微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)解讀

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能源發(fā)展、環(huán)境改善的重要問題，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)境問題日益突出，提高包含風(fēng)能、太陽能等清潔能源及其他多種類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能源發(fā)展、環(huán)境改善的重要問題，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。

我國能源結(jié)構(gòu)及分布不盡如人意

我國作為資源大國，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)諸多問題，主要包括以下兩個重要特點：

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

第二個特點就是能源分布不合理，我國能源分布主要在西部，而負荷中心卻在東部。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、長江上游、雅魯藏布江、三峽，但負荷中心在東部。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)來考慮，每一個區(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距離地輸送到東部發(fā)電。電力方面，大概2/3的負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的能源從西部搬運到東部。正是由于這個原因，我們要考慮能源的就地消納、就地生產(chǎn)，由此我國也發(fā)布了規(guī)劃方案，實現(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)

為此如何面對大范圍接入的分布式能源、如何對波動式的太陽能、風(fēng)能進行有效地控制等問題成為了我國亟待解決的難題。面對上述緊張的能源形勢，微電網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，微電網(wǎng)可以滿足分布式能源對可靠性的要求、對各種電力服務(wù)的要求，其與傳統(tǒng)電網(wǎng)一個最主要的區(qū)別就是微電網(wǎng)可以對分布式能源進行就地消化、就地平衡，同時也可以和大電網(wǎng)進行能量交換，但微電網(wǎng)內(nèi)部的控制和相關(guān)保護技術(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、簡單交互，從發(fā)電廠通過輸電線路到用戶，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，是主動交互，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，對大電網(wǎng)將會產(chǎn)生一個比較大的支撐作用。比如說大電網(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的時候，對提高可再生能源的效率起到了十分重要的作用。同時微電網(wǎng)還可以對大電網(wǎng)提供相關(guān)的輔助服務(wù)，例如調(diào)頻、調(diào)壓服務(wù)，通過微電網(wǎng)內(nèi)部控制措施，可以對相應(yīng)的指標進行處理。

微電網(wǎng)有五項主要關(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)的能量還沒有一個完整的界定，從幾十千瓦到幾十兆瓦的都有，所以運行方式要靈活，分布式電源要保證及時性和環(huán)保性。

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

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

四、微電網(wǎng)能量管理技術(shù)。如何對微電網(wǎng)中的分布式能源及各類負荷進行有效地管理和調(diào)節(jié)，對于生成微電網(wǎng)的最優(yōu)控制策略，實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟運行起到了至關(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)當中的一項關(guān)鍵技術(shù)，國外的研究和實際工程較多，例如在法國里昂形成了十幾個微電網(wǎng)群，微電網(wǎng)群之間的協(xié)調(diào)控制和互補運行，從而達到不同微網(wǎng)個體的穩(wěn)定運行。

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能發(fā)電設(shè)備實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。據(jù)悉，這種由48塊單晶硅太陽能電池板組成的12.5千瓦家庭發(fā)電裝置日均發(fā)電可達50千瓦時，并網(wǎng)發(fā)電后每千瓦時國家給予補助0.42元，補助長達20年，河北省政府每千瓦時補助0.2元，補助3年。多余的電，國家電網(wǎng)以每千瓦時0.367元的價格回收，預(yù)計每年收入2萬元。

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

通過微電網(wǎng)的建設(shè)，相對來講可以補充大電網(wǎng)對投資的不足，通過分布式能源和微電網(wǎng)本身的建設(shè)，可以降低對配電系統(tǒng)和對電能的需求，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，將進一步過渡到綜合能源網(wǎng)或者微能源網(wǎng)，以及后來的能源互聯(lián)網(wǎng)，對于能源互聯(lián)網(wǎng)這個概念，我們可以大致分成兩大類。

一類叫廣域的能源互聯(lián)網(wǎng)（全球能源互聯(lián)網(wǎng)），它是跨國、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，實現(xiàn)跨國、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，通過各種技術(shù)實現(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)，這是不同類型的能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。微能源網(wǎng)就屬于第二類。

能源互聯(lián)網(wǎng)的基層分層

通過眾多專家研討分析，給了能源互聯(lián)網(wǎng)一個相對比較合理的定義：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化交易，從而最大程度地利用清潔低碳的可再生能源，實現(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，通過通訊最后形成一個數(shù)據(jù)資源。這樣一個數(shù)據(jù)資源最后形成一個互動服務(wù)層，最后通過政策引導(dǎo)來實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)或者微能源網(wǎng)的高效、可靠、經(jīng)濟的運行。

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，通過信息流以及能量流的傳輸，通過這樣的服務(wù)來為用戶服務(wù)。用能側(cè)分多種類型的用戶，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。

其中很重要的一個技術(shù)手段，就是通過綜合能量管理平臺，來管控園區(qū)內(nèi)的能源和負荷的“三流”：能源流、信息流、業(yè)務(wù)流，最大限度的開發(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我們分為以下六大類:

一、立體信息感知：首先把能源互聯(lián)網(wǎng)底層的各種設(shè)備和用戶運行的狀態(tài)，通過立體信息感知系統(tǒng)采集上來，實現(xiàn)對電、熱、氣、交通、用戶、氣象以及各種生產(chǎn)調(diào)度進行全方位的監(jiān)控采集，得到一個完整的園區(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)中收集上來的各類信息通過智能通信與信息系統(tǒng)進行傳遞，尤其在最后一公里的時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、能量和負荷的預(yù)測：預(yù)測的精度準確是能量精確管理和高效利用的很重要的前提?？捎玫呢摵深A(yù)測模型有很多方法，通過對歷史數(shù)據(jù)的積累，利用不同的預(yù)測模型算法得到相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果，但其預(yù)測的準確性一直是國內(nèi)外專家學(xué)者致力研究的方向。特別是放開了輸電端市場以后，預(yù)測顯得更加重要。眾所周知的大用戶直供，要求預(yù)測精度在95%～105%之間，預(yù)測誤差不能超過5%。如果預(yù)測電量低于5%，比如說95%以下，市場就會有懲罰措施。如果高于105%，該用戶便不再享受大用戶直供的政策了，所以能量及負荷預(yù)測以及能源預(yù)測就顯得非常重要。

6月11日上午，龍源舟山風(fēng)力發(fā)電有限公司的工人在金塘島風(fēng)電場巡查風(fēng)機。在浙江金塘島南部山頂?shù)?7臺風(fēng)電機組把海風(fēng)轉(zhuǎn)化為清潔電能，今年1至5月份累計發(fā)電2421萬度，同比增長10%，全部并入國網(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)度的過程中，也集成了相關(guān)優(yōu)化算法以及管理算法，對分布式能源儲能和負荷形態(tài)進行調(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算法。在多能優(yōu)化調(diào)度中，為了保證能安全可靠運行，智能保護和控制也十分關(guān)鍵。

五、需求側(cè)響應(yīng)：根據(jù)園區(qū)內(nèi)的用戶性質(zhì)，可以對其進行有效分類，通過調(diào)控其非必要負荷的功率、起停，來實現(xiàn)用戶和電源、發(fā)電側(cè)的友好互動，因此我們便需要有需求響應(yīng)策略和相關(guān)的框架。

六、高級應(yīng)用服務(wù)：高級應(yīng)用服務(wù)是微能源網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)對于大電網(wǎng)和用戶一些服務(wù)，包括高級能效服務(wù)，如何幫助用戶節(jié)能，對能耗、污染物排放進行分析，進行能效診斷和相關(guān)的統(tǒng)計。還有用戶定制的服務(wù)，未來微能源網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是對用戶一對一的定制服務(wù)，來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的競爭水平，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)故障的時候要有相應(yīng)的備用。

以上便是我們對于微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)的一些解讀，希望我國能源、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！

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