關于農村新能源微電網建設的研究

杜 宏

（北京北變微電網技術有限公司，北京 100193）

農村是發展新能源微電網的一個重要的地區，潛力巨大。本文通過對北京市某個典型旅游村莊的新能源微電網及多種能源綜合利用項目的具體分析，對農村新能源微電網規劃、建設、運管等提出完整的思路、方案，以促進該方面的發展進步。

1 農村新能源微電網建設的意義

1）探索農村用能形式和新能源低成本利用模式，提高用能效率，降低環境污染和碳排放

通過對農村用能形式與特性進行分析，充分利用不同用能的時空特性，實現對太陽能、生物質能、天然氣等多種能源的綜合優化利用，提高綜合用能效率，減少農村對煤炭等化石能源的依賴，降低對環境的污染和碳排放。

2）探索農村配電網區域能源優化和可再生能源的充分消納與利用

改造完善農村配電網，以適應農村多種能源的特性和用能的時空差異，對農村用能方式進行調控，實現區域能源優化利用和可再生能源的充分消納，探索新的能源形勢下的農村配電網的發展形態。

2 農村新能源微電網建設的目標

在能源生產消費建設層面，選擇北京某村開展天然氣熱電聯供、太陽能發電等多種能源綜合利用示范，通過對北京某村生產生活中的用能方式及不同能源利用比例進行研究，合理配置能源，并對多種能源進行綜合優化利用，提高農村能源綜合利用效率，探索新的能源形式下可持續發展的農村能源綜合利用模式。

1）構建農村能源生產與消費復合體

從能源生產與消費層面上建設天然氣熱電聯供、太陽能光伏發電等分布式能源項目，實現村莊電能、熱能的就地綜合利用，將村莊構建成自治的綜合多能利用單元，既是能源的生產者，又是能源的消費者，形成能源生產與消費的復合體。

2）與配電網互動，實現柔性負荷主動響應

天然氣熱電聯供、太陽能光伏發電作為一個多種能源綜合單元接入到主動配電網，接受主動配電網的優化調控，利用電能、熱能不同特性，以及多種能源的時空差異，實現對配電網的負荷平抑和分布式電源的消納。

3）探討新農村多種能源利用建設與運營模式

探討在新的能源形式下，如何實現多方參與、互利共贏的新農村多種能源綜合利用建設與運營模式，并以此為基礎進一步探索開發能源利用衍生品，為新農村能源建設與運營模式推廣提供支撐。

3 北京某村用能需求分析

3.1 北京某村的基本情況

北京某村，村址地處山前沖積平原上，海拔約556m，土壤為淋溶褐土。全村村民402戶、1120人。村域面積 5.73km2（8594.1畝），其中村莊面積0.35km2，耕地面積2663畝，果園面積994.7畝。

該村是市級新農村建設的試點村，鄉村民俗旅游是村里的主導產業，有100戶農家樂旅游戶。該村鄉村旅游接待能力已初具規模，已達到3000人就餐，500人住宿的日接待能力，每年吸引游客30萬人以上，為著名的京郊鄉村旅游專業村，成為享譽京郊大地的特色旅游品牌村。在北京某村進行新農村多種能源綜合優化利用建設具有良好的示范作用。

該村目前是通過燒煤小鍋爐供暖氣采暖。每年采暖季從當年的11月初到第二年的3月底。動力用電實行峰谷電價，民用生活用電實行階梯電價。該村對能源利用主要問題是：村民取暖以煤炭作為主要能源形式，對環境產生很大影響。作為著名的鄉村民俗旅游村，市級新農村建設試點村，能源結構急需改善。

3.2 北京某村的用電情況分析

全村設置 4臺照明變壓器供村民日常生活用電、7臺動力變壓器供村內生活用水水泵用電。公共照明、水泵用電電費采用峰谷電價，電費由村民委員會承擔，多白天用電，承擔峰時電價，每月電費花費約2.5萬左右。

農戶用電負荷主要有照明、電視、電冰箱、電餅鐺、電水壺等。電費采用階梯電價。農家樂農戶每月用電 500～600kW·h，一般農戶每月用電約120kW·h。用電全部來自公共電網。生活照明、供水水泵和生活電器為北京某村主要用電負荷。

由于用電負荷主要為生活用電，日負荷曲線呈現白天負荷大，夜晚負荷小的特征，如圖1所示。

北京某村主要產業為鄉村民俗旅游，周負荷曲線呈現周五至周日負荷大，周一至周四負荷小的特征，如圖2所示。

圖1 日負荷曲線

圖2 周負荷曲線

年負荷曲線呈現基本平緩特征，如圖3所示。

圖3 年負荷曲線

3.3 北京某村的用熱情況分析

農戶用熱負荷主要有暖氣采暖、洗浴用熱水、生活熱水等。熱能主要來自燃煤、太陽能、液化氣和電能。

農戶冬季取暖為主要用熱形式。每戶通過燒煤小鍋爐供暖氣采暖。每年采暖季從當年的11月初到第二年的3月底。

農家樂農戶每個采暖季約消耗 10t煤炭，約 1萬元人民幣。一般農戶每個采暖季消耗4t煤炭，約2000～4000元人民幣。

洗浴用熱水主要來自太陽能熱水器和電熱水器。

生活做飯等主要采用液化氣。

由于主要為生活用熱，日熱負荷曲線呈現白天負荷小夜晚負荷大的特點，如圖4所示。

圖4 日熱負荷曲線

由于采暖為主要熱負荷，所以年熱負荷曲線呈現冬季（11月至次年3月）熱負荷高，其余時間熱負荷低的特征，如圖5所示。

圖5 年熱負荷曲線

采暖熱負荷為4500kW。電負荷1500kW。

3.4 北京某村的新型用電預測

隨著電動汽車的發展和普及，在旅游點需要配置適量的充電設施，該村村口有較大停車場，有100戶農家樂，預計未來游客電動車的補電充電需求較大。因此該村計劃安裝22個充電樁，其中交流慢充樁20個，每個7kW；直流快充樁2個，每個40kW；總計用電負荷220kW。

4 新能源微電網總體方案

擬在該村建設新能源微電網系統，系統包括屋頂光伏、燃氣熱電聯供、雙源鍋爐、儲水箱等主要設備，及多能利用綜合監控系統，以實現光、天然氣、電、熱，在主動配電網的綜合調度下的多種能源的綜合優化利用。

新能源微電網多能利用系統總體方案如圖6所示。該系統主要建設內容包括：

1）建設3MW的燃氣輪機熱電聯供系統及熱力改造，實現對用戶的供電、供熱。

2）建設1MW的分布式光伏發電系統，實現對用戶的綠色供電。

3）在村頭停車場，建設電動汽車充電樁22個，總計充電功率為220kW。電動汽車充電樁，面向旅游人群，提供電動車充電服務。

圖6 系統示意圖

4）將天然氣熱電聯供、光伏發電、電動車充電、雙源鍋爐和蓄熱水箱組合成多能源綜合單元，實現對整個村莊多種能源綜合管理，并與公共配電網聯接，通過電能實現能量的交換。

其中的雙源鍋爐可以利用電能或天然氣產生熱能，作為后備為村莊供熱。

配置蓄熱水箱對熱能存儲，作為調節手段，增加系統的可調可控性，并提高系統的可靠性。

通過氣、電互補綜合利用系統實現綠色供電和高可靠的供熱。

上述地新能源及可調節用電負荷設備，為主動配電網提供了多種運行調節手段。主動配電網控制系統通過全局優化計算，充分利用不同能源在時間和空間的差異性，通過多種能源互補、能源轉換和存儲，實現能源的高效利用。

5 新能源微電網多能綜合利用控制系統

新能源微電網多種能源綜合利用控制系統是實現良好運行的核心，是系統的中樞神經，其結構如圖7所示。

圖7 新能源微電網多能源綜合控制系統

系統在村級配電網與公共配電網PCC接口處設置網關接口柜，含PCC快速開關，繼電保護，測控儀表，同期并網裝置，通信處理裝置等設備；網關接口柜作為村級配電網與公共電網的接口分界點。

系統設置穩定控制裝置，可以在微電網孤網時提供標準電源，提供抗短時沖擊能力，平滑供電，儲能，削峰填谷。設置智能配電終端，實現對各組成部分的采集和感知。設置控制計算機系統，配置電力監控軟件、能量管理軟件。

構建多種能源綜合控制系統，通過對熱電聯供、光伏發電、雙源鍋爐、蓄熱水箱、電動車充電等的實時綜合調控，并考慮不同供電、供熱方式的經濟性，保持村莊穩定可靠高效經濟的供電、供熱。

村級能量管理系統接入到能源管理與公共服務中心，響應控制中心的區域優化指令。通過多種能源和儲電儲熱等手段，實現柔性負荷響應，平抑配電網分布式電源波動。

6 農村新能源微電網的創新內容

1）通過北京某村新能源微電網多種能源綜合利用示范，探索出一套農村用能分析、綜合用能解決方案、綜合用能優化運行的農村能源利用模式。

2）探索能源供給、能源配送、能源存儲、能源消費多方共建的農村能源系統建設模式。

3）探索政府、電網公司、能源企業、村民用戶“多方參與互惠共贏”的農村能源利用可持續發展、可大量復制、可推廣應用的商業運營模式。

7 農村新能源微電網的預期效果

7.1 經濟效益

2011年10月至2013年9月，國務院六次頒布文件明確提出要大力發展天然氣分布式能源。在國家鼓勵大力發展天然氣分布式能源的形勢下，北京市政府對天然氣分布式能源也高度重視，正準備出臺2項優惠政策：①設備補貼2000元/kW；②分布式能源用天然氣價格降低為2.47元/Nm3。

經測算，在獲得補貼的情況下，天然氣熱電聯供系統效率達到70%及每年利用2000h的項目已能夠做到盈利。

對分布式光伏發電也出臺了一系列鼓勵政策，國家補貼0.42元/kW·h，北京市補貼0.3元/kW·h（2015年開始，補貼5年），提高了分布式光伏發電的經濟性。

通過接受配電網的調控，實現能源的綜合優化利用，并提高配電網消納分布式電源的能力，提高設備利用率，降低系統損耗，該項目具有良好的經濟效益。

7.2 社會效益

1）采用清潔能源，減少碳排放，減少環境污染

通過本項目建設，實現北京某村100%清潔能源采暖和全綠色電能。每年減少 2200t煤炭消耗。天然氣熱電聯供系統每年發電800萬kW·h，屋頂光伏發電系統每年發電150萬kW·h，節約3800t標準煤。

2）豐富當地旅游題材，進一步增強當地經濟活力。

將北京某村建設成為綠色能源利用示范村，并作為新的旅游題材，進一步提高村莊知名度，促進經濟更快發展。

3）探索新的能源形勢下，農村多種能源綜合優化利用與農村配電網發展模式。

通過本項目，探索農村能源利用方式、投資、運營模式，為農村能源利用發展模式積累經驗，為新農村能源綜合利用推廣奠定基礎。

8 結論

本文以北京某村建設新能源微電網多能綜合利用系統為例，針對新農村多種能源綜合優化利用，通過天然氣熱電聯供、分布式光伏發電、雙源鍋爐和蓄熱水箱、電動車充電等分項目建設，實現了北京某村的多種能源綜合優化利用，探索了農村新能源利用可復制、可推廣、可持續發展的建設和運營模式，為我國農村能源利用改造做了有益的探索。

農村新能源微電網也是未來能源互聯網拓展的重要領域，能源互聯網將從發達的城市發端，必然向廣大的農村推廣，一個只考慮少數城市而對廣大農村缺乏覆蓋的能源互聯網是一個不完整的能源互聯網。而具有豐富的新能源資源、具有較多的可利用建設場地、具有迫切的改善用能需求、改善變配電網絡薄弱環節的廣闊農村，正是能源互聯網進一步發展的用武之地。

[1] 杜宏. 北京延慶新能源微電網規劃研究[Z]. 2014.

[2] 劉世民. 智能電網創新示范區建設工程可研報告[Z].2014.