智慧農(nóng)村能源網(wǎng)格：虛擬電廠技術(shù)的實現(xiàn)與應(yīng)用

摘 要：我國農(nóng)村屋頂資源豐富，但因農(nóng)網(wǎng)承載力不足，導(dǎo)致農(nóng)村屋頂光伏難以大規(guī)模推廣。電動汽車下鄉(xiāng)及農(nóng)業(yè)機(jī)械電動化對提高農(nóng)村用電負(fù)荷且為家庭微電網(wǎng)建設(shè)降低儲能的建設(shè)成本，提高家庭微電網(wǎng)具有可行性。該文提出一個未來農(nóng)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(wǎng)可使農(nóng)村屋頂光伏大規(guī)模推廣，同時通過虛擬電廠中模型預(yù)測控制與家庭微網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式可降低農(nóng)村社區(qū)用電成本及通過需求響應(yīng)提供電網(wǎng)的靈活性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村能源；虛擬電廠；微電網(wǎng)；智慧農(nóng)村；解決方案

中圖分類號：TM727.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)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(jìn)農(nóng)村新能源推廣，對保障農(nóng)村地區(qū)能源安全、助力實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)任務(wù)、全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

通過分析全國農(nóng)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(xué)建筑節(jié)能研究中心與自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心的合作，以全國高分辨率衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)，國外高分辨率影像數(shù)據(jù)為補(bǔ)充，對農(nóng)村地區(qū)的屋頂面積和可安裝光伏的潛力進(jìn)行了總體評估[1]。結(jié)果表明，2020 年全國農(nóng)村建筑屋頂面積約為 273.3億m2，結(jié)合建筑屋頂可利用面積比例系數(shù)，估算得到農(nóng)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(nóng)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(nóng)村電力系統(tǒng)存在的問題

在當(dāng)前的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、儲能技術(shù)及電動汽車等新型能源技術(shù)的廣泛接入，農(nóng)村電網(wǎng)面臨著一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)。主要面臨著以下幾種問題[2]。 第一，農(nóng)村電網(wǎng)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(dāng)大量的分布式能源接入配電網(wǎng)時，會導(dǎo)致電網(wǎng)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(dǎo)致電網(wǎng)的高低壓越限問題，即電壓超過規(guī)定的安全范圍。

第三，當(dāng)電網(wǎng)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(jìn)而引發(fā)線路故障。

第四，農(nóng)村對傳統(tǒng)能源的依賴仍然較強(qiáng)。在北方農(nóng)村，煤炭仍然是最主要的能源，用于供暖和烹飪等。而在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，柴油是主要的能源，占農(nóng)業(yè)機(jī)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(shù)挑戰(zhàn)，需要研究和推廣需求側(cè)管理、綜合資源規(guī)劃、廣義負(fù)荷、負(fù)荷聚合商和虛擬電廠等新型技術(shù)。需求側(cè)管理是一種通過調(diào)整用戶端的用電行為來平衡電網(wǎng)負(fù)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(fù)荷是指考慮了可再生能源的不確定性和波動性后的電網(wǎng)負(fù)荷。負(fù)荷聚合商是將多個小用戶的負(fù)荷集中起來，形成一個大的負(fù)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(shè)備、電動汽車和電動農(nóng)機(jī)等整合在一起，形成一個虛擬的電力供應(yīng)商，可以更好地響應(yīng)電網(wǎng)的需求。

2 虛擬電廠解決方案

2.1 構(gòu)建以家庭為單位的微電網(wǎng)

家庭微電網(wǎng)是指在家庭層面構(gòu)建的小型電力系統(tǒng)，它能夠整合家庭內(nèi)部的能源設(shè)備，如太陽能發(fā)電、儲能設(shè)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(nóng)村家庭可以減少對中央電網(wǎng)的依賴，提高能源利用效率，并在電網(wǎng)故障時保持電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。

以一個擁有200 kVA臺區(qū)變壓的100戶居民的農(nóng)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(shè)，按照現(xiàn)有的政策，各級電網(wǎng)主變（配變）所接入的光伏容量不應(yīng)超過設(shè)備額定容量的80％，只能建設(shè)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(wǎng)模式建設(shè)，可以讓每家每戶都安裝光伏。200戶的農(nóng)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(nóng)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(wǎng)架設(shè)計，配有儲能電池的電動車、電動農(nóng)機(jī)、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(nóng)網(wǎng)沖擊采用可控負(fù)荷開關(guān)與進(jìn)戶線相連。

EMS（能量管理系統(tǒng)）為微電網(wǎng)的大腦，通過微電網(wǎng)控制器協(xié)調(diào)控制各個電氣設(shè)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(nóng)機(jī)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(nóng)機(jī)及電動車按照優(yōu)先等級依次為家電供電。當(dāng)既無光照且儲能系統(tǒng)無電時，可以向鄰居或者農(nóng)村社區(qū)外部電網(wǎng)購電。儲能系統(tǒng)（電動車、電動農(nóng)機(jī)及儲能電池）、光伏、家電在EMS的控制下平穩(wěn)、有序進(jìn)行，在不與農(nóng)網(wǎng)進(jìn)行電能量交互時，保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，這樣可以最大限度地減輕農(nóng)網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

圖1 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)圖

2.2 虛擬電廠架構(gòu)

每戶之間電能量交互，電費(fèi)結(jié)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(yù)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(fù)荷，可以緩解外部電網(wǎng)的穩(wěn)定性及調(diào)度的問題，整個農(nóng)村社區(qū)可以單獨(dú)運(yùn)行，每家每戶的微電網(wǎng)系統(tǒng)也可以單獨(dú)運(yùn)行，VPP提高了所有用戶用電的靈活性，能充分且經(jīng)濟(jì)地使用光伏發(fā)電。

圖2 農(nóng)村能源社區(qū)虛擬電廠

VPP通過每戶微電網(wǎng)的EMS來監(jiān)視和控制光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及用電負(fù)荷，VPP還收集農(nóng)村能源社區(qū)外部電網(wǎng)狀況及電價，通過預(yù)測建模和控制算法來管理。預(yù)測建模是一種統(tǒng)計方法，其使用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘預(yù)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(shè)定值之間的差異。

2.3  點(diǎn)對點(diǎn)能源交易

本地能源交易可以有效地緩解農(nóng)村分布式光伏增長與電網(wǎng)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(fèi)者向電力產(chǎn)銷者轉(zhuǎn)變。用戶分布式光伏產(chǎn)生的多余電力可存儲，或銷售給鄰居，或銷售給外部電網(wǎng)，或限發(fā)。電力交易的主要思想是為有能力且活躍的產(chǎn)銷者提供一個市場平臺，微網(wǎng)系統(tǒng)可以讓他們自適應(yīng)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(chǎn)者或消費(fèi)者參與市場。

該市場允許配電網(wǎng)中各戶以點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行電力交易，如圖3所示。通過需求響應(yīng)來實現(xiàn)這一目標(biāo)，該平臺具備市場參與者根據(jù)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(yīng)市場，并充當(dāng)市場的產(chǎn)銷者。

圖3 點(diǎn)對點(diǎn)能源交易

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

3 虛擬電廠技術(shù)實現(xiàn)

3.1 虛擬電廠控制技術(shù)

VPP控制模塊目的在于優(yōu)化各戶微電網(wǎng)能源互動，同時通過需求響應(yīng)提高電網(wǎng)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(nóng)機(jī)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(dāng)前和未來的天氣狀況、電力成本、微電網(wǎng)狀況兼顧農(nóng)村能源社區(qū)的特殊負(fù)荷等信息。在VPP運(yùn)行期間，不得損害各用戶微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

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

如圖4所示，信息提供商向模型預(yù)測控制（MPC）提供實時電價和天氣預(yù)報的信息。光功率預(yù)測通過收集天氣預(yù)報信息并結(jié)合本地小型氣象站分析出更準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)（光照、氣溫等）， 然后通過預(yù)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(nóng)村能源社區(qū)以外的電力信息，并向MPC發(fā)送預(yù)期電力負(fù)荷的預(yù)測曲線和需求響應(yīng)。農(nóng)村能源社區(qū)各家庭微電網(wǎng)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(jìn)行交互。VPP的預(yù)測模塊使用預(yù)測算法來預(yù)測基線用電量。MPC根據(jù)電價與基本用電量、需求響應(yīng)、光功率預(yù)測等信息進(jìn)行優(yōu)化，并將控制信號傳輸?shù)轿㈦娋W(wǎng)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(shè)計

在智慧農(nóng)村能源網(wǎng)格的構(gòu)建中，虛擬電廠管理平臺是整個虛擬電廠技術(shù)集成的核心。虛擬電廠綜合管理平臺是集成了高級數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(nóng)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(fēng)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(shè)備通過NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)傳感器傳輸電量或接收控制信號，大量的發(fā)電、用電設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(diào)控中心。在電力市場和虛擬電廠運(yùn)行機(jī)制的協(xié)調(diào)下，運(yùn)行虛擬電廠，并按照協(xié)議進(jìn)行結(jié)算。

此外，虛擬電廠綜合管理平臺在設(shè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院拖到y(tǒng)的抗攻擊能力。

圖5 虛擬電廠平臺結(jié)構(gòu)圖

如圖6所示，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊有序鏈接起來形成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中區(qū)塊是指數(shù)據(jù)的集合，相關(guān)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(wǎng)絡(luò)中更新的數(shù)據(jù)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

本文提出的虛擬電廠技術(shù)為解決農(nóng)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(gòu)建家庭微電網(wǎng)，實現(xiàn)了農(nóng)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(gòu)的引入，不僅提高了農(nóng)村社區(qū)用電的靈活性，還通過點(diǎn)對點(diǎn)能源交易，促進(jìn)了能源的本地化和去中心化管理，為農(nóng)村地區(qū)能源安全和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，虛擬電廠技術(shù)有望在農(nóng)村地區(qū)得到更廣泛的應(yīng)用。其不僅推動農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，還將助力實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的宏偉目標(biāo)，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(xiàn)：

[1] 江億，胡姍.屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)戰(zhàn)略研究[J].氣候變化研究進(jìn)展，2022，18（3）：272-282.

[2] 陸佳琳，方舒，杜松懷，等.高比例可再生能源新型農(nóng)村電網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望[J].電力需求側(cè)管理，2022，24（6）：38-43.

[3] XU Y X，SINGH C. Adequacy and economy analysis of distribution systems integrated with electric energy storage and renewable energy resources[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2012，27（4）：2332-2341.

[4] GAN L K，ZHANG P F，LEE J， et al. Data-Driven energy management system with gaussian process forecasting and mpc for interconnected microgrids[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2021，12（1）：695-704.