摘要：隨著可再生能源的廣泛應(yīng)用，農(nóng)村地區(qū)的微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)逐漸成為研究熱點。圍繞農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及其能量管理系統(tǒng)設(shè)計展開研究，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方面重點介紹了微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成，提出了分布式電源的接入原則和技術(shù)要求；在能量管理系統(tǒng)設(shè)計方面，著重討論了數(shù)據(jù)采集與處理、能量管理策略、優(yōu)化算法，以及人機交互界面等核心內(nèi)容，以實現(xiàn)電能的高效管理、優(yōu)化調(diào)度和智能控制；最后，通過系統(tǒng)演示來展示農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)的可觀、可測、可調(diào)、可控能力，驗證設(shè)計方案的有效性，從而為農(nóng)村微電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供有益思路和參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村微電網(wǎng)； 能量管理系統(tǒng)； 可再生能源

中圖分類號：TM73 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）06-0054-04

2024年3月18日國家發(fā)改委公布《全額保障性收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》，該辦法規(guī)定自2024年4月1日起，可再生能源發(fā)電項目的上網(wǎng)電量將分為保障性收購電量和市場交易電量兩部分，這也意味著包括農(nóng)村地區(qū)在內(nèi)的新能源上網(wǎng)電量將受到進一步限制。在此之前，由于并網(wǎng)容量有限，農(nóng)村地區(qū)成為眾多光伏建設(shè)企業(yè)搶占市場的熱土，大量屋頂光伏建設(shè)并網(wǎng)。隨著光伏并網(wǎng)容量的快速提升，地區(qū)電網(wǎng)承載力不足、消納能力不足等問題日益凸顯，尤其在電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)薄弱的農(nóng)村地區(qū)，出現(xiàn)低壓向高壓反送電的情況[1-3]。2023年以來，廣西、安徽、江西、山東、河南等地為保障地區(qū)供電安全已陸續(xù)出臺關(guān)于分布式光伏備案和建設(shè)方面的管控措施，嚴(yán)格控制以自然人身份申報并網(wǎng)。

在此背景下，由于農(nóng)村地區(qū)分布式光伏并網(wǎng)容量受限，微電網(wǎng)技術(shù)成為解決分布式光伏過度開發(fā)問題的重要手段。農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)通過整合分布式電源、儲能設(shè)備、電力電子裝置及智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電能的可靠供應(yīng)、高效利用和優(yōu)化管理，對推動農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型、提升農(nóng)村電力服務(wù)水平、促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。探討農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括硬件構(gòu)成和軟件能量管理系統(tǒng)兩部分。

1農(nóng)村電網(wǎng)的供電問題

隨著農(nóng)村電氣化程度越來越高，農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷快速增長。農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷主要包括工業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷3類，其中涉及對供電可靠性要求較高的傳統(tǒng)工業(yè)、灌溉水泵等負(fù)荷，也包括一般用戶照明、電炊具、電采暖、空調(diào)、電動交通工具等。與城市電氣化相比，農(nóng)村地區(qū)更容易出現(xiàn)供電不足的問題，主要包括以下幾方面：

1.1供電穩(wěn)定性不足

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施在某些農(nóng)村地區(qū)的配電變壓器數(shù)量有限、供電服務(wù)面積過于寬廣，電網(wǎng)線路末端的感性負(fù)荷集中，尤其是電動機等設(shè)備的大量使用，造成電網(wǎng)負(fù)載分配不均衡，尤其在用電高峰時段常常導(dǎo)致電壓降低，出現(xiàn)階段性或持續(xù)性的低壓供電問題。這不僅對居民的日常生活造成不便，如照明不足、電器無法正常工作等，同時也對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟活動產(chǎn)生負(fù)面影響，限制了工商業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化。

1.2供電可靠性不足

農(nóng)村電網(wǎng)輸電及配電設(shè)施老化，線路安全性和抗干擾能力弱。同時，農(nóng)村人口地域分散，事故斷電后運維人員支撐難度大。

1.3消納能力不足

農(nóng)村地區(qū)勞動生產(chǎn)具有較強的季節(jié)性，導(dǎo)致農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷同樣呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，全年負(fù)荷曲線呈雙峰特性。隨著農(nóng)村屋頂光伏大量并網(wǎng)，農(nóng)網(wǎng)消納壓力瞬間攀升，極易出現(xiàn)低壓向高壓反送電的情況[4]。

農(nóng)村地區(qū)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和消納能力不足，會直接影響電力消費和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，嚴(yán)重制約農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。為此，提出一種農(nóng)村地區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及能量管理系統(tǒng)設(shè)計，通過信息化技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)村地區(qū)分布式電源、儲能及用電負(fù)荷的實時監(jiān)測和優(yōu)化運行，從而提升農(nóng)村光伏消納率和配網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

2農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

微電網(wǎng)系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、負(fù)荷管理系統(tǒng)及應(yīng)急電源系統(tǒng)5部分，各子系統(tǒng)通過AC400V母線耦合，可由以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線或4G/5G無線專網(wǎng)作為通訊手段實現(xiàn)與能量管理系統(tǒng)之間的信息交互。農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可以看出，各家各戶使用的屋頂光伏和分散式風(fēng)機等微電源通過集中匯流并入10 kV配電網(wǎng)，不再采用單獨并網(wǎng)方案。儲能設(shè)備（如鋰離子電池、鉛酸電池或超級電容）是系統(tǒng)的關(guān)鍵，其通過雙向逆變器來平衡供需，能夠增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。監(jiān)控保護設(shè)備實時監(jiān)測電壓、電流和功率等參數(shù)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，通過數(shù)據(jù)分析及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警安全隱患，有助于提升微電網(wǎng)智能化。

微電網(wǎng)技術(shù)整合了分布式電源、儲能和柔性負(fù)荷，簡化了配電網(wǎng)調(diào)度，促進了新能源的就地消納，提高了光伏和風(fēng)力發(fā)電的利用率，減少了電網(wǎng)建設(shè)成本[5]。這一技術(shù)不僅優(yōu)化了能源配置，還為農(nóng)村地區(qū)提供了高效、可靠的電力供應(yīng)。

3微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)設(shè)計

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是實現(xiàn)對微電網(wǎng)電能進行高效管理、優(yōu)化調(diào)度和智能控制的關(guān)鍵部分。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可以看出，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)分為接入層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層4部分，主要功能包括數(shù)據(jù)采集與處理、能量管理、優(yōu)化算法和人機交互界面等。

3.1數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)可實時采集農(nóng)村微電網(wǎng)中儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、光伏逆變器、居民負(fù)荷和電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率、溫度等參數(shù)，并支持其他多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)接入。管理系統(tǒng)可以在線監(jiān)測微電網(wǎng)系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備狀態(tài)等，為能量管理策略的制定提供依據(jù)。

3.2能量管理

能量管理是農(nóng)村微電網(wǎng)軟件能量管理系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)能夠根據(jù)峰谷電價、限電政策、應(yīng)急需求等不同的使用場景，結(jié)合電源情況、負(fù)荷需求和儲能狀態(tài)，制定合適的能量調(diào)度策略[6]。系統(tǒng)能夠直接向PCS發(fā)送有功、無功等控制指令，控制PCS執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)電能的合理分配和高效利用。例如，在電源充足且負(fù)荷較低時，可以優(yōu)先使用可再生能源發(fā)電；在電源不足或負(fù)荷高峰時，可以通過儲能設(shè)備釋放電能來保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3.3優(yōu)化算法

優(yōu)化算法對于提高農(nóng)村微電網(wǎng)的能量管理效率至關(guān)重要。通過采用遺傳算法、粒子群算法等先進的優(yōu)化技術(shù)，可以對微電網(wǎng)的能量管理策略進行精細(xì)調(diào)整，從而實現(xiàn)電能的高效調(diào)度與分配[7]。這些算法能夠?qū)崟r響應(yīng)微電網(wǎng)的運行狀態(tài)和用電需求，自動優(yōu)化能量流，確保供電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。它們通過智能化的決策支持，增強了微電網(wǎng)對可再生能源波動的適應(yīng)能力，提升了系統(tǒng)整體的能源利用效率和供電可靠性。

3.4人機交互界面

人機交互界面在提升農(nóng)村微電網(wǎng)軟件能量管理系統(tǒng)的可用性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[8]。它通過直觀的設(shè)計和簡易的操作流程，使用戶能夠輕松地實時監(jiān)控微電網(wǎng)的運行狀態(tài)、查看設(shè)備的性能數(shù)據(jù)和能量流動情況。用戶界面不僅提供信息展示，還允許用戶執(zhí)行參數(shù)配置、下發(fā)控制指令等操作，從而實現(xiàn)對微電網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控和智能管理。這種交互方式極大地提高了微電網(wǎng)的可管理性和用戶的參與度，增強了系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)速度。

4系統(tǒng)演示

用戶使用專屬賬號通過Web登錄微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，可對微電網(wǎng)中的分布式電源、儲能、用電負(fù)荷等單元進行實時監(jiān)控。

系統(tǒng)通過實時采集微電網(wǎng)中各單元的發(fā)/用電狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率等，能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、故障告警、消息推送、自動控制等高級應(yīng)用，在微電網(wǎng)處于不同的運行場景時進行自動有序的管理。例如，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動執(zhí)行切負(fù)荷操作，調(diào)整各分布式電源的功率分配，并輔助微電網(wǎng)切換到離網(wǎng)運行模式，從而保證關(guān)鍵負(fù)荷不會突然斷電，當(dāng)檢測到電網(wǎng)側(cè)故障恢復(fù)之后，會自動恢復(fù)到并網(wǎng)運行模式。同時，系統(tǒng)還會考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性，確保在滿足供電需求的同時，實現(xiàn)成本最低化和環(huán)境影響最小化。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)如圖3所示。

5結(jié)論

農(nóng)村地區(qū)的微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及能量管理系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下4個優(yōu)勢：

1） 提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。通過減少分布式電源并網(wǎng)點數(shù)量來簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低調(diào)度復(fù)雜性，有助于緩解新能源并網(wǎng)可能帶來的頻率波動和電壓不穩(wěn)定問題，有助于確保電網(wǎng)平穩(wěn)運行。2） 提升電網(wǎng)可靠性。提升電網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵在于應(yīng)用信息化技術(shù)，以實現(xiàn)對發(fā)電和用電環(huán)節(jié)的實時監(jiān)測與智能控制。這種可觀測、可控制的能力使電網(wǎng)系統(tǒng)更加智能化，提高了對異常情況的響應(yīng)速度和處理效率，增強了電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性和供電可靠性。3） 提升新能源利用效率。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，減少電能在不同形式間的轉(zhuǎn)換損失，直接提高了能源轉(zhuǎn)換和利用的整體效率。4） 降低消納成本。優(yōu)先自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，減少了電網(wǎng)消納系統(tǒng)的建設(shè)成本，同時降低了電費成本。

智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合為農(nóng)村微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化帶來了新的發(fā)展機遇。隨著這些技術(shù)的進步，農(nóng)村微電網(wǎng)的管理能力和智能化水平將顯著提高，能源管理將變得更加精細(xì)化和個性化。強化與公共電網(wǎng)的互聯(lián)互通，農(nóng)村微電網(wǎng)不僅能更深入地融入到更大的電網(wǎng)體系中，還能實現(xiàn)電力資源的高效優(yōu)化和合理共享。這種系統(tǒng)的未來發(fā)展前景廣闊，它將在農(nóng)村地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中扮演更加重要的角色，提供穩(wěn)定而高效的能源支持，有利于推動農(nóng)村經(jīng)濟社會的全面發(fā)展和進步。