基于风光储一体化的新型农村配电网研究

刘佳男，李业行，张 董，刘海涵，贺敬波

（国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东 枣庄 277000）

0 引言

在习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源安全新战略指引下，我国能源转型工作和产供储销体系建设深入推进，《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》的发布，宣告着我国将全推进乡村振兴建设。乡村振兴、电力先行，优化更新农村电网结构、推动农村新能源的充分合理利用，可以满足农村不断增加的用电需求。

以山东为例，其村庄分布较为零散，农村负荷呈现散而多的特点，难以一条或几条线路集中供电，导致供电线路过长、过多，部分10 kV 线路供电压力大；农村配电网运维工作难度大、检修工作任务重等问题也日益明显；而广大农村风能、光能的开发程度低，依靠传统化石能源的现象普遍存在。为充分利用风光能源，解决农村电网升级瓶颈，图1 所示的交直流混联微电网是一个良好途径。

图1 交直流混联微电网结构

交直流混联微电网主要由交流系统、直流系统、双向功率变换器和能量管理系统4 部分组成［1-2］。以变换器为核心设备的新型配电网，是未来研究和工程实践的一个新方向。新型配电网将既能同时满足不同类型负荷的需求，又能全面开发分布式能源、增强新型配电网自身的可靠性和降低对大电网的影响。因此，开展基于风光储一体化的新型农村配电网的研究对促进农村分布式可再生能源的充分利用、提高农村电气化进程具有重要的理论与现实意义。

目前对微电网的研究相对单一，一些文献中设计的微网系统中同时包括交流微电网和直流微电网，但是在具体研究时则分开研究，在设计的微电网系统中交流电源对交流负荷供电，直流电源对直流负荷供电，二者间的能量流动受到限制。对于将直流电源和交流电源进行统一发电、统一输送的混合微电网研究相对较少。文献［3］以新能源发电为基础，分析了系统的运行状态，利用微电网的就地消纳能力，消除了新能源发电具有随机性、不连续性的缺点，降低对大电网的不利影响。文献［4］介绍一种基于新能源发电的智能配电网，通过构建物理结构，对其进行模拟，研究分析了智能配电网运行特征、故障判断、故障智能处理。文献［5］提出一种集中控制与就地控制结合的控制方法，在考虑随机因素的基础上，利用集中控制进行核心控制，利用就地控制进行边缘计算，实现整体与部分的融合，实现快速控制，消除新能源发电波动的影响。文献［6］在分析新能源发电随机性、间接性的基础上，提出了多个变流器间的协调控制策略及能量管理方法。

Grzegorz Iwanski 等人提出了一种直流微电网孤岛运行能量管理策略，以风力发电机和储能装置的状态为依据，利用PI 控制器分别对发电过多、发电不足、储能装置过度放电、过度充电进行控制［7］。Sun Kai 等人提出一种以直流母线电压信号为判断依据的能量管理方法，通过将系统运行状态进行模式划分，利用直流母线电压的变化来进行模式切换，最终达到系统孤岛和并网间、不同模式间转换的平滑切换［8］。

传统微电网结构研究多集中于相对独立的微电网，不适用于农村配电网；传统控制方法研究多集中于基于母线电压等级进行分层或分级控制，负荷变动频繁时会出现母线电压频繁波动，影响系统的稳定运行。能量管理控制方法是实现新型农村配电网安全稳定可靠运行的保证［9-10］。研究以“源荷储”为基本结构的能量流动管理控制方法［11-13］，可以实现大规模决策变量的优化处理和多目标优化功能［14-15］。基于上述问题，设计一种基于风光储一体化的新型农村配电网结构，研究一种以功率守恒为目标的能量管理控制方法，实现可再生能源的接入、不同农村配电网间的互连互通，最终实现基于风光储一体化的新型农村配电网稳定高效运行。

1 新型农村配电网结构

1.1 新型农村配电网结构分析

图2 为新型农村配电网示意图，拟将各个村庄的配电网构建成基于风光储一体化的微电网，由综合管理平台系统统一控制，将风光电源、交直流负荷、储能系统、控制系统统一整合，构建一个完全可控且具有一定独立性的系统，同时接入大电网，组建适当独立且与大电网并行运行的新型配电网。利用主动并网技术、电力供需平衡高效互动技术、智能微电网调度技术等核心技术，实现不同新型农村配电网之间相互连接，最终实现全国乃至全球的能量互联互通。

图2 新型农村配电网

光伏电源和风力电源具有随机性与不连续性，不仅需要保持稳定的功率输出，还需要保持稳定的电压输出。光伏电源为直流电源，风力电源为交流电源，为了统一调度管理，减少交流—直流或直流—交流的变换环节，光伏电源与风力电源同时接入直流母线，储能装置采用双向直流—直流电路接入直流母线，直流母线与交流母线之间采用逆变器连接。

下面主要研究图2 中交直流母线供电部分及风光发电部分，具体包括配电网接入系统、风力电源系统、光伏电源系统、储能系统、直流负荷接入系统和交流负荷接入系统6个部分。

1.2 光伏电源系统与风力电源系统

光伏电源系统拓扑结构如图3 所示，由于光伏单板的输出功率较低，需要将若干光伏单板进行串并联组合，然后经过Boost 变换器构成单模组，多个模组进行并联组合后接入直流母线。

图3 光伏电源系统拓扑结构

风力电源系统拓扑结构如图4 所示，风力电源系统单模组由发电机组与三相整流器，风力发电机组输出电压经整流后接入直流母线。风力电源输出三相交流电，本研究中采用永磁直驱式风力发电机。

图4 风力电源系统拓扑结构

1.3 储能系统与直流负荷接入系统

储能系统拟采用钒电池，其具有以下优点：

1）功率和容量相对独立，可分别设置，功率通过改变单电池总数或电极的表面积来调节，容量通过改变电解液的体积和钒离子浓度来调节；

2）性能受外部环境的干扰较小，相对于普通蓄电池受温度影响大，其性能受影响较小；

3）使用寿命较长，过度放电对性能影响较小，过度放电后充电，容量可以恢复，不会对电池造成致命损伤。

储能系统拓扑结构如图5 所示，储能系统通过储能阵列（单电池）的串并联组合来提高容量和功率，利用双向直直变换器实现储能与放能，调节系统内部的能量流动。为顺利实现不同流向的能量任意平滑切换，选用图5 所示的共用主电路的拓扑结构进行仿真。

图5 储能系统拓扑结构

直流负荷接入系统拓扑结构与储能系统相同，实现直流—直流变换。

1.4 交流负荷接入系统与配电网接入系统

交流负荷接入系统拓扑结构如图6 所示，利用三相逆变器、变压器连接直流母线和交流母线，为交流负载供能。配电网接入系统中的变换器为三相整流器，为三相逆变器工作的逆过程。

图6 交流负荷接入系统拓扑结构

1.5 新型农村配电网总拓扑结构

综上所述，可以得到图7 所示的新型农村配电网总拓扑结构，对应上文所列的6 个子系统。构建的新型农村配电网包含直流母线和交流母线，分别向直流负荷与交流负荷供电，减少了交流—直流变换环节，提高系统运行效率。为降低成本，提高经济性，减少对现有农村电网的改造，将交流母线电压设为380 V，与之相匹配的将直流母线电压设为650 V。

图7 新型农村配电网拓扑结构

2 新型农村配电网运行机理

通常情况下，构建的新型农村配电网（下文简称新型配电网）有并网和孤岛两种基本运行模式，当处于并网模式时，新型配电网中的负荷由内部电源或大电网供能，此时新型配电网可以作为一个可控的微电网；当大电网出现各种故障或需要停电检修时，新型配电网快速断开与大电网之间的连接，并且平滑过渡到孤岛的运行状态，给农村重要负荷提供持续可靠的电力供应，确保农村的重要负荷不受影响，从而增强了农村配电网抵御外部故障的能力，减少了因外部故障带来的不必要损失。因此，构建的新型配电网运行模式灵活，根据大电网的运行状态，在并网和孤岛模式下进行平滑切换，以达到最优的运行状态。

2.1 新型农村配电网能量管理

能量管理采用协调控制的模式，控制系统首先对光伏电源、风力电源的输出功率和负荷需求进行预测，然后制定相应的运行计划，并根据采集的电压、电流、功率状态信息，对系统运行状态进行动态调整，控制光伏电源、风力电源、储能装置的启停，保证新型农村配电网的直流母线电压、交流母线电压和频率稳定，并提供相关的保护功能。

新型配电网功率流动如图8所示。图中，PPV表示光伏电源输入功率，PWT表示风力电源功率，PACL表示交流负荷接入系统功率，PDCL表示直流负荷接入系统功率，PN表示配电网接入系统功率，PSCS表示储能系统功率。

图8 新型配电网功率流动

当电源系统发电满足新型配电网内负荷的需要时，满足

此时PN=0，PSCS为正时，相当于负荷，进行储能；PSCS为负时，相当于电源，进行放能。当光强、温度、风速等环境因素变化时，储能系统动态调节能量流动，保证新型配电网的稳定。

当电源系统发电不满足新型配电网内负荷的需要时，先由储能系统放能来维持负荷需求，当储能装置电量过低时，大电网接入，满足

当大电网检修或故障时，此时功率表达式为式（1），系统将按照负荷的重要性，切负荷运行。

因此，能量管理主要的关键技术有：

1）全状态监控，对新型配电网运行状态进行实时监控，采集相关数据；

2）新能源发电管理，对新型配电网内电源工作状态及输出功率进行自动分配，保证系统平稳运行；

3）功率预测，对一定时间内新型配电网的电源工作状态和负荷状态进行有效的短期、长期预测，预测结果用于优化新能源发电管理并为调度提供参考；

4）储能管理，调节新型配电网内电源与负荷的供需关系，用于稳定直流母线电压和削峰填谷等；

5）保护功能，分为设备级保护、子系统级保护和系统级保护，根据系新型配电网运行状态，及时隔离消除故障，缩小故障影响范围，在特定情况下进行系统重构，保证系统安全平稳运行；

6）智能调度，根据新能源发电管理、功率预测、储能管理，对系统内电源进行优化整合，提高系统工作效率。

2.2 新型农村配电网综合管理平台

新型农村配电网的控制系统实行数字化和智能化建设，采用一体化的设计原则，在统一的通信平台上，配置一体化的计算机监控系统，实现对新型农村配电网的所有设备的监测与控制，达到智能调度的目的。根据目前的光伏电源、风力电源、储能装置、并网逆变器等设备的控制方式，采用统一的通信规约在统一标准平台的基础上实现智能控制。基于综合管理平台的新型农村配电网架构如图9所示。

图9 基于综合平台管理的新型农村配电网架构

线上可视化运维功能是综合平台管理系统的一个重要功能。利用多维度报表统计、可视化管理，运维人员便可在远端全面掌握设备运行情况。除此之外，该系统提供专业APP服务，管理人员或是基层运检人员，随时随地利用APP快速浏览相应关键指标，如若发生异常情况，系统会自动发出告警信息，密切密切配合相关单位进行巡检及故障排查。

数据是智能化管理工作的基础，数据管理存在采集困难、丢包、无法实现断点续传等问题。为避免该类问题的出现，利用多功能光伏电源通信网关、风力电源通信网关、储能系统通信网关、电力通信机、工业交换机等解析多种通信协议，增设断线缓存功能，解决数据传输、丢失难题，优化管理实现效益最大化。

建立高效的新型农村配电网综合平台管理系统，优化人员配置统一管理电力调度，能够实现健康运行，实现全流程数据共享，打造“工业设备+工业APP+工业平台”的垂直生态体系，有效推进新一代信息技术和产业深度融合，构筑高效、清洁、经济、安全的新型农村配电网。

3 仿真验证

在MATLAB/Simulink 平台中搭建基于风光储一体化的新型农村配电网仿真模型，包括配电网接入系统、风力电源系统、光伏电源系统、储能系统、直流负荷（充电桩）接入系统和交流负荷接入系统。

首先对子系统进行仿真分析，然后对系统整体进行仿真。由于风光电源受环境影响较大，限于文章篇幅，子系统仿真主要对风光电源系统进行仿真。

光伏电源采用变步长扰动的MPPT算法，设置仿真时长2 s，温度为25 ℃，光强在开始时为1 000 W/m2，在0.5 s时降低为500 W/m2，在1.5 s时增强为800 W/m2。由此可以得到如图10 所示的光伏电源输出功率的仿真波形。

图10 光照强度与光伏电源输出功率

由图10（b）可知，在t=0.05 s时，光伏电源开始稳定输出，说明本文采用的变步长扰动的MPPT 算法追踪效果良好；在t=0.5 s 时，随着光照强度突然降低，光伏电源输出功率迅速降低，在短暂调节后恢复至最大功率点，并保持稳定；在t=1.5 s 时，光照强度突然增强，经过短暂调节后恢复至最大功率点。

风力电源机侧整流器采用内环电流外环电机转速的双闭环控制。仿真时长设置为2 s，设置最大风速为12 m/s，风速在开始时为7.2 m/s，在0.5 s时风速增大为9.6 m/s，在1.5 s时风速增大至为13 m/s，风力电源输出功率如图11所示。

图11 风速变化与风力电源输出功率

由图11（b）可知，在t=0.1 s 时，风力电源开始稳定输出，说明系统最大风能追踪效果良好；在t=0.5 s时，随着风速突然增加，风力电源输出功率迅速增加，波形平滑，功率有较小波动；在t=1.5 s时，风速过大，超过了设定的最大风速（12 m/s），为防止风机机械损坏，风力电源限功率运行。

为进一步验证所构建的新型农村配电网结构的正确性、能量管理的有效性，对系统整体进行仿真分析，由于大电网供能时，与现有电网基本相同，因此重点研究系统内部的能量调节。表1 为系统整体仿真功率参数。

设置仿真时间为6 s，直流母线电压650 V，交流母线电压380 V，子系统功率如表1 所示，电源侧和负荷侧功率波形如图12 所示。其中，储能功率为负表示放能，为正表示储能。

表1 系统整体仿真功率参数

图12 电源侧和负荷侧功率波形

由图12可知：

0～1 s，风速低于额定风速，电源的功率低于负荷侧功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差额由储能系统放能补充；

1～2 s，光强低于额定光强，电源的功率低于负荷侧功率PPV+PWT＜PDCL+PACL，功率差额由储能系统放能补充；

2～3 s，风速和光强均达到额定值，风光电源的输出功率达到额定值10 kW，PPV+PWT=PDCL+PACL，系统达到动态平衡；

3～4 s，交流负荷由10 kW 增大至20 kW，此时PPV+PWT＜PDCL+PACL，储能系统输出功率为负，进行放能维持系统功率平衡；

4～5 s，交流负荷由20 kW 减小至5 kW，此时PPV+PWT＞PDCL+PACL，储能系统输出功率为正，进行储能维持系统功率平衡；

5～6 s，直流负荷由10 kW 增大至20 kW，此时PPV+PWT＜PDCL+PACL，储能系统输出功率为负，进行放能维持系统功率平衡。

直流母线电压波形如图13 所示。整体上看，系统的功率波形平滑稳定，只有在模式切换时有一定的波动，证明了系统中能量的稳定流动；直流母线电压稳定在模式切换时仅有微小的波动，进一步证明了系统的稳定运行。

图13 直流母线电压波形

系统整体仿真表明，系统运行时能保持能量的动态调节与稳定流动，直流母线电压始终维持稳定，验证了所构建的新型配电网结构的正确性、能量管理策略的有效性。

4 结语

针对目前农村配电系统与新能源开发利用中的问题，构建基于风光储一体化的新型农村配电网，子系统包括配电网接入系统、风力电源系统、光伏电源系统、储能系统、直流负荷接入系统和交流负荷接入系统，给出了每个子系统的拓扑结构图，以功率守恒为目标，利用能量管理策略实现系统的稳定运行。通过仿真分析得到如下结论：

1）构建的新型农村配电网可以实现光伏、风能的充分开发利用，提高了能源利用率，降低了农村配电网对大电网的依赖，降低了新能源发电对大电网的影响，减轻了运维检修的压力，实现安全可靠高效用电。

2）基本解决农村配电网“低电压”等电能质量问题。本文构建的新型农村配电网，符合“半径短、容量小、布点集”的原则，采用大量先进电力电子设备，保证供电的功率稳定、电压稳定、谐波含量低，电能质量高。

3）部分解决农村配电网长距离输电线损较大的问题，实现能源的就地消纳，未来多个村庄联网运行时，就近相互补充，减少使用集中发电基地的电能使用，进而降低线路损耗。

4）进一步推动农村电气化进程，减少农村对煤炭等化石能源的依赖，降低对环境的污染和碳排放。