基于風光儲一體化的新型農村配電網研究

劉佳男，李業(yè)行，張 董，劉海涵，賀敬波

（國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引言

在習近平總書記提出的“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略指引下，我國能源轉型工作和產供儲銷體系建設深入推進，《中共中央國務院關于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農業(yè)農村現代化的意見》的發(fā)布，宣告著我國將全推進鄉(xiāng)村振興建設。鄉(xiāng)村振興、電力先行，優(yōu)化更新農村電網結構、推動農村新能源的充分合理利用，可以滿足農村不斷增加的用電需求。

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

圖1 交直流混聯(lián)微電網結構

交直流混聯(lián)微電網主要由交流系統(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］。以變換器為核心設備的新型配電網，是未來研究和工程實踐的一個新方向。新型配電網將既能同時滿足不同類型負荷的需求，又能全面開發(fā)分布式能源、增強新型配電網自身的可靠性和降低對大電網的影響。因此，開展基于風光儲一體化的新型農村配電網的研究對促進農村分布式可再生能源的充分利用、提高農村電氣化進程具有重要的理論與現實意義。

目前對微電網的研究相對單一，一些文獻中設計的微網系統(tǒng)中同時包括交流微電網和直流微電網，但是在具體研究時則分開研究，在設計的微電網系統(tǒng)中交流電源對交流負荷供電，直流電源對直流負荷供電，二者間的能量流動受到限制。對于將直流電源和交流電源進行統(tǒng)一發(fā)電、統(tǒng)一輸送的混合微電網研究相對較少。文獻［3］以新能源發(fā)電為基礎，分析了系統(tǒng)的運行狀態(tài)，利用微電網的就地消納能力，消除了新能源發(fā)電具有隨機性、不連續(xù)性的缺點，降低對大電網的不利影響。文獻［4］介紹一種基于新能源發(fā)電的智能配電網，通過構建物理結構，對其進行模擬，研究分析了智能配電網運行特征、故障判斷、故障智能處理。文獻［5］提出一種集中控制與就地控制結合的控制方法，在考慮隨機因素的基礎上，利用集中控制進行核心控制，利用就地控制進行邊緣計算，實現整體與部分的融合，實現快速控制，消除新能源發(fā)電波動的影響。文獻［6］在分析新能源發(fā)電隨機性、間接性的基礎上，提出了多個變流器間的協(xié)調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孤島運行能量管理策略，以風力發(fā)電機和儲能裝置的狀態(tài)為依據，利用PI 控制器分別對發(fā)電過多、發(fā)電不足、儲能裝置過度放電、過度充電進行控制［7］。Sun Kai 等人提出一種以直流母線電壓信號為判斷依據的能量管理方法，通過將系統(tǒng)運行狀態(tài)進行模式劃分，利用直流母線電壓的變化來進行模式切換，最終達到系統(tǒng)孤島和并網間、不同模式間轉換的平滑切換［8］。

傳統(tǒng)微電網結構研究多集中于相對獨立的微電網，不適用于農村配電網；傳統(tǒng)控制方法研究多集中于基于母線電壓等級進行分層或分級控制，負荷變動頻繁時會出現母線電壓頻繁波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。能量管理控制方法是實現新型農村配電網安全穩(wěn)定可靠運行的保證［9-10］。研究以“源荷儲”為基本結構的能量流動管理控制方法［11-13］，可以實現大規(guī)模決策變量的優(yōu)化處理和多目標優(yōu)化功能［14-15］?；谏鲜鰡栴}，設計一種基于風光儲一體化的新型農村配電網結構，研究一種以功率守恒為目標的能量管理控制方法，實現可再生能源的接入、不同農村配電網間的互連互通，最終實現基于風光儲一體化的新型農村配電網穩(wěn)定高效運行。

1 新型農村配電網結構

1.1 新型農村配電網結構分析

圖2 為新型農村配電網示意圖，擬將各個村莊的配電網構建成基于風光儲一體化的微電網，由綜合管理平臺系統(tǒng)統(tǒng)一控制，將風光電源、交直流負荷、儲能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)統(tǒng)一整合，構建一個完全可控且具有一定獨立性的系統(tǒng)，同時接入大電網，組建適當獨立且與大電網并行運行的新型配電網。利用主動并網技術、電力供需平衡高效互動技術、智能微電網調度技術等核心技術，實現不同新型農村配電網之間相互連接，最終實現全國乃至全球的能量互聯(lián)互通。

圖2 新型農村配電網

光伏電源和風力電源具有隨機性與不連續(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，風力電源為交流電源，為了統(tǒng)一調度管理，減少交流—直流或直流—交流的變換環(huán)節(jié)，光伏電源與風力電源同時接入直流母線，儲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光發(fā)電部分，具體包括配電網接入系統(tǒng)、風力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、直流負荷接入系統(tǒng)和交流負荷接入系統(tǒng)6個部分。

1.2 光伏電源系統(tǒng)與風力電源系統(tǒng)

光伏電源系統(tǒng)拓撲結構如圖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行串并聯(lián)組合，然后經過Boost 變換器構成單模組，多個模組進行并聯(lián)組合后接入直流母線。

圖3 光伏電源系統(tǒng)拓撲結構

風力電源系統(tǒng)拓撲結構如圖4 所示，風力電源系統(tǒng)單模組由發(fā)電機組與三相整流器，風力發(fā)電機組輸出電壓經整流后接入直流母線。風力電源輸出三相交流電，本研究中采用永磁直驅式風力發(fā)電機。

圖4 風力電源系統(tǒng)拓撲結構

1.3 儲能系統(tǒng)與直流負荷接入系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)擬采用釩電池，其具有以下優(yōu)點：

1）功率和容量相對獨立，可分別設置，功率通過改變單電池總數或電極的表面積來調節(jié)，容量通過改變電解液的體積和釩離子濃度來調節(jié)；

2）性能受外部環(huán)境的干擾較小，相對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，過度放電對性能影響較小，過度放電后充電，容量可以恢復，不會對電池造成致命損傷。

儲能系統(tǒng)拓撲結構如圖5 所示，儲能系統(tǒng)通過儲能陣列（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現儲能與放能，調節(jié)系統(tǒng)內部的能量流動。為順利實現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撲結構進行仿真。

圖5 儲能系統(tǒng)拓撲結構

直流負荷接入系統(tǒng)拓撲結構與儲能系統(tǒng)相同，實現直流—直流變換。

1.4 交流負荷接入系統(tǒng)與配電網接入系統(tǒng)

交流負荷接入系統(tǒng)拓撲結構如圖6 所示，利用三相逆變器、變壓器連接直流母線和交流母線，為交流負載供能。配電網接入系統(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 交流負荷接入系統(tǒng)拓撲結構

1.5 新型農村配電網總拓撲結構

綜上所述，可以得到圖7 所示的新型農村配電網總拓撲結構，對應上文所列的6 個子系統(tǒng)。構建的新型農村配電網包含直流母線和交流母線，分別向直流負荷與交流負荷供電，減少了交流—直流變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)運行效率。為降低成本，提高經濟性，減少對現有農村電網的改造，將交流母線電壓設為380 V，與之相匹配的將直流母線電壓設為650 V。

圖7 新型農村配電網拓撲結構

2 新型農村配電網運行機理

通常情況下，構建的新型農村配電網（下文簡稱新型配電網）有并網和孤島兩種基本運行模式，當處于并網模式時，新型配電網中的負荷由內部電源或大電網供能，此時新型配電網可以作為一個可控的微電網；當大電網出現各種故障或需要停電檢修時，新型配電網快速斷開與大電網之間的連接，并且平滑過渡到孤島的運行狀態(tài)，給農村重要負荷提供持續(xù)可靠的電力供應，確保農村的重要負荷不受影響，從而增強了農村配電網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，構建的新型配電網運行模式靈活，根據大電網的運行狀態(tài)，在并網和孤島模式下進行平滑切換，以達到最優(yōu)的運行狀態(tài)。

2.1 新型農村配電網能量管理

能量管理采用協(xié)調控制的模式，控制系統(tǒng)首先對光伏電源、風力電源的輸出功率和負荷需求進行預測，然后制定相應的運行計劃，并根據采集的電壓、電流、功率狀態(tài)信息，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行動態(tài)調整，控制光伏電源、風力電源、儲能裝置的啟停，保證新型農村配電網的直流母線電壓、交流母線電壓和頻率穩(wěn)定，并提供相關的保護功能。

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

圖8 新型配電網功率流動

當電源系統(tǒng)發(fā)電滿足新型配電網內負荷的需要時，滿足

此時PN=0，PSCS為正時，相當于負荷，進行儲能；PSCS為負時，相當于電源，進行放能。當光強、溫度、風速等環(huán)境因素變化時，儲能系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)能量流動，保證新型配電網的穩(wěn)定。

當電源系統(tǒng)發(fā)電不滿足新型配電網內負荷的需要時，先由儲能系統(tǒng)放能來維持負荷需求，當儲能裝置電量過低時，大電網接入，滿足

當大電網檢修或故障時，此時功率表達式為式（1），系統(tǒng)將按照負荷的重要性，切負荷運行。

因此，能量管理主要的關鍵技術有：

1）全狀態(tài)監(jiān)控，對新型配電網運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，采集相關數據；

2）新能源發(fā)電管理，對新型配電網內電源工作狀態(tài)及輸出功率進行自動分配，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行；

3）功率預測，對一定時間內新型配電網的電源工作狀態(tài)和負荷狀態(tài)進行有效的短期、長期預測，預測結果用于優(yōu)化新能源發(fā)電管理并為調度提供參考；

4）儲能管理，調節(jié)新型配電網內電源與負荷的供需關系，用于穩(wěn)定直流母線電壓和削峰填谷等；

5）保護功能，分為設備級保護、子系統(tǒng)級保護和系統(tǒng)級保護，根據系新型配電網運行狀態(tài)，及時隔離消除故障，縮小故障影響范圍，在特定情況下進行系統(tǒng)重構，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行；

6）智能調度，根據新能源發(fā)電管理、功率預測、儲能管理，對系統(tǒng)內電源進行優(yōu)化整合，提高系統(tǒng)工作效率。

2.2 新型農村配電網綜合管理平臺

新型農村配電網的控制系統(tǒng)實行數字化和智能化建設，采用一體化的設計原則，在統(tǒng)一的通信平臺上，配置一體化的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現對新型農村配電網的所有設備的監(jiān)測與控制，達到智能調度的目的。根據目前的光伏電源、風力電源、儲能裝置、并網逆變器等設備的控制方式，采用統(tǒng)一的通信規(guī)約在統(tǒng)一標準平臺的基礎上實現智能控制?；诰C合管理平臺的新型農村配電網架構如圖9所示。

圖9 基于綜合平臺管理的新型農村配電網架構

線上可視化運維功能是綜合平臺管理系統(tǒng)的一個重要功能。利用多維度報表統(tǒng)計、可視化管理，運維人員便可在遠端全面掌握設備運行情況。除此之外，該系統(tǒng)提供專業(yè)APP服務，管理人員或是基層運檢人員，隨時隨地利用APP快速瀏覽相應關鍵指標，如若發(fā)生異常情況，系統(tǒng)會自動發(fā)出告警信息，密切密切配合相關單位進行巡檢及故障排查。

數據是智能化管理工作的基礎，數據管理存在采集困難、丟包、無法實現斷點續(xù)傳等問題。為避免該類問題的出現，利用多功能光伏電源通信網關、風力電源通信網關、儲能系統(tǒng)通信網關、電力通信機、工業(yè)交換機等解析多種通信協(xié)議，增設斷線緩存功能，解決數據傳輸、丟失難題，優(yōu)化管理實現效益最大化。

建立高效的新型農村配電網綜合平臺管理系統(tǒng)，優(yōu)化人員配置統(tǒng)一管理電力調度，能夠實現健康運行，實現全流程數據共享，打造“工業(yè)設備+工業(yè)APP+工業(yè)平臺”的垂直生態(tài)體系，有效推進新一代信息技術和產業(yè)深度融合，構筑高效、清潔、經濟、安全的新型農村配電網。

3 仿真驗證

在MATLAB/Simulink 平臺中搭建基于風光儲一體化的新型農村配電網仿真模型，包括配電網接入系統(tǒng)、風力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、直流負荷（充電樁）接入系統(tǒng)和交流負荷接入系統(tǒng)。

首先對子系統(tǒng)進行仿真分析，然后對系統(tǒng)整體進行仿真。由于風光電源受環(huán)境影響較大，限于文章篇幅，子系統(tǒng)仿真主要對風光電源系統(tǒng)進行仿真。

光伏電源采用變步長擾動的MPPT算法，設置仿真時長2 s，溫度為25 ℃，光強在開始時為1 000 W/m2，在0.5 s時降低為500 W/m2，在1.5 s時增強為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 光照強度與光伏電源輸出功率

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

風力電源機側整流器采用內環(huán)電流外環(huán)電機轉速的雙閉環(huán)控制。仿真時長設置為2 s，設置最大風速為12 m/s，風速在開始時為7.2 m/s，在0.5 s時風速增大為9.6 m/s，在1.5 s時風速增大至為13 m/s，風力電源輸出功率如圖11所示。

圖11 風速變化與風力電源輸出功率

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

為進一步驗證所構建的新型農村配電網結構的正確性、能量管理的有效性，對系統(tǒng)整體進行仿真分析，由于大電網供能時，與現有電網基本相同，因此重點研究系統(tǒng)內部的能量調節(jié)。表1 為系統(tǒng)整體仿真功率參數。

設置仿真時間為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，電源側和負荷側功率波形如圖12 所示。其中，儲能功率為負表示放能，為正表示儲能。

表1 系統(tǒng)整體仿真功率參數

圖12 電源側和負荷側功率波形

由圖12可知：

0～1 s，風速低于額定風速，電源的功率低于負荷側功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差額由儲能系統(tǒng)放能補充；

1～2 s，光強低于額定光強，電源的功率低于負荷側功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差額由儲能系統(tǒng)放能補充；

2～3 s，風速和光強均達到額定值，風光電源的輸出功率達到額定值10 kW，PPV+PWT=PDCL+PACL，系統(tǒng)達到動態(tài)平衡；

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

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

5～6 s，直流負荷由10 kW 增大至20 kW，此時PPV+PWT＜PDCL+PACL，儲能系統(tǒng)輸出功率為負，進行放能維持系統(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，只有在模式切換時有一定的波動，證明了系統(tǒng)中能量的穩(wěn)定流動；直流母線電壓穩(wěn)定在模式切換時僅有微小的波動，進一步證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖13 直流母線電壓波形

系統(tǒng)整體仿真表明，系統(tǒng)運行時能保持能量的動態(tài)調節(jié)與穩(wěn)定流動，直流母線電壓始終維持穩(wěn)定，驗證了所構建的新型配電網結構的正確性、能量管理策略的有效性。

4 結語

針對目前農村配電系統(tǒng)與新能源開發(fā)利用中的問題，構建基于風光儲一體化的新型農村配電網，子系統(tǒng)包括配電網接入系統(tǒng)、風力電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、直流負荷接入系統(tǒng)和交流負荷接入系統(tǒng)，給出了每個子系統(tǒng)的拓撲結構圖，以功率守恒為目標，利用能量管理策略實現系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過仿真分析得到如下結論：

1）構建的新型農村配電網可以實現光伏、風能的充分開發(fā)利用，提高了能源利用率，降低了農村配電網對大電網的依賴，降低了新能源發(fā)電對大電網的影響，減輕了運維檢修的壓力，實現安全可靠高效用電。

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

3）部分解決農村配電網長距離輸電線損較大的問題，實現能源的就地消納，未來多個村莊聯(lián)網運行時，就近相互補充，減少使用集中發(fā)電基地的電能使用，進而降低線路損耗。

4）進一步推動農村電氣化進程，減少農村對煤炭等化石能源的依賴，降低對環(huán)境的污染和碳排放。