張建華 胡浩 史佳琪

微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)解讀

張建華 胡浩 史佳琪

構(gòu)建低碳清潔、安全高效的能源體系成為我國(guó)能源發(fā)展、環(huán)境改善的重要問(wèn)題，微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)作為新一代的能源發(fā)展形式受到了人們的高度重視。

隨著能源、環(huán)境問(wèn)題日益突出，提高包含風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源及其他多種類(lèi)型能源的綜合利用效率，構(gòu)建低碳清潔、安全高效的能源體系成為我國(guó)能源發(fā)展、環(huán)境改善的重要問(wèn)題，微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)作為新一代的能源發(fā)展形式受到了人們的高度重視。

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及分布不盡如人意

我國(guó)作為資源大國(guó)，能源形式豐富，但能源結(jié)構(gòu)及分布上卻不盡如人意，目前呈現(xiàn)諸多問(wèn)題，主要包括以下兩個(gè)重要特點(diǎn)：

第一個(gè)特點(diǎn)是我國(guó)的能源資源以煤炭為主，水能豐富，石油、天然氣短缺，石油對(duì)外依存度高，人均能源資源擁有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。這和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比結(jié)構(gòu)是落后的。我國(guó)目前70%煤炭占比的能源結(jié)構(gòu)仍處于歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家上世紀(jì)50年代的水平。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，21世紀(jì)初歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的煤炭、石油、天然氣所占比例各約為1/3，而我國(guó)仍然是以煤為主的結(jié)構(gòu)。

第二個(gè)特點(diǎn)就是能源分布不合理，我國(guó)能源分布主要在西部，而負(fù)荷中心卻在東部。比如以電為例，煤炭基地在內(nèi)蒙古、山西、甘肅、新疆，水電資源在西南，瀾滄江、長(zhǎng)江上游、雅魯藏布江、三峽，但負(fù)荷中心在東部。因此造成了能源分布極不合理、西能東送的格局。并且從區(qū)域電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，每一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)基本上也是西能東送，或者西電東送的布局，這就使得我們要把能源遠(yuǎn)距離地輸送到東部發(fā)電。電力方面，大概2/3的負(fù)荷是集中在東部地區(qū)，而2/3能源卻在西部地區(qū)，所以需要有1/3的能源從西部搬運(yùn)到東部。正是由于這個(gè)原因，我們要考慮能源的就地消納、就地生產(chǎn)，由此我國(guó)也發(fā)布了規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)到2020年分布式能源（光伏、小水電、微型天然氣、風(fēng)電等）所占比例大大提高。

何為微電網(wǎng)

為此如何面對(duì)大范圍接入的分布式能源、如何對(duì)波動(dòng)式的太陽(yáng)能、風(fēng)能進(jìn)行有效地控制等問(wèn)題成為了我國(guó)亟待解決的難題。面對(duì)上述緊張的能源形勢(shì)，微電網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，微電網(wǎng)可以滿足分布式能源對(duì)可靠性的要求、對(duì)各種電力服務(wù)的要求，其與傳統(tǒng)電網(wǎng)一個(gè)最主要的區(qū)別就是微電網(wǎng)可以對(duì)分布式能源進(jìn)行就地消化、就地平衡，同時(shí)也可以和大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，但微電網(wǎng)內(nèi)部的控制和相關(guān)保護(hù)技術(shù)與大電網(wǎng)相比有許多相應(yīng)的區(qū)別。例如大電網(wǎng)主要是單向潮流、簡(jiǎn)單交互，從發(fā)電廠通過(guò)輸電線路到用戶，而微電網(wǎng)是內(nèi)部的循環(huán)，所以是雙向操作。用戶和電網(wǎng)之間可以交換能量，是雙向的流動(dòng)，是主動(dòng)交互，這是微電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)本質(zhì)的區(qū)別。

如果微電網(wǎng)控制得好，對(duì)大電網(wǎng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的支撐作用。比如說(shuō)大電網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)可以向大電網(wǎng)提供電力支持，提升供電可靠性，人們可以更多、更好地消納新能源和可再生能源，有更低的供電成本。微電網(wǎng)內(nèi)部可以提升可再生能源的效率，特別是多種能源互補(bǔ)的時(shí)候，對(duì)提高可再生能源的效率起到了十分重要的作用。同時(shí)微電網(wǎng)還可以對(duì)大電網(wǎng)提供相關(guān)的輔助服務(wù)，例如調(diào)頻、調(diào)壓服務(wù)，通過(guò)微電網(wǎng)內(nèi)部控制措施，可以對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行處理。

微電網(wǎng)有五項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù):

一、微電網(wǎng)中分布式發(fā)電技術(shù)。目前微電網(wǎng)的能量還沒(méi)有一個(gè)完整的界定，從幾十千瓦到幾十兆瓦的都有，所以運(yùn)行方式要靈活，分布式電源要保證及時(shí)性和環(huán)保性。

二、微電網(wǎng)控制與保護(hù)技術(shù)。由于微電網(wǎng)分布式電源在用戶側(cè)，所以過(guò)去傳統(tǒng)的控制和保護(hù)技術(shù)有一些不適應(yīng)微電網(wǎng)的情況，需要針對(duì)微電網(wǎng)提出更具有適應(yīng)性的保護(hù)措施。

三、微電網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能對(duì)分布式可再生能源平抑波動(dòng)性、在峰谷差的調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮了很重要的作用，但目前儲(chǔ)能主要由于其本身的經(jīng)濟(jì)性能低而沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。隨著儲(chǔ)能成本的下降以及儲(chǔ)能技術(shù)不斷的成熟，其對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部平抑可再生能源波動(dòng)性，提高經(jīng)濟(jì)性、靈活性，將會(huì)發(fā)揮很重要的作用。

四、微電網(wǎng)能量管理技術(shù)。如何對(duì)微電網(wǎng)中的分布式能源及各類(lèi)負(fù)荷進(jìn)行有效地管理和調(diào)節(jié)，對(duì)于生成微電網(wǎng)的最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。

五、多微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。這也是微電網(wǎng)當(dāng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)外的研究和實(shí)際工程較多，例如在法國(guó)里昂形成了十幾個(gè)微電網(wǎng)群，微電網(wǎng)群之間的協(xié)調(diào)控制和互補(bǔ)運(yùn)行，從而達(dá)到不同微網(wǎng)個(gè)體的穩(wěn)定運(yùn)行。

近日，河北省秦皇島市海港區(qū)杜莊鎮(zhèn)杜莊村多家村民在屋頂安裝的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。據(jù)悉，這種由48塊單晶硅太陽(yáng)能電池板組成的12.5千瓦家庭發(fā)電裝置日均發(fā)電可達(dá)50千瓦時(shí)，并網(wǎng)發(fā)電后每千瓦時(shí)國(guó)家給予補(bǔ)助0.42元，補(bǔ)助長(zhǎng)達(dá)20年，河北省政府每千瓦時(shí)補(bǔ)助0.2元，補(bǔ)助3年。多余的電，國(guó)家電網(wǎng)以每千瓦時(shí)0.367元的價(jià)格回收，預(yù)計(jì)每年收入2萬(wàn)元。

微電網(wǎng)的接入可能會(huì)使配電系統(tǒng)發(fā)生根本性的變化，比如說(shuō)可以使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)單向輻射的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向潮流流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，配電運(yùn)行就會(huì)發(fā)生變化，會(huì)變成有源的網(wǎng)絡(luò)，所以運(yùn)行、保護(hù)控制方式就會(huì)產(chǎn)生很大的變化。另外用戶側(cè)，本身靈活的運(yùn)行在微電網(wǎng)內(nèi)部，用戶負(fù)荷和管理方式上都會(huì)發(fā)生變化。

通過(guò)微電網(wǎng)的建設(shè)，相對(duì)來(lái)講可以補(bǔ)充大電網(wǎng)對(duì)投資的不足，通過(guò)分布式能源和微電網(wǎng)本身的建設(shè)，可以降低對(duì)配電系統(tǒng)和對(duì)電能的需求，減少或者減緩配電網(wǎng)的投資。

能源互聯(lián)網(wǎng)概念及構(gòu)架

隨著微電網(wǎng)的逐步發(fā)展，將進(jìn)一步過(guò)渡到綜合能源網(wǎng)或者微能源網(wǎng)，以及后來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念，我們可以大致分成兩大類(lèi)。

一類(lèi)叫廣域的能源互聯(lián)網(wǎng)（全球能源互聯(lián)網(wǎng)），它是跨國(guó)、跨區(qū)域的，以超高壓、特高壓骨干網(wǎng)為核心，以大規(guī)模輸送可再生能源為主要目的，實(shí)現(xiàn)跨國(guó)、跨洲、跨區(qū)域的大型能源基地可再生能源的生產(chǎn)、傳輸、交易。因此廣域全球能源互聯(lián)網(wǎng)具有廣域資源配置和需求調(diào)節(jié)能力，是解決可再生能源可持續(xù)供應(yīng)的重要手段。

另一類(lèi)是局域的，地域的，是以園區(qū)或者跨園區(qū)的配電網(wǎng)為核心紐帶，目的是要消納分布式可再生能源，通過(guò)各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種能源的高效利用和多元化主體參與的能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這是不同類(lèi)型的能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。微能源網(wǎng)就屬于第二類(lèi)。

能源互聯(lián)網(wǎng)的基層分層

通過(guò)眾多專(zhuān)家研討分析，給了能源互聯(lián)網(wǎng)一個(gè)相對(duì)比較合理的定義：以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建的一種新型信息和能源融合的網(wǎng)絡(luò)，以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)架構(gòu)，融合了熱、冷、氣等多種能源形式，形成了一個(gè)智慧能源網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源的廣泛接入和市場(chǎng)化交易，從而最大程度地利用清潔低碳的可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效、便捷可持續(xù)利用，滿足用戶多元化的需求。

我們按照能源互聯(lián)網(wǎng)的基層層面分，有基礎(chǔ)設(shè)施層，包括管道、傳感器，然后是通訊層，通過(guò)通訊最后形成一個(gè)數(shù)據(jù)資源。這樣一個(gè)數(shù)據(jù)資源最后形成一個(gè)互動(dòng)服務(wù)層，最后通過(guò)政策引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)或者微能源網(wǎng)的高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

能源互聯(lián)網(wǎng)的基層分層

能源互聯(lián)網(wǎng)基本的架構(gòu)，從供能側(cè)包括了可控、可調(diào)的大電網(wǎng)資源，包括可聯(lián)網(wǎng)或者可以孤島運(yùn)行的小型微能源網(wǎng)，在微能源網(wǎng)中包括水、電、氣各種資源的優(yōu)化，通過(guò)信息流以及能量流的傳輸，通過(guò)這樣的服務(wù)來(lái)為用戶服務(wù)。用能側(cè)分多種類(lèi)型的用戶，用戶的特性、曲線、消納特征都不一樣。微能源網(wǎng)在這種消納過(guò)程中，就可以提供有效的協(xié)調(diào)和控制，使供能側(cè)和用能側(cè)平衡。

其中很重要的一個(gè)技術(shù)手段，就是通過(guò)綜合能量管理平臺(tái)，來(lái)管控園區(qū)內(nèi)的能源和負(fù)荷的“三流”：能源流、信息流、業(yè)務(wù)流，最大限度的開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，提高它的利用效率，制定相關(guān)能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)措施。

這樣的信息感知平臺(tái)我們分為以下六大類(lèi):

一、立體信息感知：首先把能源互聯(lián)網(wǎng)底層的各種設(shè)備和用戶運(yùn)行的狀態(tài)，通過(guò)立體信息感知系統(tǒng)采集上來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電、熱、氣、交通、用戶、氣象以及各種生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行全方位的監(jiān)控采集，得到一個(gè)完整的園區(qū)、跨園區(qū)微能源網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，這就要依靠智能采集系統(tǒng)。

二、智能通信與信息系統(tǒng)：將立體信息感知系統(tǒng)中收集上來(lái)的各類(lèi)信息通過(guò)智能通信與信息系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，尤其在最后一公里的時(shí)候通信手段是多元化的，包括微波、載波、公用網(wǎng)等構(gòu)成一個(gè)信息系統(tǒng)，為后續(xù)的上層應(yīng)用提供安全、全面、可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)。

三、能量和負(fù)荷的預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)的精度準(zhǔn)確是能量精確管理和高效利用的很重要的前提。可用的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型有很多方法，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的積累，利用不同的預(yù)測(cè)模型算法得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果，但其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者致力研究的方向。特別是放開(kāi)了輸電端市場(chǎng)以后，預(yù)測(cè)顯得更加重要。眾所周知的大用戶直供，要求預(yù)測(cè)精度在95%～105%之間，預(yù)測(cè)誤差不能超過(guò)5%。如果預(yù)測(cè)電量低于5%，比如說(shuō)95%以下，市場(chǎng)就會(huì)有懲罰措施。如果高于105%，該用戶便不再享受大用戶直供的政策了，所以能量及負(fù)荷預(yù)測(cè)以及能源預(yù)測(cè)就顯得非常重要。

6月11日上午，龍?jiān)粗凵斤L(fēng)力發(fā)電有限公司的工人在金塘島風(fēng)電場(chǎng)巡查風(fēng)機(jī)。在浙江金塘島南部山頂?shù)?7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組把海風(fēng)轉(zhuǎn)化為清潔電能，今年1至5月份累計(jì)發(fā)電2421萬(wàn)度，同比增長(zhǎng)10%，全部并入國(guó)網(wǎng)舟山電網(wǎng)。

四、多能源優(yōu)化調(diào)度：園區(qū)內(nèi)的能源形式不僅包括電，還有天然氣、熱力、水，園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的多能互補(bǔ)可以形成優(yōu)化調(diào)度。在園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的過(guò)程中，也集成了相關(guān)優(yōu)化算法以及管理算法，對(duì)分布式能源儲(chǔ)能和負(fù)荷形態(tài)進(jìn)行調(diào)控。優(yōu)化調(diào)度有各種方法，其中主要是分層和分布式的兩類(lèi)算法。在多能優(yōu)化調(diào)度中，為了保證能安全可靠運(yùn)行，智能保護(hù)和控制也十分關(guān)鍵。

五、需求側(cè)響應(yīng)：根據(jù)園區(qū)內(nèi)的用戶性質(zhì)，可以對(duì)其進(jìn)行有效分類(lèi)，通過(guò)調(diào)控其非必要負(fù)荷的功率、起停，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶和電源、發(fā)電側(cè)的友好互動(dòng)，因此我們便需要有需求響應(yīng)策略和相關(guān)的框架。

六、高級(jí)應(yīng)用服務(wù)：高級(jí)應(yīng)用服務(wù)是微能源網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于大電網(wǎng)和用戶一些服務(wù)，包括高級(jí)能效服務(wù)，如何幫助用戶節(jié)能，對(duì)能耗、污染物排放進(jìn)行分析，進(jìn)行能效診斷和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)。還有用戶定制的服務(wù)，未來(lái)微能源網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是對(duì)用戶一對(duì)一的定制服務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)水平，以及電網(wǎng)輔助服務(wù)，重要的是調(diào)頻、調(diào)峰服務(wù)，電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候要有相應(yīng)的備用。

以上便是我們對(duì)于微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)的一些解讀，希望我國(guó)能源、環(huán)境等方面克服阻力、取得更大的成就，努力朝著綠色、低碳的方向不斷邁進(jìn)！

（張建華，華北電力大學(xué)輸配電研究所所長(zhǎng)；胡浩、史佳琪，華北電力大學(xué)輸配電研究所）