关于农村新能源微电网建设的研究

杜 宏

（北京北变微电网技术有限公司，北京 100193）

农村是发展新能源微电网的一个重要的地区，潜力巨大。本文通过对北京市某个典型旅游村庄的新能源微电网及多种能源综合利用项目的具体分析，对农村新能源微电网规划、建设、运管等提出完整的思路、方案，以促进该方面的发展进步。

1 农村新能源微电网建设的意义

1）探索农村用能形式和新能源低成本利用模式，提高用能效率，降低环境污染和碳排放

通过对农村用能形式与特性进行分析，充分利用不同用能的时空特性，实现对太阳能、生物质能、天然气等多种能源的综合优化利用，提高综合用能效率，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。

2）探索农村配电网区域能源优化和可再生能源的充分消纳与利用

改造完善农村配电网，以适应农村多种能源的特性和用能的时空差异，对农村用能方式进行调控，实现区域能源优化利用和可再生能源的充分消纳，探索新的能源形势下的农村配电网的发展形态。

2 农村新能源微电网建设的目标

在能源生产消费建设层面，选择北京某村开展天然气热电联供、太阳能发电等多种能源综合利用示范，通过对北京某村生产生活中的用能方式及不同能源利用比例进行研究，合理配置能源，并对多种能源进行综合优化利用，提高农村能源综合利用效率，探索新的能源形式下可持续发展的农村能源综合利用模式。

1）构建农村能源生产与消费复合体

从能源生产与消费层面上建设天然气热电联供、太阳能光伏发电等分布式能源项目，实现村庄电能、热能的就地综合利用，将村庄构建成自治的综合多能利用单元，既是能源的生产者，又是能源的消费者，形成能源生产与消费的复合体。

2）与配电网互动，实现柔性负荷主动响应

天然气热电联供、太阳能光伏发电作为一个多种能源综合单元接入到主动配电网，接受主动配电网的优化调控，利用电能、热能不同特性，以及多种能源的时空差异，实现对配电网的负荷平抑和分布式电源的消纳。

3）探讨新农村多种能源利用建设与运营模式

探讨在新的能源形式下，如何实现多方参与、互利共赢的新农村多种能源综合利用建设与运营模式，并以此为基础进一步探索开发能源利用衍生品，为新农村能源建设与运营模式推广提供支撑。

3 北京某村用能需求分析

3.1 北京某村的基本情况

北京某村，村址地处山前冲积平原上，海拔约556m，土壤为淋溶褐土。全村村民402户、1120人。村域面积 5.73km2（8594.1亩），其中村庄面积0.35km2，耕地面积2663亩，果园面积994.7亩。

该村是市级新农村建设的试点村，乡村民俗旅游是村里的主导产业，有100户农家乐旅游户。该村乡村旅游接待能力已初具规模，已达到3000人就餐，500人住宿的日接待能力，每年吸引游客30万人以上，为著名的京郊乡村旅游专业村，成为享誉京郊大地的特色旅游品牌村。在北京某村进行新农村多种能源综合优化利用建设具有良好的示范作用。

该村目前是通过烧煤小锅炉供暖气采暖。每年采暖季从当年的11月初到第二年的3月底。动力用电实行峰谷电价，民用生活用电实行阶梯电价。该村对能源利用主要问题是：村民取暖以煤炭作为主要能源形式，对环境产生很大影响。作为著名的乡村民俗旅游村，市级新农村建设试点村，能源结构急需改善。

3.2 北京某村的用电情况分析

全村设置 4台照明变压器供村民日常生活用电、7台动力变压器供村内生活用水水泵用电。公共照明、水泵用电电费采用峰谷电价，电费由村民委员会承担，多白天用电，承担峰时电价，每月电费花费约2.5万左右。

农户用电负荷主要有照明、电视、电冰箱、电饼铛、电水壶等。电费采用阶梯电价。农家乐农户每月用电 500～600kW·h，一般农户每月用电约120kW·h。用电全部来自公共电网。生活照明、供水水泵和生活电器为北京某村主要用电负荷。

由于用电负荷主要为生活用电，日负荷曲线呈现白天负荷大，夜晚负荷小的特征，如图1所示。

北京某村主要产业为乡村民俗旅游，周负荷曲线呈现周五至周日负荷大，周一至周四负荷小的特征，如图2所示。

图1 日负荷曲线

图2 周负荷曲线

年负荷曲线呈现基本平缓特征，如图3所示。

图3 年负荷曲线

3.3 北京某村的用热情况分析

农户用热负荷主要有暖气采暖、洗浴用热水、生活热水等。热能主要来自燃煤、太阳能、液化气和电能。

农户冬季取暖为主要用热形式。每户通过烧煤小锅炉供暖气采暖。每年采暖季从当年的11月初到第二年的3月底。

农家乐农户每个采暖季约消耗 10t煤炭，约 1万元人民币。一般农户每个采暖季消耗4t煤炭，约2000～4000元人民币。

洗浴用热水主要来自太阳能热水器和电热水器。

生活做饭等主要采用液化气。

由于主要为生活用热，日热负荷曲线呈现白天负荷小夜晚负荷大的特点，如图4所示。

图4 日热负荷曲线

由于采暖为主要热负荷，所以年热负荷曲线呈现冬季（11月至次年3月）热负荷高，其余时间热负荷低的特征，如图5所示。

图5 年热负荷曲线

采暖热负荷为4500kW。电负荷1500kW。

3.4 北京某村的新型用电预测

随着电动汽车的发展和普及，在旅游点需要配置适量的充电设施，该村村口有较大停车场，有100户农家乐，预计未来游客电动车的补电充电需求较大。因此该村计划安装22个充电桩，其中交流慢充桩20个，每个7kW；直流快充桩2个，每个40kW；总计用电负荷220kW。

4 新能源微电网总体方案

拟在该村建设新能源微电网系统，系统包括屋顶光伏、燃气热电联供、双源锅炉、储水箱等主要设备，及多能利用综合监控系统，以实现光、天然气、电、热，在主动配电网的综合调度下的多种能源的综合优化利用。

新能源微电网多能利用系统总体方案如图6所示。该系统主要建设内容包括：

1）建设3MW的燃气轮机热电联供系统及热力改造，实现对用户的供电、供热。

2）建设1MW的分布式光伏发电系统，实现对用户的绿色供电。

3）在村头停车场，建设电动汽车充电桩22个，总计充电功率为220kW。电动汽车充电桩，面向旅游人群，提供电动车充电服务。

图6 系统示意图

4）将天然气热电联供、光伏发电、电动车充电、双源锅炉和蓄热水箱组合成多能源综合单元，实现对整个村庄多种能源综合管理，并与公共配电网联接，通过电能实现能量的交换。

其中的双源锅炉可以利用电能或天然气产生热能，作为后备为村庄供热。

配置蓄热水箱对热能存储，作为调节手段，增加系统的可调可控性，并提高系统的可靠性。

通过气、电互补综合利用系统实现绿色供电和高可靠的供热。

上述地新能源及可调节用电负荷设备，为主动配电网提供了多种运行调节手段。主动配电网控制系统通过全局优化计算，充分利用不同能源在时间和空间的差异性，通过多种能源互补、能源转换和存储，实现能源的高效利用。

5 新能源微电网多能综合利用控制系统

新能源微电网多种能源综合利用控制系统是实现良好运行的核心，是系统的中枢神经，其结构如图7所示。

图7 新能源微电网多能源综合控制系统

系统在村级配电网与公共配电网PCC接口处设置网关接口柜，含PCC快速开关，继电保护，测控仪表，同期并网装置，通信处理装置等设备；网关接口柜作为村级配电网与公共电网的接口分界点。

系统设置稳定控制装置，可以在微电网孤网时提供标准电源，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，削峰填谷。设置智能配电终端，实现对各组成部分的采集和感知。设置控制计算机系统，配置电力监控软件、能量管理软件。

构建多种能源综合控制系统，通过对热电联供、光伏发电、双源锅炉、蓄热水箱、电动车充电等的实时综合调控，并考虑不同供电、供热方式的经济性，保持村庄稳定可靠高效经济的供电、供热。

村级能量管理系统接入到能源管理与公共服务中心，响应控制中心的区域优化指令。通过多种能源和储电储热等手段，实现柔性负荷响应，平抑配电网分布式电源波动。

6 农村新能源微电网的创新内容

1）通过北京某村新能源微电网多种能源综合利用示范，探索出一套农村用能分析、综合用能解决方案、综合用能优化运行的农村能源利用模式。

2）探索能源供给、能源配送、能源存储、能源消费多方共建的农村能源系统建设模式。

3）探索政府、电网公司、能源企业、村民用户“多方参与互惠共赢”的农村能源利用可持续发展、可大量复制、可推广应用的商业运营模式。

7 农村新能源微电网的预期效果

7.1 经济效益

2011年10月至2013年9月，国务院六次颁布文件明确提出要大力发展天然气分布式能源。在国家鼓励大力发展天然气分布式能源的形势下，北京市政府对天然气分布式能源也高度重视，正准备出台2项优惠政策：①设备补贴2000元/kW；②分布式能源用天然气价格降低为2.47元/Nm3。

经测算，在获得补贴的情况下，天然气热电联供系统效率达到70%及每年利用2000h的项目已能够做到盈利。

对分布式光伏发电也出台了一系列鼓励政策，国家补贴0.42元/kW·h，北京市补贴0.3元/kW·h（2015年开始，补贴5年），提高了分布式光伏发电的经济性。

通过接受配电网的调控，实现能源的综合优化利用，并提高配电网消纳分布式电源的能力，提高设备利用率，降低系统损耗，该项目具有良好的经济效益。

7.2 社会效益

1）采用清洁能源，减少碳排放，减少环境污染

通过本项目建设，实现北京某村100%清洁能源采暖和全绿色电能。每年减少 2200t煤炭消耗。天然气热电联供系统每年发电800万kW·h，屋顶光伏发电系统每年发电150万kW·h，节约3800t标准煤。

2）丰富当地旅游题材，进一步增强当地经济活力。

将北京某村建设成为绿色能源利用示范村，并作为新的旅游题材，进一步提高村庄知名度，促进经济更快发展。

3）探索新的能源形势下，农村多种能源综合优化利用与农村配电网发展模式。

通过本项目，探索农村能源利用方式、投资、运营模式，为农村能源利用发展模式积累经验，为新农村能源综合利用推广奠定基础。

8 结论

本文以北京某村建设新能源微电网多能综合利用系统为例，针对新农村多种能源综合优化利用，通过天然气热电联供、分布式光伏发电、双源锅炉和蓄热水箱、电动车充电等分项目建设，实现了北京某村的多种能源综合优化利用，探索了农村新能源利用可复制、可推广、可持续发展的建设和运营模式，为我国农村能源利用改造做了有益的探索。

农村新能源微电网也是未来能源互联网拓展的重要领域，能源互联网将从发达的城市发端，必然向广大的农村推广，一个只考虑少数城市而对广大农村缺乏覆盖的能源互联网是一个不完整的能源互联网。而具有丰富的新能源资源、具有较多的可利用建设场地、具有迫切的改善用能需求、改善变配电网络薄弱环节的广阔农村，正是能源互联网进一步发展的用武之地。

[1] 杜宏. 北京延庆新能源微电网规划研究[Z]. 2014.

[2] 刘世民. 智能电网创新示范区建设工程可研报告[Z].2014.