中建科技 国臣 GOLDENCOOPERATE 碧桂围 ENERGY FOUNDATION 能源基金会 中国光储直柔建筑发展战略路径研究 (二期) ResearchontheStrategicPathof PEDFBuildingsinChina(PhaseII) 子课题3：农村“光储直柔”新型电力系统研究 Task3:ResearchonthePEDFPower SysteminRural Areas 清华大学 2023年12月15日 Tsinghua University Dec15 2023
致谢 本研究由清华大学统筹撰写，由能源基金会提供资金支持.
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执行摘要 1.农村能源系统的困境与机遇 -我国农村建筑能耗巨大.
我国农村地区用能约占全社会建筑能耗的四 分之一，农村建筑用能包括2.2吨标准煤商品能的使用以及0.9亿吨的 生物质直接燃烧.
同时，农村是我国散煤使用率最高的地区，散煤的使 用量约1.1亿吨标准煤.
农村建筑运行碳排放约4.2亿吨，约占全国建 筑碳排放的20%.
-我国农村用能造成了高昂的环境代价.
由于我国大部分农村主要采用 燃烧化石能源的方式满足自身的用能需求，尤其是北方农村采暖.
化石 能源的燃烧不仅释放大量二氧化碳，还会造成严重的空气污染.
化石能 源的燃烧产物如PM2.5、氮氧化物、一氧化碳等会严重危害室内人员的 健康.
根据世界卫生组织报告，2019年中国有103万人死于空气污染， 其中62%发生在农村.
-农村“煤改电，煤改气"方案的效果并不理想.
从2017年开始，我国开 始实施“煤改电，煤改气”工程，但是由于缺乏合理的顶层设计，天然气 和市政电力的价格过于昂贵，大部分地区的农户在补贴结束后又用回了 散煤.
因此，不能把在农村地区实现“碳中和"的任务简单地理解为一个 能源替代工程，而是一个需要详细可靠的规划来引导的复杂方案，方案 包括科学的技术创新、实际的工程应用、完备的政策引导.
这需要在技 术、政策、商业模式上进行全面的改革和创新.
-农村能源革命与国家战略息息相关.
习近平主席在2020年的联合国大 会发言中宣布中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和”.
国务院文件强调：脱贫攻坚目标达成后，我国 “三农”工作重点向全面推进乡村振兴战略转移，农村能源转型是促进农 村产业发展和农村生态治理的主要手段，更是实现乡村振兴战略的重要 基础.
建立农村新型能源系统是实现“碳中和"的必经之路！
也是促进农 村生态治理、乡村振兴的重要基石.
农村具有发展光伏系统的空间优势.
实现碳中和战略的主要任务之一 是实现从以化石能源为基础的碳基电力系统转为以可再生能源为基础的 零碳电力系统.
因此，实现农村用能脱碳就要全面推动农户用能电气化， 并利用可再生能源代替火电.
而农村在发展可再生能源有得天独厚的空 间优势.
根据卫星图像识别的结果，我国农村屋顶面积丰富（130亿㎡)， 1
可安装19亿kW光伏，光伏年发电量可达2.5万亿kWh，是未来农村实 现全面电气化后所需用电量的3-4倍.
因此，在农村发展以分布式光伏 为核心的新型电力系统可以充分利用农村巨大的光伏潜力，从而使得农 村从一个传统的能源消费者转变为一个能源的生产者.
2.中国农村要建立以屋顶光伏为基础的新型电力系统 -传统的直接逆变上网的方式不能帮助农村实现能源转型.
目前农村的 光伏系统的运行模式是：开发商租赁农户的屋顶安装光伏板，光伏发电 直接逆变上网，而农户依然需要从电网取电满足自身的用电需求.
这样 的光伏系统存在三个问题：1，不公平：变压器的容量有限，每个村仅 少数“捷足先登"的农户能享受上网容量.
这种方式浪费了巨大的农村屋 顶光伏潜力：2，不充分：这种系统的发电和用电是两个体系，开发商 获得了卖电的收益，但是农民无法真正受益.
而且，农民没有享受到光 伏电力，这种光伏系统并不能改变农村原有的能源结构：3，不平衡： 光伏发电具有随机性和波动性，直接入网容易产生垃圾电，无法利用农 村储能资源，浪费大量调峰电源资源.
因此，现有的光伏系统无法引领 农村用能的脱碳化，农村需要一种新的可以让农民享受光伏电力、为农 民带来真正实惠的电力系统.
-农村光储直柔新型电力系统推动农村能源结构的变革.
为了克服传统 的农村光伏系统所带来的不公平、不充分、不平衡的问题，光储直柔新 型电力系统应运而生，它的基本原则是优先自发自用，余电有序上网.
该系统的运行方式是：光伏电力优先满足农户的用电需求以及储电设备 的充电需求，然后多余的电力响应电网的调度有序地送入电网.
与传统 的农村光伏系统相比，这样的系统有三个优势：1，变压器的扩容压力 小，因为相当一部分比例的光伏电力被就地消纳了，就可以允许有更多 的农户参与到这个系统中：2，充分利用农村的储能优势，使得光伏电 力不再是垃圾电，不会增加电网的调度压力：3，农户直接使用光伏电 力，不仅获得经济上的实惠，而且带动农村全面电气化以及农村用能脱 碳化.
传统方式：屋项租赁，光伏发电直接上网 目标方式：优先自发自用，余电有序上网 自食消销 图1光储直柔系统与传统光伏电力系统的对比
3.农村新型电力系统设计方案 -农村新型电力系统的挑战是解决光伏电力与农户负荷的不匹配.
光伏 电力与农户用电之间存在严重的不匹配，这是农村新型电力系统面临的 最大的挑战.
在逐时的时间尺度上可以看出，由于光伏发电特征与农户 用电特征不一致，导致光伏电力无法始终满足农户的用电需求.
而解决 这个问题的关键，是控制策略和储能技术.
储能可以实现光伏电力的转 移，使得农户在夜间和阴雨天通过储能设备的电力就可以满足自身用电 需求.
而控制策略决定系统的运行规律，可以使得系统能够按照预期方 案平稳运行.
新型电力系统的拓扑方案需要因地制宜.
确定系统拓扑结构是农村新 型电力系统设计的基础.
目前农村“光储直柔”电力系统的拓扑结构大致 分为三种.
不同的拓扑结构会导致不同的发电效率、传输损失、设备容 量、控制方法以及投资费用.
三种方案各有利，因此在实际项目中需 要因地制宜，综合考虑当地的电价、设备成本、上网政策、柔性目标等 进行经济性对比，从而选择性价比最高的方案.
新型电力系统的设备容量选择要兼顾可靠性和经济性.
选定电力系统 设计方案的拓扑结构后，需要确定系统的设备容量，即：光伏装机容量、 储电容量以及各种变流器的容量.
理论上讲，光伏容量越大，发电收益 越大：储电容量越大，系统的调控能力越强，柔性潜力也越大.
但是在 实际工程中，受到成本的限制，系统的设备选择是一个优化问题，兼顾 系统运行可靠性以及经济性.
系统设计容量需要满足两个约束条件：（1） 多云天气一天内的光伏发电量不小于农户的用电量：（2）户内电池满足 农户夜间以及阴雨天的用电需求.
-新型电力系统需要去中心化的自适应控制方法.
由于农村建筑的特征 是“量大面散”，传统的集中控制的方式难以适应农村的场景.
对于直流 系统，电压是最简单也是最重要的运行参数，可以利用电压信号作为控 制信号来改变设备的运行状况.
具体来说，就是系统中的电力电子设备 感应接触点的电压信号，根据电压的高低来改变自己的运行状态.
这是 一种去中心化无控制器的控制方法，设备根据所在位置的电压信号做出 自适应的调节，维持系统的稳定运行.
