǎng)，符合“半徑短、容量小、布點(diǎn)集”的原則，采用大量先進(jìn)電力電子設(shè)備，保證供電的功率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、諧波含量低，電能質(zhì)量高。

3）部分解決農(nóng)村配電網(wǎng)長(zhǎng)距離輸電線損較大的問題，實(shí)現(xiàn)能源的就地消納，未來多個(gè)村莊聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，就近相互補(bǔ)充，減少使用集中發(fā)電基地的電能使用，進(jìn)而降低線路損耗。

4）進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)村電氣化進(jìn)程，減少農(nóng)村對(duì)煤炭等化石能源的依賴，降低對(duì)環(huán)境的污染和碳排放。