摘 要：我國農村屋頂資源豐富，但因農網承載力不足，導致農村屋頂光伏難以大規(guī)模推廣。電動汽車下鄉(xiāng)及農業(yè)機械電動化對提高農村用電負荷且為家庭微電網建設降低儲能的建設成本，提高家庭微電網具有可行性。該文提出一個未來農村能源社區(qū)虛擬電廠解決方案，通過直流母線與交流母線混合型微電網可使農村屋頂光伏大規(guī)模推廣，同時通過虛擬電廠中模型預測控制與家庭微網系統(tǒng)相結合的方式可降低農村社區(qū)用電成本及通過需求響應提供電網的靈活性。

關鍵詞：農村能源；虛擬電廠；微電網；智慧農村；解決方案

中圖分類號：TM727.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0189-04

Abstract： China is rich in rural roof resources， but due to the lack of carrying capacity of rural power grid， rural roof photovoltaic is difficult to be popularized on a large scale. The electric vehicles going to the countryside and the electrification of agricultural machinery increase the rural power load and reduce the construction cost of energy storage for the construction of household microgrid， and improve the feasibility of household microgrid. This paper puts forward a future rural energy community virtual power plant solution， which can popularize rural roof photovoltaic on a large scale through DC bus and AC bus hybrid microgrid. At the same time， through the combination of model predictive control in virtual power plant and family microgrid system， the cost of electricity in rural community is reduced and the flexibility of power grid is provided through demand response.

Keywords： rural energy; virtual power plant; microgrid; intelligent countryside; solution

能源產業(yè)是鄉(xiāng)村振興的重要支撐，發(fā)揮可再生能源分布式創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢，加快推進農村新能源推廣，對保障農村地區(qū)能源安全、助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標任務、全面推進鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

通過分析全國農村地區(qū)建筑物屋頂可利用的光伏發(fā)電空間資源，基于清華大學建筑節(jié)能研究中心與自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心的合作，以全國高分辨率衛(wèi)星影像為基礎，國外高分辨率影像數據為補充，對農村地區(qū)的屋頂面積和可安裝光伏的潛力進行了總體評估[1]。結果表明，2020 年全國農村建筑屋頂面積約為 273.3億m2，結合建筑屋頂可利用面積比例系數，估算得到農村屋頂可安裝光伏板面積為131億m2，考慮到各地太陽能資源差異和光伏發(fā)電效率，計算得到全國農村屋頂光伏可安裝規(guī)?？偭繛? 970 GW，年發(fā)電量為295萬GWh。

1 農村電力系統(tǒng)存在的問題

在當前的農村能源結構中，光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源，正逐漸受到重視。然而，隨著分布式光伏發(fā)電、風力發(fā)電、地熱發(fā)電、生物質能發(fā)電、儲能技術及電動汽車等新型能源技術的廣泛接入，農村電網面臨著一系列新的技術挑戰(zhàn)。主要面臨著以下幾種問題[2]。 第一，農村電網的容量裕度和承載能力不足，限制了大規(guī)模分布式能源的接入。當大量的分布式能源接入配電網時，會導致電網中的潮流方向頻繁變化，出現(xiàn)雙向潮流現(xiàn)象。

第二，由于分布式能源的波動性和不確定性，可能導致電網的高低壓越限問題，即電壓超過規(guī)定的安全范圍。

第三，當電網中的電力流量超過線路的承載能力時，可能會引發(fā)線路阻塞，進而引發(fā)線路故障。

第四，農村對傳統(tǒng)能源的依賴仍然較強。在北方農村，煤炭仍然是最主要的能源，用于供暖和烹飪等。而在農業(yè)機械方面，柴油是主要的能源，占農業(yè)機械用能的95%以上，大大限制了新能源的推廣與發(fā)展。

因此，為了解決上述技術挑戰(zhàn)，需要研究和推廣需求側管理、綜合資源規(guī)劃、廣義負荷、負荷聚合商和虛擬電廠等新型技術。需求側管理是一種通過調整用戶端的用電行為來平衡電網負荷的方法。綜合資源規(guī)劃則是通過整合各種能源資源，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置。廣義負荷是指考慮了可再生能源的不確定性和波動性后的電網負荷。負荷聚合商是將多個小用戶的負荷集中起來，形成一個大的負荷，以便更好地參與電力市場。虛擬電廠是一種將分布式能源、儲能設備、電動汽車和電動農機等整合在一起，形成一個虛擬的電力供應商，可以更好地響應電網的需求。

2 虛擬電廠解決方案

2.1 構建以家庭為單位的微電網

家庭微電網是指在家庭層面構建的小型電力系統(tǒng)，它能夠整合家庭內部的能源設備，如太陽能發(fā)電、儲能設備和智能電器，實現(xiàn)能源的自給自足和優(yōu)化管理。因此，農村家庭可以減少對中央電網的依賴，提高能源利用效率，并在電網故障時保持電力供應的穩(wěn)定性。

以一個擁有200 kVA臺區(qū)變壓的100戶居民的農村社區(qū)為例，以傳統(tǒng)自發(fā)自用分布式光伏的模式建設，按照現(xiàn)有的政策，各級電網主變（配變）所接入的光伏容量不應超過設備額定容量的80％，只能建設160 kW的光伏。以一戶安裝10 kW的光伏計算，只有16戶人家可以安裝光伏，還有84戶家庭的屋頂閑置。

采用微電網模式建設，可以讓每家每戶都安裝光伏。200戶的農村社區(qū)每戶安裝光伏10 kW，年光照有效小時按1 000 h計算，光伏每年可為農村社區(qū)提供200萬kWh新能源電力，平均每戶1萬kWh。如圖1所示，采用交直流混合網架設計，配有儲能電池的電動車、電動農機、儲能電池與光伏采用直流供電系統(tǒng)，通過雙向變流器與原有家庭交流供電系統(tǒng)連接，為了防止對農網沖擊采用可控負荷開關與進戶線相連。

EMS（能量管理系統(tǒng)）為微電網的大腦，通過微電網控制器協(xié)調控制各個電氣設備。白天光照較好的時候，光伏除了給家電供電外，多余的電存儲于儲能系統(tǒng)（電動車、電動農機及儲能電池），再有多余的電可以低價賣給鄰居或停止發(fā)電。那么光照不足或無光照的時候儲能電池、電動農機及電動車按照優(yōu)先等級依次為家電供電。當既無光照且儲能系統(tǒng)無電時，可以向鄰居或者農村社區(qū)外部電網購電。儲能系統(tǒng)（電動車、電動農機及儲能電池）、光伏、家電在EMS的控制下平穩(wěn)、有序進行，在不與農網進行電能量交互時，保持斷開狀態(tài)，這樣可以最大限度地減輕農網負擔。

圖1 家庭微電網系統(tǒng)圖

2.2 虛擬電廠架構

每戶之間電能量交互，電費結算就需要借助VPP（虛擬電廠）來解決。如圖2所示，VPP集合智能系統(tǒng)、預測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)及市場系統(tǒng)。VPP集合每家每戶光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)及用電負荷，可以緩解外部電網的穩(wěn)定性及調度的問題，整個農村社區(qū)可以單獨運行，每家每戶的微電網系統(tǒng)也可以單獨運行，VPP提高了所有用戶用電的靈活性，能充分且經濟地使用光伏發(fā)電。

圖2 農村能源社區(qū)虛擬電廠

VPP通過每戶微電網的EMS來監(jiān)視和控制光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及用電負荷，VPP還收集農村能源社區(qū)外部電網狀況及電價，通過預測建模和控制算法來管理。預測建模是一種統(tǒng)計方法，其使用機器學習和數據挖掘預測未來可能發(fā)生情況?？刂扑惴ㄊ且环N邏輯形式，用于分析測量值和設定值之間的差異。

2.3  點對點能源交易

本地能源交易可以有效地緩解農村分布式光伏增長與電網承載力不足的矛盾[3]。用戶由于有了分布式光伏及儲能系統(tǒng)，可以由傳統(tǒng)電力消費者向電力產銷者轉變。用戶分布式光伏產生的多余電力可存儲，或銷售給鄰居，或銷售給外部電網，或限發(fā)。電力交易的主要思想是為有能力且活躍的產銷者提供一個市場平臺，微網系統(tǒng)可以讓他們自適應地管理自己的電力供需，以滿足隨時的電力輸出和分配能力，并作為生產者或消費者參與市場。

該市場允許配電網中各戶以點對點的方式進行電力交易，如圖3所示。通過需求響應來實現(xiàn)這一目標，該平臺具備市場參與者根據實時電價而控制電力分配的能力。每戶擁有光伏發(fā)電及儲能系統(tǒng)，可以通過EMS管理光伏發(fā)電、儲能充放電去響應市場，并充當市場的產銷者。

圖3 點對點能源交易

點對點電力交易的主要操作分為4個可互操作的層，即電網層、ICT（信息與通信技術）層、控制層及業(yè)務層。電網層由負載、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、農村社區(qū)配電網、臺區(qū)變壓器及智能電表構成，是點對點電力交易發(fā)生地。ICT層由硬件、軟件、協(xié)議和數據流構成。通信設備包括傳感器、電信連接、路由器、交換機、服務器和其他類型的計算機。協(xié)議一般包括 TCP/IP、Modbus、485通信等。通信應用一般包括數據傳輸和文件共享，通信涉及通過通信設備發(fā)送的所有消息的發(fā)送者、接收者和內容?？刂茖影繎粑㈦娋W的EMS及微網控制器，EMS接受VPP交易平臺及用戶的指令，通過微網控制器對屋頂光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)及可控負荷實時控制。業(yè)務層定義了如何在用戶之間及與第三方共享權利。電力市場的主要參與者有各用戶、外部電網、配電系統(tǒng)操作員和監(jiān)督市場等。

3 虛擬電廠技術實現(xiàn)

3.1 虛擬電廠控制技術

VPP控制模塊目的在于優(yōu)化各戶微電網能源互動，同時通過需求響應提高電網靈活性。通過EMS控制光伏發(fā)電、儲能充放電策略、收集用車、農機計劃合理安排充放電和指定家用電器用電計劃等實現(xiàn)用電成本的降低。還需要收集當前和未來的天氣狀況、電力成本、微電網狀況兼顧農村能源社區(qū)的特殊負荷等信息。在VPP運行期間，不得損害各用戶微電網的穩(wěn)定性。

農村能源社區(qū)VPP建議采用模型預測控制（MPC）[4]。微電網中的分布式能源將由模型預測控制通過微電網EMS進行調節(jié)，包括光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)及家用負載（可調和可切）。模型預測控制將通過解決多目標優(yōu)化問題來實現(xiàn)，目的在于最大限度地提高微電網的用戶穩(wěn)定性、降低用電成本及提供需求響應。

如圖4所示，信息提供商向模型預測控制（MPC）提供實時電價和天氣預報的信息。光功率預測通過收集天氣預報信息并結合本地小型氣象站分析出更準確的氣象數據（光照、氣溫等）， 然后通過預測系統(tǒng)發(fā)送給MPC。競價模塊與聚合商通信中，集合商收集各家庭光伏出力及儲能出力，以及農村能源社區(qū)以外的電力信息，并向MPC發(fā)送預期電力負荷的預測曲線和需求響應。農村能源社區(qū)各家庭微電網通過EMS管理光伏發(fā)電的出力、儲能系統(tǒng)的充放電策略、家庭用電計劃等，并與MPC進行交互。VPP的預測模塊使用預測算法來預測基線用電量。MPC根據電價與基本用電量、需求響應、光功率預測等信息進行優(yōu)化，并將控制信號傳輸到微電網的EMS，以控制各個家庭的光伏發(fā)電及儲能系統(tǒng)。

3.2 虛擬電廠綜合管理平臺設計

在智慧農村能源網格的構建中，虛擬電廠管理平臺是整個虛擬電廠技術集成的核心。虛擬電廠綜合管理平臺是集成了高級數據分析、云計算、物聯(lián)網技術的綜合性管理系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對虛擬電廠中各種能源資源的有效監(jiān)控、管理、優(yōu)化。

圖4 農村能源社區(qū)虛擬電廠控制系統(tǒng)

如圖5所示，虛擬電廠的能量主要來源為分布式光伏發(fā)電、風力發(fā)電、電動汽車、儲能和戶用電量等，電量計量裝置和智能控制設備通過NB-IoT等物聯(lián)網傳感器傳輸電量或接收控制信號，大量的發(fā)電、用電設備可按照區(qū)域組成多個區(qū)域控制中心，多個控制中心通過5G等通信網絡接入虛擬電廠管控中心。虛擬電廠同時接入電力市場交易管理中心和調控中心。在電力市場和虛擬電廠運行機制的協(xié)調下，運行虛擬電廠，并按照協(xié)議進行結算。

此外，虛擬電廠綜合管理平臺在設計時充分考慮了系統(tǒng)的安全性和可靠性。采用了區(qū)塊鏈交易的模式，確保數據傳輸的安全性和系統(tǒng)的抗攻擊能力。

圖5 虛擬電廠平臺結構圖

如圖6所示，區(qū)塊鏈是由區(qū)塊有序鏈接起來形成的一種數據結構，其中區(qū)塊是指數據的集合，相關信息和記錄都包括在里面，是形成區(qū)塊鏈的基本單元。其中，區(qū)塊可由2部分組成：①區(qū)塊頭，鏈接到前面的區(qū)塊，并為區(qū)塊鏈提供完整性；②區(qū)塊主體，記錄網絡中更新的數據信息。每個區(qū)塊都會通過區(qū)塊頭信息鏈接到之前的區(qū)塊，形成鏈式結構。

4 結束語

本文提出的虛擬電廠技術為解決農村電力系統(tǒng)存在的問題提供了創(chuàng)新的解決方案。通過構建家庭微電網，實現(xiàn)了農村屋頂光伏的大規(guī)模推廣，同時降低了度電成本，提高了能源利用效率。虛擬電廠架構的引入，不僅提高了農村社區(qū)用電的靈活性，還通過點對點能源交易，促進了能源的本地化和去中心化管理，為農村地區(qū)能源安全和可持續(xù)發(fā)展貢獻了力量。

未來，隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低，虛擬電廠技術有望在農村地區(qū)得到更廣泛的應用。其不僅推動農村能源結構的優(yōu)化，還將助力實現(xiàn)碳達峰和碳中和的宏偉目標，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施提供堅實的能源保障。

參考文獻：

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