農村地區微電網系統架構及能量管理系統設計

摘要：隨著可再生能源的廣泛應用，農村地區的微電網系統建設逐漸成為研究熱點。圍繞農村微電網系統架構及其能量管理系統設計展開研究，在系統架構設計方面重點介紹了微電網系統的構成，提出了分布式電源的接入原則和技術要求；在能量管理系統設計方面，著重討論了數據采集與處理、能量管理策略、優化算法，以及人機交互界面等核心內容，以實現電能的高效管理、優化調度和智能控制；最后，通過系統演示來展示農村微電網系統的可觀、可測、可調、可控能力，驗證設計方案的有效性，從而為農村微電網的可持續發展提供有益思路和參考。

關鍵詞：農村微電網； 能量管理系統； 可再生能源

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）06-0054-04

2024年3月18日國家發改委公布《全額保障性收購可再生能源電量監管辦法》，該辦法規定自2024年4月1日起，可再生能源發電項目的上網電量將分為保障性收購電量和市場交易電量兩部分，這也意味著包括農村地區在內的新能源上網電量將受到進一步限制。在此之前，由于并網容量有限，農村地區成為眾多光伏建設企業搶占市場的熱土，大量屋頂光伏建設并網。隨著光伏并網容量的快速提升，地區電網承載力不足、消納能力不足等問題日益凸顯，尤其在電網基礎建設薄弱的農村地區，出現低壓向高壓反送電的情況[1-3]。2023年以來，廣西、安徽、江西、山東、河南等地為保障地區供電安全已陸續出臺關于分布式光伏備案和建設方面的管控措施，嚴格控制以自然人身份申報并網。

在此背景下，由于農村地區分布式光伏并網容量受限，微電網技術成為解決分布式光伏過度開發問題的重要手段。農村微電網系統通過整合分布式電源、儲能設備、電力電子裝置及智能控制系統，實現了電能的可靠供應、高效利用和優化管理，對推動農村能源轉型、提升農村電力服務水平、促進農村經濟發展具有重要意義。探討農村微電網系統的設計方案，包括硬件構成和軟件能量管理系統兩部分。

1農村電網的供電問題

隨著農村電氣化程度越來越高，農村電網負荷快速增長。農村電網負荷主要包括工業負荷、農業負荷、居民負荷3類，其中涉及對供電可靠性要求較高的傳統工業、灌溉水泵等負荷，也包括一般用戶照明、電炊具、電采暖、空調、電動交通工具等。與城市電氣化相比，農村地區更容易出現供電不足的問題，主要包括以下幾方面：

1.1供電穩定性不足

電網基礎設施在某些農村地區的配電變壓器數量有限、供電服務面積過于寬廣，電網線路末端的感性負荷集中，尤其是電動機等設備的大量使用，造成電網負載分配不均衡，尤其在用電高峰時段常常導致電壓降低，出現階段性或持續性的低壓供電問題。這不僅對居民的日常生活造成不便，如照明不足、電器無法正常工作等，同時也對當地經濟活動產生負面影響，限制了工商業的發展和農業生產的現代化。

1.2供電可靠性不足

農村電網輸電及配電設施老化，線路安全性和抗干擾能力弱。同時，農村人口地域分散，事故斷電后運維人員支撐難度大。

1.3消納能力不足

農村地區勞動生產具有較強的季節性，導致農網負荷同樣呈現明顯的季節性，全年負荷曲線呈雙峰特性。隨著農村屋頂光伏大量并網，農網消納壓力瞬間攀升，極易出現低壓向高壓反送電的情況[4]。

農村地區供電系統的穩定性、可靠性和消納能力不足，會直接影響電力消費和農業生產，嚴重制約農村經濟發展。為此，提出一種農村地區微電網系統架構及能量管理系統設計，通過信息化技術實現對農村地區分布式電源、儲能及用電負荷的實時監測和優化運行，從而提升農村光伏消納率和配網供電的穩定性和可靠性。

2農村微電網系統架構設計

微電網系統主要包括光伏發電系統、風力發電系統、儲能系統、負荷管理系統及應急電源系統5部分，各子系統通過AC400V母線耦合，可由以太網、現場總線或4G/5G無線專網作為通訊手段實現與能量管理系統之間的信息交互。農村微電網系統架構如圖1所示。

由圖1可以看出，各家各戶使用的屋頂光伏和分散式風機等微電源通過集中匯流并入10 kV配電網，不再采用單獨并網方案。儲能設備（如鋰離子電池、鉛酸電池或超級電容）是系統的關鍵，其通過雙向逆變器來平衡供需，能夠增強電力系統的穩定性和可靠性。監控保護設備實時監測電壓、電流和功率等參數，可實現遠程監控和管理，通過數據分析及時發現并預警安全隱患，有助于提升微電網智能化。

微電網技術整合了分布式電源、儲能和柔性負荷，簡化了配電網調度，促進了新能源的就地消納，提高了光伏和風力發電的利用率，減少了電網建設成本[5]。這一技術不僅優化了能源配置，還為農村地區提供了高效、可靠的電力供應。

3微電網能量管理系統設計

微電網能量管理系統是實現對微電網電能進行高效管理、優化調度和智能控制的關鍵部分。微電網能量管理系統架構如圖2所示。

由圖2可以看出，微電網能量管理系統分為接入層、網絡層、平臺層和應用層4部分，主要功能包括數據采集與處理、能量管理、優化算法和人機交互界面等。

3.1數據采集與處理

系統可實時采集農村微電網中儲能變流器（PCS）、電池管理系統（BMS）、光伏逆變器、居民負荷和電網中的數據，包括電壓、電流、功率、溫度等參數，并支持其他多種標準協議的設備數據接入。管理系統可以在線監測微電網系統的實時運行狀態、系統內各種設備狀態等，為能量管理策略的制定提供依據。

3.2能量管理

能量管理是農村微電網軟件能量管理系統的核心。系統能夠根據峰谷電價、限電政策、應急需求等不同的使用場景，結合電源情況、負荷需求和儲能狀態，制定合適的能量調度策略[6]。系統能夠直接向PCS發送有功、無功等控制指令，控制PCS執行相應的動作，從而實現電能的合理分配和高效利用。例如，在電源充足且負荷較低時，可以優先使用可再生能源發電；在電源不足或負荷高峰時，可以通過儲能設備釋放電能來保障微電網的穩定運行。

3.3優化算法

優化算法對于提高農村微電網的能量管理效率至關重要。通過采用遺傳算法、粒子群算法等先進的優化技術，可以對微電網的能量管理策略進行精細調整，從而實現電能的高效調度與分配[7]。這些算法能夠實時響應微電網的運行狀態和用電需求，自動優化能量流，確保供電的穩定性和經濟性。它們通過智能化的決策支持，增強了微電網對可再生能源波動的適應能力，提升了系統整體的能源利用效率和供電可靠性。

3.4人機交互界面

人機交互界面在提升農村微電網軟件能量管理系統的可用性方面發揮著關鍵作用[8]。它通過直觀的設計和簡易的操作流程，使用戶能夠輕松地實時監控微電網的運行狀態、查看設備的性能數據和能量流動情況。用戶界面不僅提供信息展示，還允許用戶執行參數配置、下發控制指令等操作，從而實現對微電網系統的遠程操控和智能管理。這種交互方式極大地提高了微電網的可管理性和用戶的參與度，增強了系統的靈活性和響應速度。

4系統演示

用戶使用專屬賬號通過Web登錄微電網能量管理系統，可對微電網中的分布式電源、儲能、用電負荷等單元進行實時監控。

系統通過實時采集微電網中各單元的發/用電狀態和運行數據，如電壓、電流、有功功率、無功功率等，能夠實現在線診斷、故障告警、消息推送、自動控制等高級應用，在微電網處于不同的運行場景時進行自動有序的管理。例如，當電網側出現故障時，系統會自動執行切負荷操作，調整各分布式電源的功率分配，并輔助微電網切換到離網運行模式，從而保證關鍵負荷不會突然斷電，當檢測到電網側故障恢復之后，會自動恢復到并網運行模式。同時，系統還會考慮微電網的經濟性和環保性，確保在滿足供電需求的同時，實現成本最低化和環境影響最小化。微電網能量管理系統如圖3所示。

5結論

農村地區的微電網系統架構及能量管理系統設計主要包括以下4個優勢：

1） 提升電網穩定性。通過減少分布式電源并網點數量來簡化電網結構，降低調度復雜性，有助于緩解新能源并網可能帶來的頻率波動和電壓不穩定問題，有助于確保電網平穩運行。2） 提升電網可靠性。提升電網可靠性的關鍵在于應用信息化技術，以實現對發電和用電環節的實時監測與智能控制。這種可觀測、可控制的能力使電網系統更加智能化，提高了對異常情況的響應速度和處理效率，增強了電網的整體穩定性和供電可靠性。3） 提升新能源利用效率。通過優化系統設計，減少電能在不同形式間的轉換損失，直接提高了能源轉換和利用的整體效率。4） 降低消納成本。優先自發自用、余電上網，減少了電網消納系統的建設成本，同時降低了電費成本。

智能電網和物聯網技術的融合為農村微電網系統的智能化帶來了新的發展機遇。隨著這些技術的進步，農村微電網的管理能力和智能化水平將顯著提高，能源管理將變得更加精細化和個性化。強化與公共電網的互聯互通，農村微電網不僅能更深入地融入到更大的電網體系中，還能實現電力資源的高效優化和合理共享。這種系統的未來發展前景廣闊，它將在農村地區的能源結構轉型和經濟可持續發展中扮演更加重要的角色，提供穩定而高效的能源支持，有利于推動農村經濟社會的全面發展和進步。