關(guān)于農(nóng)村新能源微電網(wǎng)建設(shè)的研究

杜 宏

（北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司，北京 100193）

農(nóng)村是發(fā)展新能源微電網(wǎng)的一個(gè)重要的地區(qū)，潛力巨大。本文通過(guò)對(duì)北京市某個(gè)典型旅游村莊的新能源微電網(wǎng)及多種能源綜合利用項(xiàng)目的具體分析，對(duì)農(nóng)村新能源微電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)管等提出完整的思路、方案，以促進(jìn)該方面的發(fā)展進(jìn)步。

1 農(nóng)村新能源微電網(wǎng)建設(shè)的意義

1）探索農(nóng)村用能形式和新能源低成本利用模式，提高用能效率，降低環(huán)境污染和碳排放

通過(guò)對(duì)農(nóng)村用能形式與特性進(jìn)行分析，充分利用不同用能的時(shí)空特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、天然氣等多種能源的綜合優(yōu)化利用，提高綜合用能效率，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。

2）探索農(nóng)村配電網(wǎng)區(qū)域能源優(yōu)化和可再生能源的充分消納與利用

改造完善農(nóng)村配電網(wǎng)，以適應(yīng)農(nóng)村多種能源的特性和用能的時(shí)空差異，對(duì)農(nóng)村用能方式進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源優(yōu)化利用和可再生能源的充分消納，探索新的能源形勢(shì)下的農(nóng)村配電網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)。

2 農(nóng)村新能源微電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)

在能源生產(chǎn)消費(fèi)建設(shè)層面，選擇北京某村開展天然氣熱電聯(lián)供、太陽(yáng)能發(fā)電等多種能源綜合利用示范，通過(guò)對(duì)北京某村生產(chǎn)生活中的用能方式及不同能源利用比例進(jìn)行研究，合理配置能源，并對(duì)多種能源進(jìn)行綜合優(yōu)化利用，提高農(nóng)村能源綜合利用效率，探索新的能源形式下可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村能源綜合利用模式。

1）構(gòu)建農(nóng)村能源生產(chǎn)與消費(fèi)復(fù)合體

從能源生產(chǎn)與消費(fèi)層面上建設(shè)天然氣熱電聯(lián)供、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等分布式能源項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)村莊電能、熱能的就地綜合利用，將村莊構(gòu)建成自治的綜合多能利用單元，既是能源的生產(chǎn)者，又是能源的消費(fèi)者，形成能源生產(chǎn)與消費(fèi)的復(fù)合體。

2）與配電網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷主動(dòng)響應(yīng)

天然氣熱電聯(lián)供、太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一個(gè)多種能源綜合單元接入到主動(dòng)配電網(wǎng)，接受主動(dòng)配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)控，利用電能、熱能不同特性，以及多種能源的時(shí)空差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷平抑和分布式電源的消納。

3）探討新農(nóng)村多種能源利用建設(shè)與運(yùn)營(yíng)模式

探討在新的能源形式下，如何實(shí)現(xiàn)多方參與、互利共贏的新農(nóng)村多種能源綜合利用建設(shè)與運(yùn)營(yíng)模式，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步探索開發(fā)能源利用衍生品，為新農(nóng)村能源建設(shè)與運(yùn)營(yíng)模式推廣提供支撐。

3 北京某村用能需求分析

3.1 北京某村的基本情況

北京某村，村址地處山前沖積平原上，海拔約556m，土壤為淋溶褐土。全村村民402戶、1120人。村域面積 5.73km2（8594.1畝），其中村莊面積0.35km2，耕地面積2663畝，果園面積994.7畝。

該村是市級(jí)新農(nóng)村建設(shè)的試點(diǎn)村，鄉(xiāng)村民俗旅游是村里的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，有100戶農(nóng)家樂旅游戶。該村鄉(xiāng)村旅游接待能力已初具規(guī)模，已達(dá)到3000人就餐，500人住宿的日接待能力，每年吸引游客30萬(wàn)人以上，為著名的京郊鄉(xiāng)村旅游專業(yè)村，成為享譽(yù)京郊大地的特色旅游品牌村。在北京某村進(jìn)行新農(nóng)村多種能源綜合優(yōu)化利用建設(shè)具有良好的示范作用。

該村目前是通過(guò)燒煤小鍋爐供暖氣采暖。每年采暖季從當(dāng)年的11月初到第二年的3月底。動(dòng)力用電實(shí)行峰谷電價(jià)，民用生活用電實(shí)行階梯電價(jià)。該村對(duì)能源利用主要問題是：村民取暖以煤炭作為主要能源形式，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大影響。作為著名的鄉(xiāng)村民俗旅游村，市級(jí)新農(nóng)村建設(shè)試點(diǎn)村，能源結(jié)構(gòu)急需改善。

3.2 北京某村的用電情況分析

全村設(shè)置 4臺(tái)照明變壓器供村民日常生活用電、7臺(tái)動(dòng)力變壓器供村內(nèi)生活用水水泵用電。公共照明、水泵用電電費(fèi)采用峰谷電價(jià)，電費(fèi)由村民委員會(huì)承擔(dān)，多白天用電，承擔(dān)峰時(shí)電價(jià)，每月電費(fèi)花費(fèi)約2.5萬(wàn)左右。

農(nóng)戶用電負(fù)荷主要有照明、電視、電冰箱、電餅鐺、電水壺等。電費(fèi)采用階梯電價(jià)。農(nóng)家樂農(nóng)戶每月用電 500～600kW·h，一般農(nóng)戶每月用電約120kW·h。用電全部來(lái)自公共電網(wǎng)。生活照明、供水水泵和生活電器為北京某村主要用電負(fù)荷。

由于用電負(fù)荷主要為生活用電，日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)白天負(fù)荷大，夜晚負(fù)荷小的特征，如圖1所示。

北京某村主要產(chǎn)業(yè)為鄉(xiāng)村民俗旅游，周負(fù)荷曲線呈現(xiàn)周五至周日負(fù)荷大，周一至周四負(fù)荷小的特征，如圖2所示。

圖1 日負(fù)荷曲線

圖2 周負(fù)荷曲線

年負(fù)荷曲線呈現(xiàn)基本平緩特征，如圖3所示。

圖3 年負(fù)荷曲線

3.3 北京某村的用熱情況分析

農(nóng)戶用熱負(fù)荷主要有暖氣采暖、洗浴用熱水、生活熱水等。熱能主要來(lái)自燃煤、太陽(yáng)能、液化氣和電能。

農(nóng)戶冬季取暖為主要用熱形式。每戶通過(guò)燒煤小鍋爐供暖氣采暖。每年采暖季從當(dāng)年的11月初到第二年的3月底。

農(nóng)家樂農(nóng)戶每個(gè)采暖季約消耗 10t煤炭，約 1萬(wàn)元人民幣。一般農(nóng)戶每個(gè)采暖季消耗4t煤炭，約2000～4000元人民幣。

洗浴用熱水主要來(lái)自太陽(yáng)能熱水器和電熱水器。

生活做飯等主要采用液化氣。

由于主要為生活用熱，日熱負(fù)荷曲線呈現(xiàn)白天負(fù)荷小夜晚負(fù)荷大的特點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 日熱負(fù)荷曲線

由于采暖為主要熱負(fù)荷，所以年熱負(fù)荷曲線呈現(xiàn)冬季（11月至次年3月）熱負(fù)荷高，其余時(shí)間熱負(fù)荷低的特征，如圖5所示。

圖5 年熱負(fù)荷曲線

采暖熱負(fù)荷為4500kW。電負(fù)荷1500kW。

3.4 北京某村的新型用電預(yù)測(cè)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，在旅游點(diǎn)需要配置適量的充電設(shè)施，該村村口有較大停車場(chǎng)，有100戶農(nóng)家樂，預(yù)計(jì)未來(lái)游客電動(dòng)車的補(bǔ)電充電需求較大。因此該村計(jì)劃安裝22個(gè)充電樁，其中交流慢充樁20個(gè)，每個(gè)7kW；直流快充樁2個(gè)，每個(gè)40kW；總計(jì)用電負(fù)荷220kW。

4 新能源微電網(wǎng)總體方案

擬在該村建設(shè)新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括屋頂光伏、燃?xì)鉄犭娐?lián)供、雙源鍋爐、儲(chǔ)水箱等主要設(shè)備，及多能利用綜合監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)光、天然氣、電、熱，在主動(dòng)配電網(wǎng)的綜合調(diào)度下的多種能源的綜合優(yōu)化利用。

新能源微電網(wǎng)多能利用系統(tǒng)總體方案如圖6所示。該系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容包括：

1）建設(shè)3MW的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)及熱力改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的供電、供熱。

2）建設(shè)1MW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的綠色供電。

3）在村頭停車場(chǎng)，建設(shè)電動(dòng)汽車充電樁22個(gè)，總計(jì)充電功率為220kW。電動(dòng)汽車充電樁，面向旅游人群，提供電動(dòng)車充電服務(wù)。

圖6 系統(tǒng)示意圖

4）將天然氣熱電聯(lián)供、光伏發(fā)電、電動(dòng)車充電、雙源鍋爐和蓄熱水箱組合成多能源綜合單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)村莊多種能源綜合管理，并與公共配電網(wǎng)聯(lián)接，通過(guò)電能實(shí)現(xiàn)能量的交換。

其中的雙源鍋爐可以利用電能或天然氣產(chǎn)生熱能，作為后備為村莊供熱。

配置蓄熱水箱對(duì)熱能存儲(chǔ)，作為調(diào)節(jié)手段，增加系統(tǒng)的可調(diào)可控性，并提高系統(tǒng)的可靠性。

通過(guò)氣、電互補(bǔ)綜合利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色供電和高可靠的供熱。

上述地新能源及可調(diào)節(jié)用電負(fù)荷設(shè)備，為主動(dòng)配電網(wǎng)提供了多種運(yùn)行調(diào)節(jié)手段。主動(dòng)配電網(wǎng)控制系統(tǒng)通過(guò)全局優(yōu)化計(jì)算，充分利用不同能源在時(shí)間和空間的差異性，通過(guò)多種能源互補(bǔ)、能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

5 新能源微電網(wǎng)多能綜合利用控制系統(tǒng)

新能源微電網(wǎng)多種能源綜合利用控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行的核心，是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新能源微電網(wǎng)多能源綜合控制系統(tǒng)

系統(tǒng)在村級(jí)配電網(wǎng)與公共配電網(wǎng)PCC接口處設(shè)置網(wǎng)關(guān)接口柜，含PCC快速開關(guān)，繼電保護(hù)，測(cè)控儀表，同期并網(wǎng)裝置，通信處理裝置等設(shè)備；網(wǎng)關(guān)接口柜作為村級(jí)配電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的接口分界點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)置穩(wěn)定控制裝置，可以在微電網(wǎng)孤網(wǎng)時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)電源，提供抗短時(shí)沖擊能力，平滑供電，儲(chǔ)能，削峰填谷。設(shè)置智能配電終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)各組成部分的采集和感知。設(shè)置控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配置電力監(jiān)控軟件、能量管理軟件。

構(gòu)建多種能源綜合控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)熱電聯(lián)供、光伏發(fā)電、雙源鍋爐、蓄熱水箱、電動(dòng)車充電等的實(shí)時(shí)綜合調(diào)控，并考慮不同供電、供熱方式的經(jīng)濟(jì)性，保持村莊穩(wěn)定可靠高效經(jīng)濟(jì)的供電、供熱。

村級(jí)能量管理系統(tǒng)接入到能源管理與公共服務(wù)中心，響應(yīng)控制中心的區(qū)域優(yōu)化指令。通過(guò)多種能源和儲(chǔ)電儲(chǔ)熱等手段，實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷響應(yīng)，平抑配電網(wǎng)分布式電源波動(dòng)。

6 農(nóng)村新能源微電網(wǎng)的創(chuàng)新內(nèi)容

1）通過(guò)北京某村新能源微電網(wǎng)多種能源綜合利用示范，探索出一套農(nóng)村用能分析、綜合用能解決方案、綜合用能優(yōu)化運(yùn)行的農(nóng)村能源利用模式。

2）探索能源供給、能源配送、能源存儲(chǔ)、能源消費(fèi)多方共建的農(nóng)村能源系統(tǒng)建設(shè)模式。

3）探索政府、電網(wǎng)公司、能源企業(yè)、村民用戶“多方參與互惠共贏”的農(nóng)村能源利用可持續(xù)發(fā)展、可大量復(fù)制、可推廣應(yīng)用的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。

7 農(nóng)村新能源微電網(wǎng)的預(yù)期效果

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

2011年10月至2013年9月，國(guó)務(wù)院六次頒布文件明確提出要大力發(fā)展天然氣分布式能源。在國(guó)家鼓勵(lì)大力發(fā)展天然氣分布式能源的形勢(shì)下，北京市政府對(duì)天然氣分布式能源也高度重視，正準(zhǔn)備出臺(tái)2項(xiàng)優(yōu)惠政策：①設(shè)備補(bǔ)貼2000元/kW；②分布式能源用天然氣價(jià)格降低為2.47元/Nm3。

經(jīng)測(cè)算，在獲得補(bǔ)貼的情況下，天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)效率達(dá)到70%及每年利用2000h的項(xiàng)目已能夠做到盈利。

對(duì)分布式光伏發(fā)電也出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)政策，國(guó)家補(bǔ)貼0.42元/kW·h，北京市補(bǔ)貼0.3元/kW·h（2015年開始，補(bǔ)貼5年），提高了分布式光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)接受配電網(wǎng)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能源的綜合優(yōu)化利用，并提高配電網(wǎng)消納分布式電源的能力，提高設(shè)備利用率，降低系統(tǒng)損耗，該項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7.2 社會(huì)效益

1）采用清潔能源，減少碳排放，減少環(huán)境污染

通過(guò)本項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)北京某村100%清潔能源采暖和全綠色電能。每年減少 2200t煤炭消耗。天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)每年發(fā)電800萬(wàn)kW·h，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)每年發(fā)電150萬(wàn)kW·h，節(jié)約3800t標(biāo)準(zhǔn)煤。

2）豐富當(dāng)?shù)芈糜晤}材，進(jìn)一步增強(qiáng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)活力。

將北京某村建設(shè)成為綠色能源利用示范村，并作為新的旅游題材，進(jìn)一步提高村莊知名度，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)更快發(fā)展。

3）探索新的能源形勢(shì)下，農(nóng)村多種能源綜合優(yōu)化利用與農(nóng)村配電網(wǎng)發(fā)展模式。

通過(guò)本項(xiàng)目，探索農(nóng)村能源利用方式、投資、運(yùn)營(yíng)模式，為農(nóng)村能源利用發(fā)展模式積累經(jīng)驗(yàn)，為新農(nóng)村能源綜合利用推廣奠定基礎(chǔ)。

8 結(jié)論

本文以北京某村建設(shè)新能源微電網(wǎng)多能綜合利用系統(tǒng)為例，針對(duì)新農(nóng)村多種能源綜合優(yōu)化利用，通過(guò)天然氣熱電聯(lián)供、分布式光伏發(fā)電、雙源鍋爐和蓄熱水箱、電動(dòng)車充電等分項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了北京某村的多種能源綜合優(yōu)化利用，探索了農(nóng)村新能源利用可復(fù)制、可推廣、可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)模式，為我國(guó)農(nóng)村能源利用改造做了有益的探索。

農(nóng)村新能源微電網(wǎng)也是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)拓展的重要領(lǐng)域，能源互聯(lián)網(wǎng)將從發(fā)達(dá)的城市發(fā)端，必然向廣大的農(nóng)村推廣，一個(gè)只考慮少數(shù)城市而對(duì)廣大農(nóng)村缺乏覆蓋的能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)不完整的能源互聯(lián)網(wǎng)。而具有豐富的新能源資源、具有較多的可利用建設(shè)場(chǎng)地、具有迫切的改善用能需求、改善變配電網(wǎng)絡(luò)薄弱環(huán)節(jié)的廣闊農(nóng)村，正是能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的用武之地。

[1] 杜宏. 北京延慶新能源微電網(wǎng)規(guī)劃研究[Z]. 2014.

[2] 劉世民. 智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)工程可研報(bào)告[Z].2014.