偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)配置優(yōu)化研究

董紫輝

摘 要：農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展較為薄弱的地區(qū)，其電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施普遍相對落后，傳統(tǒng)能源難以滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。開發(fā)利用可再生能源，是我國堅持可持續(xù)發(fā)展必然趨勢。微電網(wǎng)可以促進(jìn)可再生能源分布式發(fā)電的并網(wǎng)，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。為解決農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)供電難等問題，科學(xué)合理構(gòu)建農(nóng)村微電網(wǎng)，促進(jìn)微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該文開展了農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)供電模式優(yōu)化設(shè)計研究。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村 偏遠(yuǎn)地區(qū) 供電模式 配置

中圖分類號：TM71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（c）-0029-02

1 農(nóng)村微電網(wǎng)典型供電模式

我國農(nóng)村地區(qū)主要采用低壓交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)微電源情況劃分，微電網(wǎng)典型供電模式可分為獨立微源類和多能互補類微電網(wǎng)兩大類。

1.1 獨立微源類微電網(wǎng)

獨立微源類微電網(wǎng)是指僅以一種分布式電源為主供電，適當(dāng)配置儲能設(shè)備的微電網(wǎng)。主要包括以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、小水電、燃?xì)廨啓C、生物質(zhì)或其他分布式電源為主的微電網(wǎng)。該類型微電網(wǎng)（以風(fēng)力發(fā)電為例）典型供電模式如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是一種比較成熟的可再生能源發(fā)電形式，已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。以風(fēng)力發(fā)電為主的微電網(wǎng)比較適宜應(yīng)用于風(fēng)力資源較好但大電網(wǎng)未能覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，包括山區(qū)、海島和草原等。并網(wǎng)型光伏微電網(wǎng)適宜應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)且太陽能資源較好的地區(qū)。離網(wǎng)型光伏微電網(wǎng)則適宜應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)工業(yè)應(yīng)用及無電地區(qū)居民用電。

1.2 多能互補類微電網(wǎng)

多能互補類微電網(wǎng)是指采用多種可再生能源互補發(fā)電的微電網(wǎng)。主要包括風(fēng)光儲互補、風(fēng)光柴儲互補、風(fēng)光水互補等形式。該類型微電網(wǎng)典型供電模式如圖2所示。

風(fēng)光儲微電網(wǎng)是指以風(fēng)機發(fā)電和光伏發(fā)電為主要供電形式的微電網(wǎng)。利用風(fēng)能和太陽能在時間分布上的互補性，合理配置風(fēng)、光的發(fā)電比例，并配置一定容量儲能裝置，以提高供電可靠性。該類型微電網(wǎng)使用較為廣泛，在城市、農(nóng)村及海島中均有應(yīng)用。

在風(fēng)光儲互補形式基礎(chǔ)上，添加柴油機以穩(wěn)定出力，即構(gòu)成風(fēng)光柴儲微電網(wǎng)。該類型微電網(wǎng)在自然資源豐富的海島和農(nóng)村地區(qū)有很大的應(yīng)用價值，既可采用集中電站供電的形式，又可采用屋頂光伏和小型風(fēng)機為主的分散式發(fā)電形式。

2 偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)供電模式優(yōu)化配置

開展農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮不同區(qū)域、能源結(jié)構(gòu)和用戶需求，合理規(guī)劃微電網(wǎng)，確定出符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的微電網(wǎng)供電模式。

2.1 偏遠(yuǎn)地區(qū)負(fù)荷分類

農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電負(fù)荷大致可分成3類，即農(nóng)村工業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷。

農(nóng)村工業(yè)負(fù)荷包括傳統(tǒng)工業(yè)和加工業(yè)，用電設(shè)備種類繁多，該類負(fù)荷普遍對可靠性要求較高，可自備柴油機等備用電源。一些偏遠(yuǎn)地區(qū)存在軍用設(shè)施，其對可靠性要求較高，故納入此類負(fù)荷。農(nóng)村農(nóng)業(yè)負(fù)荷一般可分為種植農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)兩大類，用電設(shè)備主要包括灌溉水泵、循環(huán)水泵、消毒設(shè)備等。部分養(yǎng)殖業(yè)對可靠性要求較高。農(nóng)村居民用電設(shè)備主要有各類家用電器、照明燈，在夜間有明顯的用電高峰，該類負(fù)荷對用電可靠性要求相對較低。

2.2 偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)規(guī)劃基本原則

在開展農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計時，遵循的基本原則為：從自然村出發(fā)，結(jié)合當(dāng)?shù)仉娫春拓?fù)荷特性，充分利用自然資源，分布式發(fā)電就地消納，容量配置和設(shè)備選型適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)負(fù)荷發(fā)展情況。微電網(wǎng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、實現(xiàn)實用化組網(wǎng)目標(biāo)。

2.3 偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)供電模式配置方法

農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)供電模式的優(yōu)化配置主要考慮交直流供電形式、離并網(wǎng)類型、微電源接入形式、微電源類型4個方面。

2.3.1 交直流供電形式選擇

農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)的交直流供電形式選擇主要取決于該地區(qū)交直流負(fù)荷的數(shù)量情況。由于廣大農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)普遍以低壓交流負(fù)荷為主，故適宜采用交流低壓微電網(wǎng)供電形式，少量直流負(fù)荷可以通過逆變接入低壓網(wǎng)。對于個別直流負(fù)荷占比較大的地區(qū)，可考慮采用直流微電網(wǎng)供電形式。

2.3.2 離并網(wǎng)類型選擇

離并網(wǎng)類型的選擇主要考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面的因素。對于有外部大電網(wǎng)供電支持的農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，應(yīng)靈活應(yīng)用現(xiàn)有網(wǎng)架進(jìn)行改造，構(gòu)建并網(wǎng)型微電網(wǎng)。其優(yōu)點在于可以大電網(wǎng)為備用電源，且改造難度小，建設(shè)成本降低。

因地理、歷史等原因，部分農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)未與外部大電網(wǎng)相連。傳統(tǒng)的柴油機供電模式不能很好地保證當(dāng)?shù)鼐用窈凸まr(nóng)業(yè)負(fù)荷的供電質(zhì)量和可靠性要求，但輸電走廊建設(shè)可能存在施工難度大、造價高等問題。該類地區(qū)（經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估后）適宜構(gòu)建離網(wǎng)型的微電網(wǎng)。

2.3.3 微電源接入形式選擇

微電源接入形式的選擇主要根據(jù)負(fù)荷及可再生能源的分布特點而定。對于用戶分散居住的地區(qū)、具有多個分布式電源的地區(qū)，以及一些因供電半徑過長導(dǎo)致電壓偏低的地區(qū)，適宜利用分布式資源構(gòu)建微電網(wǎng)。對于可再生能源較為集中、負(fù)荷相對較大的地區(qū)，還可以采用集中電站形式的微電網(wǎng)。

2.3.4 微電源類型選擇

微電源類型的選擇主要從最大程度利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源角度考慮，并兼顧技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。并網(wǎng)型結(jié)構(gòu)中，對于農(nóng)村工業(yè)和農(nóng)業(yè)負(fù)荷用戶，可考慮構(gòu)建基于屋頂光伏系統(tǒng)的微電網(wǎng)，如風(fēng)能和生物質(zhì)能較為豐富時，可以利用小型風(fēng)機和生物質(zhì)能作為主要的分布式電源。對于可靠性要求極高的養(yǎng)殖業(yè)用戶，可考慮采用柴油機或儲能設(shè)備的用戶，可以建立微型燃?xì)廨啓C冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

離網(wǎng)型微電網(wǎng)需要考慮采用柴油機、微型燃?xì)廨啓C、小水電、生物質(zhì)能發(fā)電或儲能等設(shè)備以穩(wěn)定出力和調(diào)節(jié)頻率。對于具有重要負(fù)荷的偏遠(yuǎn)地區(qū)，建議采用風(fēng)光柴儲、風(fēng)光水儲等多能互補的微電網(wǎng)形式，海島地區(qū)還可以考慮風(fēng)光儲加各類海流能互補微電網(wǎng)形式。對于水利資源豐富的地區(qū)，可以考慮構(gòu)建以小水電為主的微電網(wǎng)形式。

3 案例分析

該文以西藏某偏遠(yuǎn)山區(qū)為例，研究分析適宜其經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的微電網(wǎng)供電模式。

3.1 基本情況

該偏遠(yuǎn)山區(qū)面積近3 000 km2，遠(yuǎn)離最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)約20 km，共有177用戶，以分散居住為主。該地區(qū)用電負(fù)荷基本為農(nóng)村居民用電，含有少量農(nóng)業(yè)負(fù)荷。由于該地區(qū)供電半徑大，部分用戶電壓偏低。該地區(qū)太陽能資源屬三類地區(qū)，日照強度約為0.1 W/cm2。該地區(qū)屬于四類風(fēng)能資源區(qū)，多年最大風(fēng)速約為21.0 m/s。其他可再生資源較少。

3.2 初步分析

分析可知，該地區(qū)建有低壓配電網(wǎng)絡(luò)，可改造為并網(wǎng)型低壓交流微電網(wǎng)。由于該地區(qū)用戶較分散，以居民用電為主，存在部分農(nóng)業(yè)負(fù)荷，遠(yuǎn)端用戶“低電壓”問題突出， 故可考慮采用分布式電源分散接入形式解決用電問題。該地區(qū)主要為風(fēng)光資源，可考慮小型直驅(qū)風(fēng)機和屋頂光伏供電，必要時可輔以一定容量的儲能設(shè)備，構(gòu)成風(fēng)光儲型微電網(wǎng)。

3.3 軟件仿真驗證

該文采用微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件進(jìn)行仿真分析驗證。該軟件可對多種分布式電源和儲能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，給出最優(yōu)設(shè)計方案，提高微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。該文將該地區(qū)風(fēng)、光、負(fù)荷等數(shù)據(jù)信息錄入到該軟件中，并選擇包括風(fēng)、光、儲等在內(nèi)的分布式能源（不同型號和容量）參與仿真計算，經(jīng)軟件優(yōu)化求解，構(gòu)建以風(fēng)電為主，輔以少量光伏，并配置一定儲能電池的風(fēng)光儲微電網(wǎng)是該地區(qū)一種比較理想的供電模式。為驗證風(fēng)光儲微電網(wǎng)對解決農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)低電壓問題的效用，該文采用國外電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行了仿真計算。在軟件低壓配電網(wǎng)模型中加入兩個4 kW小型風(fēng)機和1個4 kW光伏發(fā)電裝置，經(jīng)計算，低壓回路沿線各用戶電壓均有所改善，最低電壓從321 V提升至382 V，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語

我國農(nóng)村地區(qū)微電網(wǎng)的典型供電模式主要包括獨立微源型微電網(wǎng)和多能互補型微電網(wǎng)，各類型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適用于不同的應(yīng)用場合。由于我國各地農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)的自然條件資源和用戶負(fù)荷特性大不相同，故微電網(wǎng)供電模式需要根據(jù)不同區(qū)域、能源結(jié)構(gòu)和用戶需求進(jìn)行優(yōu)化配置。

該文研究提出了農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)供電模式優(yōu)化配置方法，并結(jié)合具體案例，使用微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件和DIgSILENT軟件進(jìn)行了仿真計算，驗證了供電模式優(yōu)化配置方法的科學(xué)性和合理性，為進(jìn)一步總結(jié)出適合我國各區(qū)域農(nóng)村差異的微電網(wǎng)典型供電模式提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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