茆美琴, 丁 勇, 王楊洋, 張榴晨

(教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心, 合肥工業(yè)大學(xué), 安徽省合肥市 230009)

微網(wǎng)
——未來能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“有機(jī)細(xì)胞”

茆美琴, 丁 勇, 王楊洋, 張榴晨

(教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心, 合肥工業(yè)大學(xué), 安徽省合肥市 230009)

從微網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在內(nèi)涵上互相滲透、聯(lián)系的視角,梳理了二者發(fā)展現(xiàn)狀和典型特征。進(jìn)一步從位置本地性、源荷多元性、結(jié)構(gòu)多樣性、運(yùn)行靈活性、整體可控性、電網(wǎng)交互性等六方面分析了微網(wǎng)在未來能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“有機(jī)細(xì)胞”作用,包括改善電能質(zhì)量,提高電網(wǎng)可靠性與彈性,增加不同區(qū)域之間能量的協(xié)調(diào)調(diào)度,增加負(fù)荷的主動(dòng)調(diào)控能力,承載信息雙向流動(dòng),提高能源總體利用效率等;總結(jié)了微網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可能的幾種典型形式。最后對(duì)未來支撐能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了評(píng)述和展望。

微網(wǎng)(微電網(wǎng)); 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng); 電力系統(tǒng)彈性; 能量路由器; 電動(dòng)汽車; 儲(chǔ)能技術(shù)

0 引言

微網(wǎng)是配置在近用戶側(cè),涉及冷/熱/電/氣多能源載體,包含微源、負(fù)荷(電、冷/熱)、儲(chǔ)能(含電動(dòng)汽車(electric vehicle, EV))及相應(yīng)控制、監(jiān)控、保護(hù)裝置和能量管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)源/荷/儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化的單一可控微型能源系統(tǒng)[1],通過適當(dāng)?shù)哪芰抗芾砗蛥f(xié)調(diào)控制優(yōu)化分布式電源運(yùn)行,是分布式發(fā)電的高級(jí)發(fā)展階段[2];隨著微網(wǎng)配置數(shù)量和網(wǎng)內(nèi)能源主體越來越多,微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大,并正相互連接,形成多微網(wǎng)或微網(wǎng)集群系統(tǒng)。近十年來,國(guó)內(nèi)外廣泛深入的研究、開發(fā)與技術(shù)示范取得的成果推動(dòng)了微網(wǎng)支持可再生能源接入、為用戶提供優(yōu)質(zhì)能源服務(wù)、優(yōu)化區(qū)域能源利用等功能的實(shí)現(xiàn),多微網(wǎng)互聯(lián)集成方式、運(yùn)行控制和能量管理也在近幾年逐漸得到了廣泛重視[3]。

另一方面,可再生能源、EV和柔性負(fù)荷大量集成、需求側(cè)管理技術(shù)、信息和控制技術(shù)廣泛應(yīng)用使得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正逐步向“能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(energy interconnection system,EIS)”演變。EIS是以電力系統(tǒng)為核心,多種能源互聯(lián)互補(bǔ),可再生能源廣泛集成,交通網(wǎng)逐步電氣化并積極參與能源網(wǎng)的新一代能源生產(chǎn)—供應(yīng)—消費(fèi)網(wǎng)絡(luò),是未來盡可能多地集成利用可再生能源,改善能源利用效率,實(shí)現(xiàn)能源自治的可行性技術(shù)方案[4-6]。

縱觀微網(wǎng)和EIS,本文認(rèn)為微網(wǎng)是分布式發(fā)電的高級(jí)階段,同時(shí)又是EIS的初級(jí)階段,是未來EIS構(gòu)建過程中的“有機(jī)細(xì)胞”。經(jīng)過多年研究與實(shí)踐,微網(wǎng)已初步具備EIS的技術(shù)特征,能夠?qū)崿F(xiàn)局部能量自律優(yōu)化,為EIS實(shí)現(xiàn)全域能量?jī)?yōu)化奠定了基礎(chǔ)。若將EIS視為能源廣域網(wǎng)(wide area energy network,WAEN),微網(wǎng)則是能源局域網(wǎng)(local area energy network,LAEN)。

本文首先對(duì)EIS和微網(wǎng)各自發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并總結(jié)了二者典型技術(shù)特征。從特征入手說明微網(wǎng)本質(zhì)契合EIS發(fā)展,進(jìn)而闡述現(xiàn)階段微網(wǎng)為EIS提供的具體“細(xì)胞作用”。最后展望了未來微網(wǎng)支撐EIS需要繼續(xù)開發(fā)和探索的新技術(shù)、新設(shè)備和發(fā)展新趨勢(shì)。

1 EIS和微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及典型特征

1.1 EIS發(fā)展現(xiàn)狀及典型特征

EIS的出現(xiàn)源于需求牽引、技術(shù)支持和機(jī)制驅(qū)動(dòng)。能源利用過程中出現(xiàn)的問題和新趨勢(shì),如傳統(tǒng)能源危機(jī)及環(huán)境問題、不同能源系統(tǒng)的耦合、EV及儲(chǔ)能發(fā)展提出的雙向能流要求、負(fù)荷主動(dòng)參與及用戶對(duì)能源信息的需求構(gòu)成了EIS的發(fā)展需求;能源領(lǐng)域(如電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)[7]、虛擬電廠技術(shù)、電動(dòng)汽車入網(wǎng)(vehicle to grid,V2G)技術(shù))和信息領(lǐng)域(如大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等)為EIS提供了強(qiáng)勁技術(shù)支撐;對(duì)口政策的實(shí)施為進(jìn)一步促進(jìn)其發(fā)展提供了驅(qū)動(dòng)。以中國(guó)為例,2015年起中國(guó)相繼出臺(tái)了若干文件對(duì)EIS進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)[8]、支持EIS典型示范項(xiàng)目建設(shè)、從微網(wǎng)和配電網(wǎng)層面支撐EIS發(fā)展等。2017年7月,中國(guó)國(guó)家能源局正式公布首批55個(gè)EIS示范項(xiàng)目,標(biāo)志著EIS在中國(guó)落地實(shí)踐的正式展開。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,本文按時(shí)間順序梳理了2008年以來國(guó)內(nèi)外主要EIS項(xiàng)目及其分類[4-6,9-13],如圖1所示,其中縱坐標(biāo)表示相關(guān)EIS概念,橫坐標(biāo)表示年份。圖中黑色字體顯示相關(guān)概念的提出國(guó)家、分類和涉及能量載體,紅色字體表示依托此概念實(shí)施的項(xiàng)目名稱;其具體信息見附錄A表A1。其中,根據(jù)信息與能源系統(tǒng)融合緊密程度和各自特點(diǎn),本文將現(xiàn)有EIS概念劃分成兩類:一類主要側(cè)重能源網(wǎng),以信息互聯(lián)網(wǎng)體系為指導(dǎo)或是少量利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的EIS,稱之為能源優(yōu)先EIS,記為Ⅰ類EIS;另一類主要側(cè)重信息互聯(lián)網(wǎng),利用信息通信技術(shù)(information and communication technology,ICT)實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的EIS,稱之為信息優(yōu)先EIS,記為Ⅱ類EIS。

圖1 EIS概念發(fā)展總況Fig.1 Development of existing EIS concepts

EIS內(nèi)涵還在不斷豐富中。本文認(rèn)為:EIS是ICT與能源技術(shù)深度結(jié)合,不同能源形式互聯(lián)互補(bǔ),可再生能源高比例滲透,能量流與信息流均雙向,以電力系統(tǒng)為主的能源系統(tǒng)新架構(gòu)?；诖?EIS的特征可總結(jié)如附錄A表A2所示。

這些特征賦予了EIS這種新型能源系統(tǒng) “開放”“透明”“對(duì)等”“靈活”“彈性”等新標(biāo)簽,與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)剛性、自頂而下樹狀的能源供給結(jié)構(gòu)相比,EIS的能源供給更加多元化、柔性化,更具靈活性,能源輸配更具可控性和彈性,各能源主體包括源、儲(chǔ)和荷等“即插即用”,整個(gè)EIS將是源—輸—配—儲(chǔ)—用相互連接而織成的穩(wěn)定、智能網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及典型特征

微網(wǎng)是可實(shí)現(xiàn)本地能量供需平衡的獨(dú)立可控系統(tǒng),既可以是僅包含電能終端的微網(wǎng),也可以是包含冷/熱/電/氣等多種終端的多能源微網(wǎng)[14]。自概念提出以來,特別是經(jīng)近十年來國(guó)內(nèi)外廣泛深入的研究、開發(fā)與技術(shù)示范,微網(wǎng)得到了快速發(fā)展,目前研究主要集中在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建模仿真、運(yùn)行控制、能量管理、電能質(zhì)量、通信技術(shù)、繼電保護(hù)、與電網(wǎng)集成及多微網(wǎng)集成等方面,這些技術(shù)成果促進(jìn)了微網(wǎng)在全球范圍的發(fā)展。截至2017年6月,全球共建有1 842個(gè)微網(wǎng)項(xiàng)目,已投運(yùn)微網(wǎng)容量達(dá)19.3 GW[15]。附錄A表A3和表A4分別給出了部分國(guó)外和國(guó)內(nèi)微網(wǎng)項(xiàng)目介紹。微網(wǎng)的典型特征可總結(jié)為位置本地性、源荷多元性、結(jié)構(gòu)多樣性、運(yùn)行靈活性、整體可控性以及電網(wǎng)交互性等六大典型特征,具體說明如附錄A表A5所示。

2 微網(wǎng)在EIS中的“有機(jī)細(xì)胞”作用

EIS是多種新興能源技術(shù)、信息技術(shù)、新型能源交易模式集成的廣域系統(tǒng),其發(fā)展不是一蹴而就的。從事物發(fā)展客觀規(guī)律來看,首先應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)創(chuàng)新使能技術(shù)的攻關(guān),再在較小區(qū)域范圍內(nèi)整合相關(guān)技術(shù)進(jìn)行綜合示范應(yīng)用,進(jìn)而逐步向更大范圍拓展。微網(wǎng)經(jīng)十幾年的發(fā)展,具備了EIS所有必備要素,如多能互補(bǔ)、雙向能流、借助微網(wǎng)能量管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向信息流指導(dǎo)微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行等,可自主實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞”內(nèi)能量平衡,初步實(shí)現(xiàn)了EIS功能化,因而建設(shè)微網(wǎng)是構(gòu)建EIS的優(yōu)選和先遣方案。每個(gè)獨(dú)立微網(wǎng)是廣域EIS的“有機(jī)細(xì)胞”,宏觀上“細(xì)胞”可看做整體可控的虛擬源/荷,互連而成的“細(xì)胞群”具有更大靈活性和可控性。對(duì)比附錄A表A2和表A5可以看出,微網(wǎng)本身具備的特征十分契合EIS,其對(duì)EIS的支撐作用具體體現(xiàn)在改善電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)可靠性和彈性、增強(qiáng)不同區(qū)域間能量協(xié)調(diào)互動(dòng)、實(shí)現(xiàn)負(fù)荷主動(dòng)調(diào)控、有效承載信息雙向流動(dòng)、提高能源總體利用效率等六個(gè)方面。

2.1 微網(wǎng)本身技術(shù)特征對(duì)EIS的支撐

微網(wǎng)具有的六大基本特征與EIS的建設(shè)要點(diǎn)高度契合,具體如表1所示。其中,位置本地性彰顯微網(wǎng)將更多地建設(shè)在EIS的能源配用側(cè)[16],源荷多元性為EIS接納更多可再生能源提供了條件,結(jié)構(gòu)多樣性方便構(gòu)建靈活、穩(wěn)健的EIS,運(yùn)行靈活性則有助于EIS的靈活運(yùn)行,整體可控性和電網(wǎng)交互性有助于提高局域能源子網(wǎng)間及局域與上級(jí)能源網(wǎng)間的互動(dòng)能力,各局域能源子網(wǎng)互為備用,有助于整體系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[17]。

表1 微網(wǎng)對(duì)EIS的支撐作用Table 1 Supporting role of microgrid for EIS

2.2 微網(wǎng)在EIS中發(fā)揮的具體作用

1)微網(wǎng)可改善電能質(zhì)量。微網(wǎng)為集成分布式發(fā)電單元而引入的電力電子接口,為系統(tǒng)電能質(zhì)量管理提供了更多控制自由度。且由于微網(wǎng)多配置在配電網(wǎng)層,與用戶側(cè)聯(lián)系緊密,微網(wǎng)提供的高質(zhì)量電能將直接供應(yīng)用戶,滿足EIS為用戶提供優(yōu)質(zhì)能源的目標(biāo)。

2)微網(wǎng)可提高電網(wǎng)可靠性和彈性。可靠性在電力系統(tǒng)中是評(píng)估用戶獲取電能的指標(biāo),表征電網(wǎng)面對(duì)相對(duì)大概率弱影響事件的應(yīng)對(duì)能力。配置微網(wǎng)可以提高電網(wǎng)可靠性,因?yàn)?①微網(wǎng)內(nèi)集成的多類型可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)電網(wǎng)互為備用;②微網(wǎng)內(nèi)配置的儲(chǔ)能及EV在緊急情況可以向關(guān)鍵負(fù)荷供電;③微網(wǎng)配置在近用戶側(cè),發(fā)電和負(fù)荷地理上接近,且可孤島運(yùn)行,受電網(wǎng)輸配電線路及其他設(shè)備故障影響較小;另一方面,彈性表征電網(wǎng)在面對(duì)小概率高影響事件時(shí)的應(yīng)對(duì)能力。現(xiàn)實(shí)中微網(wǎng)在電網(wǎng)遭受極端災(zāi)害事件時(shí)的優(yōu)良表現(xiàn),使得歐洲[18]、美國(guó)[19]及日本[20]等紛紛關(guān)注并分析微網(wǎng)在電網(wǎng)遭受極端事件后對(duì)電網(wǎng)彈性的改善作用。文獻(xiàn)[21-24]定性地分析了微網(wǎng)可以從在故障時(shí)通過本地資源優(yōu)化調(diào)度盡可能少切負(fù)荷[21-22]、故障后輔助關(guān)鍵負(fù)荷恢復(fù)[23-24]等方面改善電網(wǎng)彈性。而文獻(xiàn)[25-26]則定量地分別提出不同電網(wǎng)彈性評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法評(píng)估微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)彈性的改善作用。

3)微網(wǎng)可增強(qiáng)不同區(qū)域間能量協(xié)調(diào)互動(dòng)能力。本文將以微網(wǎng)為基本單元構(gòu)建的EIS區(qū)域間能量?jī)?yōu)化按范圍分為四類:單一孤島微網(wǎng)內(nèi)部?jī)?yōu)化、含單一微網(wǎng)的配電網(wǎng)(即單一并網(wǎng)微網(wǎng))協(xié)調(diào)優(yōu)化、多微網(wǎng)間協(xié)調(diào)優(yōu)化及含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化,如圖2所示。圖中:PCC表示公共耦合點(diǎn)。

圖2 EIS各區(qū)域能量協(xié)調(diào)范圍Fig.2 Different scopes of energy coordination in EIS

單一孤島微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化[27-29]實(shí)質(zhì)是多約束多目標(biāo)優(yōu)化求解問題,利用不同智能優(yōu)化算法,在滿足功率約束、各微源出力約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、儲(chǔ)能單元約束等條件下,通過對(duì)可控單元的控制,如可調(diào)度微源出力管理、儲(chǔ)能及EV充放電管理,實(shí)現(xiàn)以不同評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)效益等最大化;含單一微網(wǎng)的配電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)優(yōu)化[30-31]由于有配電網(wǎng)參與,需將微網(wǎng)和配電網(wǎng)交換功率額等納入約束條件,配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等納入優(yōu)化目標(biāo);多微網(wǎng)是EIS建成前的過渡形式[3]。多微網(wǎng)間協(xié)調(diào)指不與配電網(wǎng)相連的多個(gè)微網(wǎng)之間互動(dòng),而含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)指與配電網(wǎng)相連的多微網(wǎng)互動(dòng),包括各微網(wǎng)間以及各微網(wǎng)與配電網(wǎng)間的互動(dòng)。前者主要發(fā)生在海島及偏遠(yuǎn)地區(qū)多微網(wǎng)系統(tǒng)中[32],后者更易在EIS應(yīng)用場(chǎng)景中出現(xiàn)[33-37]。

4)微網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的主動(dòng)調(diào)控。負(fù)荷在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中多是以被動(dòng)受能的角色出現(xiàn),系統(tǒng)正常情況下,負(fù)荷可以正常獲電,而一旦系統(tǒng)發(fā)生故障或者供不應(yīng)求時(shí),負(fù)荷就會(huì)失電或者被迫接受拉閘限電,很少主動(dòng)參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度。需求側(cè)(負(fù)荷)參與系統(tǒng)運(yùn)行是EIS的典型特征之一,也是與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)明顯區(qū)別所在。現(xiàn)有研究表明[38-41],通過合適的控制技術(shù),微網(wǎng)內(nèi)的特定負(fù)荷可主動(dòng)參與電力系統(tǒng)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“跟隨負(fù)荷”的電能供應(yīng)方式向EIS “跟隨供應(yīng)”的負(fù)荷主動(dòng)控制方式,乃至向“源荷互動(dòng)”控制方式轉(zhuǎn)變。

5)微網(wǎng)是信息雙向流動(dòng)的有效載體。目前微網(wǎng)內(nèi)配置的能量管理系統(tǒng)使微網(wǎng)已經(jīng)成為可控整體,信息的雙向流動(dòng)在微網(wǎng)內(nèi)也已初步實(shí)現(xiàn),圖3給出了含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)信息流示意圖。其中配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是多微網(wǎng)與上層配電網(wǎng)的接口,其主要作用在于下發(fā)根據(jù)電價(jià)、需求、運(yùn)行信息等制定的協(xié)調(diào)調(diào)度指令給各微網(wǎng),同時(shí)接收各微網(wǎng)上發(fā)的狀態(tài)信息用于決策;各微網(wǎng)中央控制器(microgrid central controller,MGCC)接收配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下發(fā)指令,并與其他微網(wǎng)互接發(fā)狀態(tài)/調(diào)度信息,制定本微網(wǎng)內(nèi)各單元控制命令并下發(fā)至本地控制器(local controller,LC)中;LC一方面接收本MGCC下發(fā)的控制指令,另一方面向其上傳本地運(yùn)行信息。

圖3 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)信息流示意圖Fig.3 Schematic diagram of information flow in a multi-microgrid system

6)微網(wǎng)可提高能源總體利用效率。在微網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生之前,不同的能源形式利用比較獨(dú)立,電、熱、天然氣、交通等各網(wǎng)絡(luò)基本處于獨(dú)立發(fā)展演化狀態(tài),彼此間聯(lián)系不明顯,能源總體利用效率較低。事實(shí)上,一種能源往往需借助其他多種能源的轉(zhuǎn)換配合才能實(shí)現(xiàn)高效率利用,而多源微網(wǎng)可以最大限度地提高一次能源利用效率及能源設(shè)備的平均利用率, 并且可借助于儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣及儲(chǔ)氫等儲(chǔ)能技術(shù),實(shí)現(xiàn)多能源有效協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)換調(diào)峰?，F(xiàn)實(shí)中已在部分地區(qū)得以應(yīng)用的水/冰蓄冷系統(tǒng)、冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)、電/熱/氣聯(lián)供系統(tǒng)等,如中德生態(tài)園“泛能網(wǎng)”示范項(xiàng)目,通過能源梯級(jí)利用有效提高了當(dāng)?shù)啬茉淳C合利用效率和能源設(shè)備使用率,促進(jìn)了風(fēng)光等可再生能源的滲透[42]。

2.3 微網(wǎng)“有機(jī)細(xì)胞”互聯(lián)形式

微網(wǎng)是EIS構(gòu)建的“有機(jī)細(xì)胞”,需通過“細(xì)胞”間的互聯(lián)才能組成EIS這一有機(jī)“組織”。本文將微網(wǎng)互聯(lián)的形式分成三類,并給出含三種微網(wǎng)互聯(lián)形式典型EIS場(chǎng)景,如圖4所示。圖中:PC表示功率變換器。

1)微網(wǎng)A以整體接入至微網(wǎng)B的一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)B的擴(kuò)容。圖4中區(qū)域 A內(nèi)微網(wǎng)A1和A2、區(qū)域B內(nèi)微網(wǎng) B2和B3、區(qū)域E內(nèi)微網(wǎng)E1和E2即采用此方式互聯(lián)。

2)微網(wǎng)A與微網(wǎng)B直接通過PCC或功率變換器相連形成更大區(qū)域微網(wǎng)。其主要是相鄰區(qū)域微網(wǎng)間采取的互聯(lián)形式。區(qū)域 B中微網(wǎng) B2和B3互聯(lián)后的微網(wǎng)與微網(wǎng)B1、區(qū)域 C和D內(nèi)各微網(wǎng),以及區(qū)域 E中微網(wǎng) E1和E2互聯(lián)后的微網(wǎng)與微網(wǎng)E3即采用此方式互聯(lián)。

圖4 基于互聯(lián)微網(wǎng)的典型EIS場(chǎng)景Fig.4 Typical EIS scenario based on interconnected microgrids

3)微網(wǎng)A和微網(wǎng)B分別通過各PCC與已有主電網(wǎng)相連,微網(wǎng)A和B及其連接的主電網(wǎng)共同形成更大規(guī)模的EIS。此形式主要適用于距離較遠(yuǎn)的微網(wǎng)之間互聯(lián)。區(qū)域 A,B,…,F中各區(qū)域微網(wǎng)即采用此方式互聯(lián)。

圖4中各區(qū)域微網(wǎng)內(nèi)存在的不同電壓等級(jí)、不同電壓形式子微網(wǎng)需通過電力電子接口完成互聯(lián)。附錄A圖A1給出了幾種單一母線形式微網(wǎng)間互聯(lián)示意圖。其中互聯(lián)變換器均使用具有雙向能流功能的變換器,通過對(duì)互聯(lián)變換器的控制,即可實(shí)現(xiàn)不同子微網(wǎng)間的能量協(xié)調(diào)。當(dāng)具有多種不同母線電壓形式和電壓等級(jí)的子微網(wǎng)存在時(shí),一種方式是使用多個(gè)獨(dú)立雙向變流器實(shí)現(xiàn)互聯(lián),如圖5(a)所示,但多類型變流器增加了系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制難度,有文獻(xiàn)提出如圖5(b)所示的第2種方式,即應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)多電壓類型能量轉(zhuǎn)換的能量路由器(energy router,ER)完成互聯(lián)。

圖5 多電能形式微網(wǎng)間互聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.5 Interconnection structures of multi-type microgrids

關(guān)于ER,廣義上具有能量變換功能的變流器均可稱為ER,而狹義ER是特指具有處理不同類型和等級(jí)電壓能量變換能力的多端口電力電子設(shè)備,能實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)能量雙向交互,是未來EIS中的關(guān)鍵設(shè)備之一[43-47]。常見ER基于固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)及其拓展結(jié)構(gòu)發(fā)展而來[43-45]。典型的基于SST的ER如附錄A圖A2(a)所示,其核心單元是雙有源橋(dual active bridge,DAB),利用DAB模塊可生成各種滿足不同需求的ER;利用其拓展形式(如三有源橋[43]、多有源橋[44])配合基本變換器亦可以衍生出眾多結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[45]提出了一種Y型 ER,如附錄A圖A2(b)所示;文獻(xiàn)[46]提出直流側(cè)采用半橋,交流側(cè)采用組式逆變器結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)多模式運(yùn)行,而交流側(cè)三相獨(dú)立模塊化也有利于接入不同交流系統(tǒng),如附錄A圖A3(c)所示。文獻(xiàn)[47]則提出了基于模塊化多電平換流器的ER方案。

3 支撐EIS的微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備

微網(wǎng)之所以可提供以上所述“細(xì)胞作用”,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)能量自治和管理,要?dú)w功于電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)各微源、儲(chǔ)能及負(fù)荷等的柔性集成和能量管理技術(shù)依據(jù)電網(wǎng)要求和各主體實(shí)時(shí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元的優(yōu)化調(diào)度控制。電力電子技術(shù)和能量管理技術(shù)[48-49]為微網(wǎng)運(yùn)行分別提供了硬件和軟件支撐。其中微網(wǎng)能量管理技術(shù)實(shí)質(zhì)上是在一定程度上將ICT引入能源系統(tǒng)的應(yīng)用,是一系列技術(shù)，包括信息采集、通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、信息處理和分析等的綜合體現(xiàn)。未來微網(wǎng)發(fā)展最主要趨勢(shì)是繼續(xù)強(qiáng)化ICT與能源技術(shù),尤其是電力技術(shù)的深度融合,同時(shí)沿信息和電氣兩條主線探索新技術(shù)新功能,在實(shí)現(xiàn)“兩手抓,兩手都要硬”的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)“兩手握,兩手需融合”,協(xié)同推進(jìn)微網(wǎng)智能化水平飛速發(fā)展,最終借助新型電力電子設(shè)備及高效電力電子控制技術(shù)和信息通信領(lǐng)域新技術(shù),靈活整合、管理、調(diào)度微網(wǎng)內(nèi)各形式能源,優(yōu)化微網(wǎng)運(yùn)行模式,實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)供能智能化、靈活化、高效化,并將尤其重視用戶參與的主動(dòng)性,根據(jù)實(shí)際調(diào)度需要積極調(diào)整用戶用能模式,發(fā)揮負(fù)荷需求響應(yīng)或間接(廣義)儲(chǔ)能作用,實(shí)現(xiàn)智能負(fù)荷控制,最大限度地實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)整體效率最優(yōu)。從微網(wǎng)到EIS需要能源產(chǎn)、輸、配、儲(chǔ)、用一系列革新性技術(shù)及設(shè)備提供支持,本節(jié)將對(duì)微網(wǎng)中支撐EIS發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行梳理,對(duì)未來需繼續(xù)深入探索的領(lǐng)域進(jìn)行展望。

3.1 微網(wǎng)可再生能源消納技術(shù)的創(chuàng)新

可再生能源高比例滲透是EIS典型特征之一,而當(dāng)前新能源棄光棄風(fēng)問題嚴(yán)峻。微網(wǎng)作為新能源消納的一種有效形式,最大限度吸納可再生能源是其作為EIS“細(xì)胞”單元所具備的功能,仍有很大發(fā)展空間,為此,需要發(fā)展如下新技術(shù)。

1)微網(wǎng)多能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法。根據(jù)風(fēng)、光、氣、水等一次性能源與電、熱等能源形式之間的演化規(guī)律,研究微網(wǎng)有機(jī)細(xì)胞的優(yōu)化能源配置方法。根據(jù)微網(wǎng)安裝地點(diǎn)的地理位置及風(fēng)、光、氣等一次性能源資源分布等進(jìn)行多能源協(xié)同規(guī)劃,利用博弈論、分形理論等技術(shù)建立規(guī)劃模型,形成實(shí)現(xiàn)源—網(wǎng)—儲(chǔ)—荷平衡的機(jī)組組合、結(jié)構(gòu)組織、容量配置方法;使得微網(wǎng)“有機(jī)細(xì)胞”可以簡(jiǎn)單復(fù)制,并且可以根據(jù)運(yùn)行環(huán)境變化進(jìn)行自組織運(yùn)行。

2)高精度、多時(shí)間尺度風(fēng)光功率等可再生能源出力及負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)。開發(fā)統(tǒng)一多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)方法,一方面可將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)以及其他智能技術(shù)引入可再生能源出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)上;另一方面可以對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果二次改進(jìn),如使用誤差疊加校正方法,在不依賴特定預(yù)測(cè)算法基礎(chǔ)上,提高預(yù)測(cè)精度,降低儲(chǔ)能配置容量,提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性[50]。

3)面向EIS的運(yùn)行控制和能量管理。EIS高比例可再生能源滲透、多能流耦合、多時(shí)空尺度、多源大數(shù)據(jù)、多利益方等特性給EIS的運(yùn)行控制和能量管理帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面,可將較成熟的電力系統(tǒng)能量管理經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展至其他能源系統(tǒng)之中,實(shí)現(xiàn)各能源系統(tǒng)能量管理功能相似性;另一方面,從EIS運(yùn)行控制和能量管理架構(gòu)來說,應(yīng)發(fā)展分布協(xié)同架構(gòu),快速、準(zhǔn)確地通過子微能源網(wǎng)內(nèi)部協(xié)同和多子微能源網(wǎng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)EIS整體控制目標(biāo)的趨同控制,多Agent技術(shù)和Gossip算法等分布式算法是EIS分布協(xié)同能量管理架構(gòu)的重要實(shí)現(xiàn)手段,應(yīng)予以重視。此外,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注多時(shí)空尺度下EIS多源協(xié)同調(diào)度策略研究。

3.2 能源變換新技術(shù)新裝備的開發(fā)

EIS主體是能源系統(tǒng),能源變換包括電—電變換及電—非電變換,新技術(shù)新設(shè)備將助力EIS可再生能源高滲透、各主體對(duì)等接入、能量雙向流動(dòng)、結(jié)構(gòu)靈活多樣和用戶友好管理,主要新技術(shù)趨勢(shì)如下。

1)研制基于新型器件,如碳化硅、氮化鎵和新型拓?fù)涞目稍偕茉锤咝Р⒕W(wǎng)變換器和EV入網(wǎng)接口。這是保證可再生能源充分消納和EV入網(wǎng)互動(dòng)的物理基礎(chǔ),也為EIS內(nèi)高效雙向能流調(diào)度提供可能。

2)開發(fā)兼有電網(wǎng)穩(wěn)定支撐、電能質(zhì)量管理、故障穿越能力、信息交互等多功能集成的統(tǒng)一控制算法。其中電網(wǎng)穩(wěn)定支撐和電能質(zhì)量管理是當(dāng)前大部分逆變器已具備的功能[51];故障穿越能力正愈來愈受關(guān)注[52],是增強(qiáng)可再生能源“吞吐”能力的關(guān)鍵技術(shù);信息交互則是未來智能逆變器的必備功能,通過采集本地信息進(jìn)行本地控制或通過信息傳輸通道上傳至上級(jí)控制單元,以便獲得協(xié)調(diào)控制指令。這些功能的集成將使逆變器更智能、高效、模塊化。

3)需研究多機(jī)并聯(lián)諧振機(jī)理及抑制策略,更好地實(shí)現(xiàn)逆變器在微網(wǎng)內(nèi)的即插即用,這有助于系統(tǒng)的擴(kuò)容和穩(wěn)定,符合EIS允許設(shè)備對(duì)等接入要求。

4)基于電力電子變換器的智能軟開關(guān)(soft open point,SOP)拓?fù)?、控制及?yīng)用。饋線柔性互聯(lián)的SOP[53]在提升新能源接入、平衡饋線負(fù)荷、降低網(wǎng)損、緊急供電、改善電能質(zhì)量方面具有應(yīng)用前景,但其經(jīng)濟(jì)性還有待商榷。未來一方面要繼續(xù)豐富SOP拓?fù)浜涂刂撇呗缘难邪l(fā),探索更多應(yīng)用場(chǎng)合,如多微網(wǎng)互聯(lián)和控制;另一方面還要考察其優(yōu)化配置問題,盡可能地在保證經(jīng)濟(jì)性條件下最大程度地發(fā)揮SOP的靈活性和可靠性。

5)基于“電氣彈簧(electric spring,ES)”的智能負(fù)荷技術(shù)。ES可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷主動(dòng)調(diào)控,并在負(fù)荷側(cè)促進(jìn)可再生能源消納,目前ES研究多集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[54]、控制設(shè)計(jì)[55]、系統(tǒng)應(yīng)用[56-57]上,未來進(jìn)一步研究方向包括:①多樣化ES新型高效拓?fù)浼翱刂圃O(shè)計(jì),如交直流混合ES設(shè)計(jì);②ES在EIS多場(chǎng)景下的應(yīng)用,如可再生能源發(fā)電和負(fù)荷協(xié)調(diào)、微網(wǎng)穩(wěn)定性改善、家庭關(guān)鍵負(fù)荷電壓支撐、工業(yè)用電電能質(zhì)量提升等;③ES負(fù)荷側(cè)需求管理方法創(chuàng)新,探索其“廣義虛擬儲(chǔ)能”功能;④配置分散的ES分布協(xié)同群控技術(shù),實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。

6)ER作為EIS中重要設(shè)備,將被廣泛配置。目前ER研究多集中在拓?fù)湓O(shè)計(jì)及特定應(yīng)用上,對(duì)其內(nèi)部控制策略研究相對(duì)偏少,且未來ER在EIS配置多且分散,協(xié)同ER控制非常重要。應(yīng)在如下方面繼續(xù)展開研究:①高效ER拓?fù)浜拖到y(tǒng)集成方案;②ER本體控制研究,引入先進(jìn)控制方法,如虛擬同步機(jī)控制、模型預(yù)測(cè)控制等,提高其控制性能;③多ER協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略,如基于多代理和網(wǎng)絡(luò)控制的分布式協(xié)調(diào)控制,提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性。

7)多能互補(bǔ)協(xié)同是EIS的關(guān)鍵特征之一,為此,部分文獻(xiàn)提出了能量集線器(energy hub,EH)概念[58-59],在EH中,多能源載體可以相互轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)和存儲(chǔ),是多能源輸入(電、氣、熱等)與多類型負(fù)荷(電、熱、冷等)間的廣義節(jié)點(diǎn)。目前對(duì)EH的概念、建模、規(guī)劃、運(yùn)行、管理和應(yīng)用進(jìn)行了一定研究,未來應(yīng)繼續(xù)研究:①EH更適用數(shù)學(xué)模型的建模,加入對(duì)動(dòng)態(tài)過程的考慮,更精確地展示多能流的耦合機(jī)理;②單個(gè)EH內(nèi)部多源協(xié)調(diào)優(yōu)化和多EH優(yōu)化算法;③含EH系統(tǒng)的用戶主動(dòng)參與需求響應(yīng)策略。另外,對(duì)于多能流耦合動(dòng)態(tài)特性分析,還可以借助鍵合圖理論、宏觀能量描述法等進(jìn)行建模[60]。

3.3 傳統(tǒng)儲(chǔ)能和廣義虛擬儲(chǔ)能技術(shù)的協(xié)同

儲(chǔ)能是EIS的關(guān)鍵使能技術(shù),可實(shí)現(xiàn)能量的時(shí)空轉(zhuǎn)移,應(yīng)繼續(xù)關(guān)注傳統(tǒng)儲(chǔ)能并積極探索廣義儲(chǔ)能技術(shù),注重二者協(xié)同互補(bǔ),并探索可能的新型儲(chǔ)能商業(yè)模式。

1)傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)在能源產(chǎn)、輸、配、用側(cè)均有應(yīng)用需求[7],已成為微網(wǎng)核心技術(shù)之一。在EIS運(yùn)行中,應(yīng)繼續(xù)使用傳統(tǒng)儲(chǔ)電技術(shù),重視多元復(fù)合儲(chǔ)電,實(shí)現(xiàn)短時(shí)功率調(diào)節(jié)和長(zhǎng)期能量調(diào)節(jié)。此外,EIS還有儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)氫等需求,應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景利用EH技術(shù)等實(shí)現(xiàn)多類型儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2)大量EV參與EIS運(yùn)行及空調(diào)、電熱水器、電熱泵等 “廣義儲(chǔ)能設(shè)施”的負(fù)荷參與電力市場(chǎng)所提供的“虛擬儲(chǔ)能”功能為EIS提供了多樣化創(chuàng)新性儲(chǔ)能模式。未來應(yīng)關(guān)注:①如何利用EV移動(dòng)儲(chǔ)能特性,借助雙向充放電控制技術(shù)為電網(wǎng)提供調(diào)壓調(diào)頻服務(wù)[61]、削峰填谷、平抑可再生能源出力波動(dòng)等服務(wù); ②如何開發(fā)智能負(fù)荷控制算法和控制模型,兼顧用戶使用習(xí)慣和電網(wǎng)要求,利用空調(diào)[62]、冰箱[63]、電熱水器[64]、電熱泵[39]、筆記本電腦[41]、水塔等蓄冷、蓄熱和蓄勢(shì)設(shè)備提供電網(wǎng)調(diào)峰、聯(lián)絡(luò)線平滑功率、穩(wěn)定電壓、支撐頻率、消納強(qiáng)隨機(jī)可再生能源、平移負(fù)荷等類似于物理儲(chǔ)能等“虛擬儲(chǔ)能”服務(wù);③如何在不影響用戶使用和舒適度前提下,即考慮用戶需求,對(duì)廣義儲(chǔ)能實(shí)時(shí)可調(diào)度容量進(jìn)行預(yù)測(cè);④如何在區(qū)域內(nèi)廣義儲(chǔ)能可調(diào)度容量實(shí)時(shí)估計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)海量個(gè)體差異化分布協(xié)同控制;⑤如何協(xié)同實(shí)際物理儲(chǔ)能和“虛擬儲(chǔ)能”實(shí)現(xiàn)EIS多層次多目標(biāo)優(yōu)化控制。

3)創(chuàng)新分布式儲(chǔ)能商業(yè)模式,有效利用大量分布式儲(chǔ)能,統(tǒng)一管理碎片化儲(chǔ)能資源。云儲(chǔ)能通過建立電網(wǎng)級(jí)云儲(chǔ)能平臺(tái)提供了一種新的儲(chǔ)能商業(yè)模式:用戶通過從云儲(chǔ)能平臺(tái)購(gòu)置和出售云電池電量,可優(yōu)化負(fù)荷曲線,降低購(gòu)電成本,同時(shí)提高分布式儲(chǔ)能使用設(shè)備使用率,盤活分布式儲(chǔ)能資源。其技術(shù)要點(diǎn)包括:①云儲(chǔ)能平臺(tái)架構(gòu)完善及相關(guān)使能技術(shù),如數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)優(yōu)化和雙向通信研究;②云儲(chǔ)能靈活運(yùn)行機(jī)制和商業(yè)模式探討;③依托于商業(yè)模式的系統(tǒng)建模方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)研究等。

3.4 ICT與能源系統(tǒng)的融合

EIS是典型的多維復(fù)雜信息物理系統(tǒng),其一系列更高層次能源服務(wù)的提供離不開ICT與所依附能源系統(tǒng)的深度融合,主要新技術(shù)新趨勢(shì)如下。

1)信息快速準(zhǔn)確獲取和傳輸共享技術(shù)。有效利用信息并指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行,首先要保證信息獲取準(zhǔn)確性,這依賴先進(jìn)傳感設(shè)備和量測(cè)技術(shù),在未來EIS中,應(yīng)將傳感單元與實(shí)際物理設(shè)備進(jìn)行集成。在設(shè)備獲取準(zhǔn)確信息后,要能夠不失真、快速地傳輸至控制中心或與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)共享完成對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,這依賴穩(wěn)定高效信息傳輸通道,應(yīng)加快光纖通信、移動(dòng)無(wú)線通信及衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,根據(jù)不同場(chǎng)景信息處理要求選用不同技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性。

2)探索大數(shù)據(jù)和云技術(shù)在EIS中的應(yīng)用。EIS是海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)[65],涉及數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)量巨大、增長(zhǎng)迅速。因此,對(duì)EIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可借助于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[66]。EIS的大數(shù)據(jù)特性及控制實(shí)時(shí)性要求有存儲(chǔ)量大、分析力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算技術(shù)提供支撐,基于云計(jì)算的云平臺(tái)是處理能源大數(shù)據(jù)的不二選擇[67]。文獻(xiàn)[68-70]分別探討了大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)在短期負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力負(fù)荷特性指標(biāo)挖掘和高效用電等電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外,文獻(xiàn)[71]基于大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了多時(shí)間尺度EV可調(diào)度容量預(yù)測(cè),為未來EV參與電網(wǎng)互動(dòng)提供輔助服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。未來應(yīng)進(jìn)一步探索大數(shù)據(jù)和云技術(shù)在新能源出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)與分析、廣義儲(chǔ)能 “虛擬”容量估計(jì)、為用戶提供能源數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的具體應(yīng)用,增強(qiáng)EIS海量信息精確化處理能力,在保障EIS安全運(yùn)行、EIS系統(tǒng)能量管理、為用戶提供多樣化優(yōu)質(zhì)能源服務(wù)、探索新型商業(yè)模式等方面發(fā)揮更大作用。

3)區(qū)塊鏈技術(shù)在EIS中的應(yīng)用探索。區(qū)塊鏈去中心化、時(shí)序數(shù)據(jù)、集體維護(hù)、可編程及安全可信的特點(diǎn)[72]特別適應(yīng)EIS發(fā)展,有助于促進(jìn)多形式能源、各參與主體協(xié)同,最終促進(jìn)信息和物理系統(tǒng)的融合和EIS更高層次的價(jià)值實(shí)現(xiàn)。關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)在微網(wǎng)[73]和EIS[74]中的應(yīng)用,已有部分文獻(xiàn)探討,也已有了小規(guī)模實(shí)踐,如美國(guó)的LO3 Energy在紐約布魯克林建立了基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可交互分布式光伏售電平臺(tái)TransActive Grid,不依賴于電力公司,可直接進(jìn)行光伏電力交易;德國(guó)的RWE公司將區(qū)塊鏈作為支付工具應(yīng)用在EV充電樁的小額支付中。 總體來說區(qū)塊鏈本身作為一種新型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),其在微網(wǎng)和EIS中的應(yīng)用尚處于初級(jí)探索階段。其本身技術(shù)發(fā)展水平和與EIS的融合程度是決定其能否在EIS中發(fā)揮更大作用的關(guān)鍵,未來應(yīng)進(jìn)一步提高區(qū)塊鏈計(jì)算能力和響應(yīng)速度,增強(qiáng)區(qū)塊鏈應(yīng)用安全性,提高其處理復(fù)雜多元物理信息能力,最終全面探索區(qū)塊鏈與EIS結(jié)合在能源使用各環(huán)節(jié)上所能提供的高品質(zhì)服務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域。

4) 探索信息物理混雜系統(tǒng)融合建模方法,目前對(duì)電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的融合建模已有相關(guān)報(bào)道[75-76],未來要將電網(wǎng)物理信息融合建模方法,如有限狀態(tài)機(jī)、混合邏輯動(dòng)態(tài)模型、集合論方法等經(jīng)完善后移植到EIS信息物理系統(tǒng)建模當(dāng)中。此外,由于在能源系統(tǒng)中集成了信息系統(tǒng),要?jiǎng)?wù)必增強(qiáng)EIS信息物理系統(tǒng)的安全性,提高系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攻擊的抵抗能力。

3.5 能源交易模式的創(chuàng)新

EIS發(fā)展的一個(gè)愿景是在能源共享平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)能源靈活交易,3.4節(jié)介紹的基于區(qū)塊鏈的TransActive Grid系統(tǒng)及transactive energy交易模式值得探索[77]。未來可研究將基于多因子評(píng)價(jià)方法的合同網(wǎng)競(jìng)標(biāo)機(jī)制作為transanctive energy 節(jié)點(diǎn)間的交易機(jī)制的可行性,在解決多節(jié)點(diǎn)之間供求狀態(tài)平衡的同時(shí)保證參與者與系統(tǒng)的整體利益相容。具體包括: ①合同網(wǎng)中transactive incentive signal(TIS)的計(jì)算方法。在考慮柔性負(fù)荷接入的情況下還須定量衡量改變?nèi)嵝载?fù)荷給用戶舒適度下降帶來的損失;②節(jié)點(diǎn)參與多個(gè)合同網(wǎng)模式的可行性研究及在該模式下節(jié)點(diǎn)間交易的協(xié)調(diào)機(jī)制;③基于多因子的合同網(wǎng)競(jìng)標(biāo)機(jī)制中競(jìng)標(biāo)參數(shù)以及權(quán)重因子的選擇與計(jì)算;④transactive energy 對(duì)于輸配電阻塞管理的影響等。

以上探討的五方面相關(guān)技術(shù),將助力微網(wǎng)向EIS“有機(jī)細(xì)胞”轉(zhuǎn)變,使其具備結(jié)構(gòu)自相似性和功能自相似性,從而承擔(dān)起EIS的“有機(jī)細(xì)胞”角色。具體地,高效接口變換器和統(tǒng)一控制算法及多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性分析和改善策略為源、儲(chǔ)、荷等單元“即插即用”提供了軟硬件支撐,便于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)自拓展;具有結(jié)構(gòu)自相似性的各微網(wǎng)可通過SOP,ER,EH等設(shè)備互聯(lián)成“有機(jī)細(xì)胞群”;ES,ER,EH等設(shè)備為微網(wǎng)內(nèi)多能源消納、轉(zhuǎn)化、控制和協(xié)調(diào)提供了硬件基礎(chǔ),而借助于多能源優(yōu)化配置方法、高精度可再生能源和負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)、多元復(fù)合儲(chǔ)能及廣義虛擬儲(chǔ)能技術(shù)、新型ICT,又可實(shí)現(xiàn)多源微網(wǎng)的“源—網(wǎng)—儲(chǔ)—荷”實(shí)時(shí)平衡和自主協(xié)調(diào),使微網(wǎng)具備功能自相似性,進(jìn)一步夯實(shí)其“有機(jī)細(xì)胞”作用;此外transcative energy及云儲(chǔ)能平臺(tái)等新型能源(儲(chǔ)能)交易模式為EIS在共享平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)能源靈活交易提供了可能。總之,這些新技術(shù)、新設(shè)備和新趨勢(shì)將助力“開放”“透明”“對(duì)等”“靈活”“彈性”“共享”的EIS最終建成。

3.6 EIS經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性是影響未來EIS發(fā)展的重要因素之一。在對(duì)EIS的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)上,要進(jìn)一步完善含建設(shè)成本、運(yùn)維成本和能源交易等直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境效益和可靠性指標(biāo)等間接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的指標(biāo)體系,建立健全多場(chǎng)景EIS適用的統(tǒng)一經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法;另外在EIS中,能量和信息可以雙向流動(dòng),使得能源交易在子微網(wǎng)內(nèi)、多子微網(wǎng)間、子微網(wǎng)與上層電網(wǎng)間成為可能,且儲(chǔ)能系統(tǒng)(含EV)的加入使得EIS運(yùn)行更靈活,應(yīng)在創(chuàng)新性能源交易模式和儲(chǔ)能商業(yè)模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索兼顧各主體利益的經(jīng)濟(jì)性改善策略[78-79]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)近十年來國(guó)內(nèi)外微網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的梳理并與EIS技術(shù)內(nèi)涵的對(duì)比分析,預(yù)計(jì)微網(wǎng)未來將演化為可以復(fù)制的EIS的“有機(jī)細(xì)胞”。在拓展微網(wǎng)向EIS互聯(lián)、演變過程中,還需要發(fā)展新的支撐技術(shù)與裝備,尤其應(yīng)重視多能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、多能變換、多能耦合機(jī)理分析、多能能量管理等技術(shù)攻關(guān),打破單一能源系統(tǒng)間藩籬,并同時(shí)構(gòu)建與多能EIS系統(tǒng)匹配的商業(yè)模式和能源交易平臺(tái),真正推動(dòng)源—網(wǎng)—儲(chǔ)—荷協(xié)調(diào)發(fā)展、多能集成互補(bǔ)、能量梯級(jí)利用的EIS系統(tǒng)健康和有序發(fā)展。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Microgrid—An “Organic Cell” for Future Energy Interconnection System

MAOMeiqin,DINGYong,WANGYangyang,CHANGLiuchen

(Research Center for Photovoltaic System Engineering of Ministry of Education, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The state-of-the-art and typical characteristics of the energy interconnection system (EIS) and microgrid are reviewed from the interpenetration and interrelation perspective of the two systems. Six “cell” functions of microgrids to facilitate the future EIS, namely, improving power quality, enhancing reliability and resilience, coordinating energy dispatch among different areas, achieving load active control and bidirectional information flow, and promoting resources utilization efficiency, are further analyzed from the six features of microgrid including deployment localization, source/load diversification, structural diversity, operational flexibility, controllability, and interactivity. In addition, several typical microgrid interconnection types are presented. Finally, key technologies and equipment to promote EIS development in the future are presented and predicted.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51577047), International Science and Technology Program of Anhui Province (No. 1604b0602015) and Guangdong Innovative Research Team Program (No. 2011N015).

microgrid; energy interconnection system (EIS); power system resilience; energy router; electric vehicle; energy storage technology

2017-04-17;

2017-07-24。

上網(wǎng)日期: 2017-08-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51577047);安徽省對(duì)外科技合作項(xiàng)目(1604b0602015);廣東省引進(jìn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011N015)。

茆美琴(1961—),女,通信作者,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:微網(wǎng)運(yùn)行控制與能量管理、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)集成。E-mail： mmqmail@163.com

丁 勇(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:微網(wǎng)中電力電子變換器控制。E-mail: yong_dsyuct@163.com

王楊洋(1993—),男,博士研究生,主要研究方向:微網(wǎng)能量管理技術(shù)。E-mail: wangyywork@126.com

(編輯 孔麗蓓)

( continued on page 45)( continuedfrompage11)