智慧农村能源网格：虚拟电厂技术的实现与应用

摘 要：我国农村屋顶资源丰富，但因农网承载力不足，导致农村屋顶光伏难以大规模推广。电动汽车下乡及农业机械电动化对提高农村用电负荷且为家庭微电网建设降低储能的建设成本，提高家庭微电网具有可行性。该文提出一个未来农村能源社区虚拟电厂解决方案，通过直流母线与交流母线混合型微电网可使农村屋顶光伏大规模推广，同时通过虚拟电厂中模型预测控制与家庭微网系统相结合的方式可降低农村社区用电成本及通过需求响应提供电网的灵活性。

关键词：农村能源；虚拟电厂；微电网；智慧农村；解决方案

中图分类号：TM727.1 文献标志码：A 文章编号：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

能源产业是乡村振兴的重要支撑，发挥可再生能源分布式创新发展的优势，加快推进农村新能源推广，对保障农村地区能源安全、助力实现碳达峰碳中和目标任务、全面推进乡村振兴具有重要意义。

通过分析全国农村地区建筑物屋顶可利用的光伏发电空间资源，基于清华大学建筑节能研究中心与自然资源部国土卫星遥感应用中心的合作，以全国高分辨率卫星影像为基础，国外高分辨率影像数据为补充，对农村地区的屋顶面积和可安装光伏的潜力进行了总体评估[1]。结果表明，2020 年全国农村建筑屋顶面积约为 273.3亿m2，结合建筑屋顶可利用面积比例系数，估算得到农村屋顶可安装光伏板面积为131亿m2，考虑到各地太阳能资源差异和光伏发电效率，计算得到全国农村屋顶光伏可安装规模总量为1 970 GW，年发电量为295万GWh。

1 农村电力系统存在的问题

在当前的农村能源结构中，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源，正逐渐受到重视。然而，随着分布式光伏发电、风力发电、地热发电、生物质能发电、储能技术及电动汽车等新型能源技术的广泛接入，农村电网面临着一系列新的技术挑战。主要面临着以下几种问题[2]。 第一，农村电网的容量裕度和承载能力不足，限制了大规模分布式能源的接入。当大量的分布式能源接入配电网时，会导致电网中的潮流方向频繁变化，出现双向潮流现象。

第二，由于分布式能源的波动性和不确定性，可能导致电网的高低压越限问题，即电压超过规定的安全范围。

第三，当电网中的电力流量超过线路的承载能力时，可能会引发线路阻塞，进而引发线路故障。

第四，农村对传统能源的依赖仍然较强。在北方农村，煤炭仍然是最主要的能源，用于供暖和烹饪等。而在农业机械方面，柴油是主要的能源，占农业机械用能的95%以上，大大限制了新能源的推广与发展。

因此，为了解决上述技术挑战，需要研究和推广需求侧管理、综合资源规划、广义负荷、负荷聚合商和虚拟电厂等新型技术。需求侧管理是一种通过调整用户端的用电行为来平衡电网负荷的方法。综合资源规划则是通过整合各种能源资源，实现能源的优化配置。广义负荷是指考虑了可再生能源的不确定性和波动性后的电网负荷。负荷聚合商是将多个小用户的负荷集中起来，形成一个大的负荷，以便更好地参与电力市场。虚拟电厂是一种将分布式能源、储能设备、电动汽车和电动农机等整合在一起，形成一个虚拟的电力供应商，可以更好地响应电网的需求。

2 虚拟电厂解决方案

2.1 构建以家庭为单位的微电网

家庭微电网是指在家庭层面构建的小型电力系统，它能够整合家庭内部的能源设备，如太阳能发电、储能设备和智能电器，实现能源的自给自足和优化管理。因此，农村家庭可以减少对中央电网的依赖，提高能源利用效率，并在电网故障时保持电力供应的稳定性。

以一个拥有200 kVA台区变压的100户居民的农村社区为例，以传统自发自用分布式光伏的模式建设，按照现有的政策，各级电网主变（配变）所接入的光伏容量不应超过设备额定容量的80％，只能建设160 kW的光伏。以一户安装10 kW的光伏计算，只有16户人家可以安装光伏，还有84户家庭的屋顶闲置。

采用微电网模式建设，可以让每家每户都安装光伏。200户的农村社区每户安装光伏10 kW，年光照有效小时按1 000 h计算，光伏每年可为农村社区提供200万kWh新能源电力，平均每户1万kWh。如图1所示，采用交直流混合网架设计，配有储能电池的电动车、电动农机、储能电池与光伏采用直流供电系统，通过双向变流器与原有家庭交流供电系统连接，为了防止对农网冲击采用可控负荷开关与进户线相连。

EMS（能量管理系统）为微电网的大脑，通过微电网控制器协调控制各个电气设备。白天光照较好的时候，光伏除了给家电供电外，多余的电存储于储能系统（电动车、电动农机及储能电池），再有多余的电可以低价卖给邻居或停止发电。那么光照不足或无光照的时候储能电池、电动农机及电动车按照优先等级依次为家电供电。当既无光照且储能系统无电时，可以向邻居或者农村社区外部电网购电。储能系统（电动车、电动农机及储能电池）、光伏、家电在EMS的控制下平稳、有序进行，在不与农网进行电能量交互时，保持断开状态，这样可以最大限度地减轻农网负担。

图1 家庭微电网系统图

2.2 虚拟电厂架构

每户之间电能量交互，电费结算就需要借助VPP（虚拟电厂）来解决。如图2所示，VPP集合智能系统、预测系统、控制系统、EMS系统及市场系统。VPP集合每家每户光伏发电、储能系统及用电负荷，可以缓解外部电网的稳定性及调度的问题，整个农村社区可以单独运行，每家每户的微电网系统也可以单独运行，VPP提高了所有用户用电的灵活性，能充分且经济地使用光伏发电。

图2 农村能源社区虚拟电厂

VPP通过每户微电网的EMS来监视和控制光伏系统、储能系统及用电负荷，VPP还收集农村能源社区外部电网状况及电价，通过预测建模和控制算法来管理。预测建模是一种统计方法，其使用机器学习和数据挖掘预测未来可能发生情况。控制算法是一种逻辑形式，用于分析测量值和设定值之间的差异。

2.3  点对点能源交易

本地能源交易可以有效地缓解农村分布式光伏增长与电网承载力不足的矛盾[3]。用户由于有了分布式光伏及储能系统，可以由传统电力消费者向电力产销者转变。用户分布式光伏产生的多余电力可存储，或销售给邻居，或销售给外部电网，或限发。电力交易的主要思想是为有能力且活跃的产销者提供一个市场平台，微网系统可以让他们自适应地管理自己的电力供需，以满足随时的电力输出和分配能力，并作为生产者或消费者参与市场。

该市场允许配电网中各户以点对点的方式进行电力交易，如图3所示。通过需求响应来实现这一目标，该平台具备市场参与者根据实时电价而控制电力分配的能力。每户拥有光伏发电及储能系统，可以通过EMS管理光伏发电、储能充放电去响应市场，并充当市场的产销者。

图3 点对点能源交易

点对点电力交易的主要操作分为4个可互操作的层，即电网层、ICT（信息与通信技术）层、控制层及业务层。电网层由负载、光伏发电系统、储能系统、农村社区配电网、台区变压器及智能电表构成，是点对点电力交易发生地。ICT层由硬件、软件、协议和数据流构成。通信设备包括传感器、电信连接、路由器、交换机、服务器和其他类型的计算机。协议一般包括 TCP/IP、Modbus、485通信等。通信应用一般包括数据传输和文件共享，通信涉及通过通信设备发送的所有消息的发送者、接收者和内容。控制层包括每户微电网的EMS及微网控制器，EMS接受VPP交易平台及用户的指令，通过微网控制器对屋顶光伏发电、储能系统及可控负荷实时控制。业务层定义了如何在用户之间及与第三方共享权利。电力市场的主要参与者有各用户、外部电网、配电系统操作员和监督市场等。

3 虚拟电厂技术实现

3.1 虚拟电厂控制技术

VPP控制模块目的在于优化各户微电网能源互动，同时通过需求响应提高电网灵活性。通过EMS控制光伏发电、储能充放电策略、收集用车、农机计划合理安排充放电和指定家用电器用电计划等实现用电成本的降低。还需要收集当前和未来的天气状况、电力成本、微电网状况兼顾农村能源社区的特殊负荷等信息。在VPP运行期间，不得损害各用户微电网的稳定性。

农村能源社区VPP建议采用模型预测控制（MPC）[4]。微电网中的分布式能源将由模型预测控制通过微电网EMS进行调节，包括光伏发电、储能系统及家用负载（可调和可切）。模型预测控制将通过解决多目标优化问题来实现，目的在于最大限度地提高微电网的用户稳定性、降低用电成本及提供需求响应。

如图4所示，信息提供商向模型预测控制（MPC）提供实时电价和天气预报的信息。光功率预测通过收集天气预报信息并结合本地小型气象站分析出更准确的气象数据（光照、气温等）， 然后通过预测系统发送给MPC。竞价模块与聚合商通信中，集合商收集各家庭光伏出力及储能出力，以及农村能源社区以外的电力信息，并向MPC发送预期电力负荷的预测曲线和需求响应。农村能源社区各家庭微电网通过EMS管理光伏发电的出力、储能系统的充放电策略、家庭用电计划等，并与MPC进行交互。VPP的预测模块使用预测算法来预测基线用电量。MPC根据电价与基本用电量、需求响应、光功率预测等信息进行优化，并将控制信号传输到微电网的EMS，以控制各个家庭的光伏发电及储能系统。

3.2 虚拟电厂综合管理平台设计

在智慧农村能源网格的构建中，虚拟电厂管理平台是整个虚拟电厂技术集成的核心。虚拟电厂综合管理平台是集成了高级数据分析、云计算、物联网技术的综合性管理系统，旨在实现对虚拟电厂中各种能源资源的有效监控、管理、优化。

图4 农村能源社区虚拟电厂控制系统

如图5所示，虚拟电厂的能量主要来源为分布式光伏发电、风力发电、电动汽车、储能和户用电量等，电量计量装置和智能控制设备通过NB-IoT等物联网传感器传输电量或接收控制信号，大量的发电、用电设备可按照区域组成多个区域控制中心，多个控制中心通过5G等通信网络接入虚拟电厂管控中心。虚拟电厂同时接入电力市场交易管理中心和调控中心。在电力市场和虚拟电厂运行机制的协调下，运行虚拟电厂，并按照协议进行结算。

此外，虚拟电厂综合管理平台在设计时充分考虑了系统的安全性和可靠性。采用了区块链交易的模式，确保数据传输的安全性和系统的抗攻击能力。

图5 虚拟电厂平台结构图

如图6所示，区块链是由区块有序链接起来形成的一种数据结构，其中区块是指数据的集合，相关信息和记录都包括在里面，是形成区块链的基本单元。其中，区块可由2部分组成：①区块头，链接到前面的区块，并为区块链提供完整性；②区块主体，记录网络中更新的数据信息。每个区块都会通过区块头信息链接到之前的区块，形成链式结构。

4 结束语

本文提出的虚拟电厂技术为解决农村电力系统存在的问题提供了创新的解决方案。通过构建家庭微电网，实现了农村屋顶光伏的大规模推广，同时降低了度电成本，提高了能源利用效率。虚拟电厂架构的引入，不仅提高了农村社区用电的灵活性，还通过点对点能源交易，促进了能源的本地化和去中心化管理，为农村地区能源安全和可持续发展贡献了力量。

未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，虚拟电厂技术有望在农村地区得到更广泛的应用。其不仅推动农村能源结构的优化，还将助力实现碳达峰和碳中和的宏伟目标，为乡村振兴战略的实施提供坚实的能源保障。

参考文献：

[1] 江亿，胡姗.屋顶光伏为基础的农村新型能源系统战略研究[J].气候变化研究进展，2022，18（3）：272-282.

[2] 陆佳琳，方舒，杜松怀，等.高比例可再生能源新型农村电网的技术挑战与展望[J].电力需求侧管理，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.