微網
——未來能源互聯(lián)網系統(tǒng)中的“有機細胞”

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, 安徽省合肥市 230009)

微網
——未來能源互聯(lián)網系統(tǒng)中的“有機細胞”

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, 安徽省合肥市 230009)

從微網與能源互聯(lián)網系統(tǒng)在內涵上互相滲透、聯(lián)系的視角,梳理了二者發(fā)展現(xiàn)狀和典型特征。進一步從位置本地性、源荷多元性、結構多樣性、運行靈活性、整體可控性、電網交互性等六方面分析了微網在未來能源互聯(lián)網系統(tǒng)中的“有機細胞”作用,包括改善電能質量,提高電網可靠性與彈性,增加不同區(qū)域之間能量的協(xié)調調度,增加負荷的主動調控能力,承載信息雙向流動,提高能源總體利用效率等;總結了微網互聯(lián)構成能源互聯(lián)網系統(tǒng)可能的幾種典型形式。最后對未來支撐能源互聯(lián)網系統(tǒng)發(fā)展的微網關鍵技術與設備進行了評述和展望。

微網(微電網); 能源互聯(lián)網系統(tǒng); 電力系統(tǒng)彈性; 能量路由器; 電動汽車; 儲能技術

0 引言

微網是配置在近用戶側,涉及冷/熱/電/氣多能源載體,包含微源、負荷(電、冷/熱)、儲能(含電動汽車(electric vehicle, EV))及相應控制、監(jiān)控、保護裝置和能量管理系統(tǒng),可實現(xiàn)區(qū)域內源/荷/儲協(xié)調優(yōu)化的單一可控微型能源系統(tǒng)[1],通過適當的能量管理和協(xié)調控制優(yōu)化分布式電源運行,是分布式發(fā)電的高級發(fā)展階段[2];隨著微網配置數量和網內能源主體越來越多,微網網絡不斷擴大,并正相互連接,形成多微網或微網集群系統(tǒng)。近十年來,國內外廣泛深入的研究、開發(fā)與技術示范取得的成果推動了微網支持可再生能源接入、為用戶提供優(yōu)質能源服務、優(yōu)化區(qū)域能源利用等功能的實現(xiàn),多微網互聯(lián)集成方式、運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和柔性負荷大量集成、需求側管理技術、信息和控制技術廣泛應用使得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正逐步向“能源互聯(lián)網系統(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,可再生能源廣泛集成,交通網逐步電氣化并積極參與能源網的新一代能源生產—供應—消費網絡,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,實現(xiàn)能源自治的可行性技術方案[4-6]。

縱觀微網和EIS,本文認為微網是分布式發(fā)電的高級階段,同時又是EIS的初級階段,是未來EIS構建過程中的“有機細胞”。經過多年研究與實踐,微網已初步具備EIS的技術特征,能夠實現(xiàn)局部能量自律優(yōu)化,為EIS實現(xiàn)全域能量優(yōu)化奠定了基礎。若將EIS視為能源廣域網(wide area energy network,WAEN),微網則是能源局域網(local area energy network,LAEN)。

本文首先對EIS和微網各自發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述,并總結了二者典型技術特征。從特征入手說明微網本質契合EIS發(fā)展,進而闡述現(xiàn)階段微網為EIS提供的具體“細胞作用”。最后展望了未來微網支撐EIS需要繼續(xù)開發(fā)和探索的新技術、新設備和發(fā)展新趨勢。

1 EIS和微網發(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、技術支持和機制驅動。能源利用過程中出現(xiàn)的問題和新趨勢,如傳統(tǒng)能源危機及環(huán)境問題、不同能源系統(tǒng)的耦合、EV及儲能發(fā)展提出的雙向能流要求、負荷主動參與及用戶對能源信息的需求構成了EIS的發(fā)展需求;能源領域(如電力電子技術、儲能技術[7]、虛擬電廠技術、電動汽車入網(vehicle to grid,V2G)技術)和信息領域(如大數據、云技術、機器學習等)為EIS提供了強勁技術支撐;對口政策的實施為進一步促進其發(fā)展提供了驅動。以中國為例,2015年起中國相繼出臺了若干文件對EIS進行頂層設計[8]、支持EIS典型示范項目建設、從微網和配電網層面支撐EIS發(fā)展等。2017年7月,中國國家能源局正式公布首批55個EIS示范項目,標志著EIS在中國落地實踐的正式展開。

根據現(xiàn)有文獻報道,本文按時間順序梳理了2008年以來國內外主要EIS項目及其分類[4-6,9-13],如圖1所示,其中縱坐標表示相關EIS概念,橫坐標表示年份。圖中黑色字體顯示相關概念的提出國家、分類和涉及能量載體,紅色字體表示依托此概念實施的項目名稱;其具體信息見附錄A表A1。其中,根據信息與能源系統(tǒng)融合緊密程度和各自特點,本文將現(xiàn)有EIS概念劃分成兩類:一類主要側重能源網,以信息互聯(lián)網體系為指導或是少量利用互聯(lián)網技術的EIS,稱之為能源優(yōu)先EIS,記為Ⅰ類EIS;另一類主要側重信息互聯(lián)網,利用信息通信技術(information and communication technology,ICT)實現(xiàn)能源系統(tǒng)優(yōu)化運行的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內涵還在不斷豐富中。本文認為:EIS是ICT與能源技術深度結合,不同能源形式互聯(lián)互補,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。基于此,EIS的特征可總結如附錄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”“對等”“靈活”“彈性”等新標簽,與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)剛性、自頂而下樹狀的能源供給結構相比,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、儲和荷等“即插即用”,整個EIS將是源—輸—配—儲—用相互連接而織成的穩(wěn)定、智能網狀結構。

1.2 微網發(fā)展現(xiàn)狀及典型特征

微網是可實現(xiàn)本地能量供需平衡的獨立可控系統(tǒng),既可以是僅包含電能終端的微網,也可以是包含冷/熱/電/氣等多種終端的多能源微網[14]。自概念提出以來,特別是經近十年來國內外廣泛深入的研究、開發(fā)與技術示范,微網得到了快速發(fā)展,目前研究主要集中在規(guī)劃設計、建模仿真、運行控制、能量管理、電能質量、通信技術、繼電保護、與電網集成及多微網集成等方面,這些技術成果促進了微網在全球范圍的發(fā)展。截至2017年6月,全球共建有1 842個微網項目,已投運微網容量達19.3 GW[15]。附錄A表A3和表A4分別給出了部分國外和國內微網項目介紹。微網的典型特征可總結為位置本地性、源荷多元性、結構多樣性、運行靈活性、整體可控性以及電網交互性等六大典型特征,具體說明如附錄A表A5所示。

2 微網在EIS中的“有機細胞”作用

EIS是多種新興能源技術、信息技術、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,首先應進行各項創(chuàng)新使能技術的攻關,再在較小區(qū)域范圍內整合相關技術進行綜合示范應用,進而逐步向更大范圍拓展。微網經十幾年的發(fā)展,具備了EIS所有必備要素,如多能互補、雙向能流、借助微網能量管理技術實現(xiàn)雙向信息流指導微網優(yōu)化運行等,可自主實現(xiàn)“細胞”內能量平衡,初步實現(xiàn)了EIS功能化,因而建設微網是構建EIS的優(yōu)選和先遣方案。每個獨立微網是廣域EIS的“有機細胞”,宏觀上“細胞”可看做整體可控的虛擬源/荷,互連而成的“細胞群”具有更大靈活性和可控性。對比附錄A表A2和表A5可以看出,微網本身具備的特征十分契合EIS,其對EIS的支撐作用具體體現(xiàn)在改善電能質量、提高系統(tǒng)可靠性和彈性、增強不同區(qū)域間能量協(xié)調互動、實現(xiàn)負荷主動調控、有效承載信息雙向流動、提高能源總體利用效率等六個方面。

2.1 微網本身技術特征對EIS的支撐

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

表1 微網對EIS的支撐作用Table 1 Supporting role of microgrid for EIS

2.2 微網在EIS中發(fā)揮的具體作用

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

2)微網可提高電網可靠性和彈性。可靠性在電力系統(tǒng)中是評估用戶獲取電能的指標,表征電網面對相對大概率弱影響事件的應對能力。配置微網可以提高電網可靠性,因為:①微網內集成的多類型可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)電網互為備用;②微網內配置的儲能及EV在緊急情況可以向關鍵負荷供電;③微網配置在近用戶側,發(fā)電和負荷地理上接近,且可孤島運行,受電網輸配電線路及其他設備故障影響較小;另一方面,彈性表征電網在面對小概率高影響事件時的應對能力?，F(xiàn)實中微網在電網遭受極端災害事件時的優(yōu)良表現(xiàn),使得歐洲[18]、美國[19]及日本[20]等紛紛關注并分析微網在電網遭受極端事件后對電網彈性的改善作用。文獻[21-24]定性地分析了微網可以從在故障時通過本地資源優(yōu)化調度盡可能少切負荷[21-22]、故障后輔助關鍵負荷恢復[23-24]等方面改善電網彈性。而文獻[25-26]則定量地分別提出不同電網彈性評價指標和方法評估微網對電網彈性的改善作用。

3)微網可增強不同區(qū)域間能量協(xié)調互動能力。本文將以微網為基本單元構建的EIS區(qū)域間能量優(yōu)化按范圍分為四類:單一孤島微網內部優(yōu)化、含單一微網的配電網(即單一并網微網)協(xié)調優(yōu)化、多微網間協(xié)調優(yōu)化及含多微網的配電網協(xié)調優(yōu)化,如圖2所示。圖中:PCC表示公共耦合點。

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

單一孤島微網能量優(yōu)化[27-29]實質是多約束多目標優(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)點電壓約束、儲能單元約束等條件下,通過對可控單元的控制,如可調度微源出力管理、儲能及EV充放電管理,實現(xiàn)以不同評價指標來衡量的經濟、環(huán)境、技術效益等最大化;含單一微網的配電網能量協(xié)調優(yōu)化[30-31]由于有配電網參與,需將微網和配電網交換功率額等納入約束條件,配電網的穩(wěn)定性和經濟性指標等納入優(yōu)化目標;多微網是EIS建成前的過渡形式[3]。多微網間協(xié)調指不與配電網相連的多個微網之間互動,而含多微網的配電網協(xié)調指與配電網相連的多微網互動,包括各微網間以及各微網與配電網間的互動。前者主要發(fā)生在海島及偏遠地區(qū)多微網系統(tǒng)中[32],后者更易在EIS應用場景中出現(xiàn)[33-37]。

4)微網可實現(xiàn)負荷的主動調控。負荷在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中多是以被動受能的角色出現(xiàn),系統(tǒng)正常情況下,負荷可以正常獲電,而一旦系統(tǒng)發(fā)生故障或者供不應求時,負荷就會失電或者被迫接受拉閘限電,很少主動參與電力系統(tǒng)的運行調度。需求側(負荷)參與系統(tǒng)運行是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?，F(xiàn)有研究表明[38-41],通過合適的控制技術,微網內的特定負荷可主動參與電力系統(tǒng)調控,實現(xiàn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“跟隨負荷”的電能供應方式向EIS “跟隨供應”的負荷主動控制方式,乃至向“源荷互動”控制方式轉變。

5)微網是信息雙向流動的有效載體。目前微網內配置的能量管理系統(tǒng)使微網已經成為可控整體,信息的雙向流動在微網內也已初步實現(xiàn),圖3給出了含多微網的配電網信息流示意圖。其中配電網能量管理系統(tǒng)是多微網與上層配電網的接口,其主要作用在于下發(fā)根據電價、需求、運行信息等制定的協(xié)調調度指令給各微網,同時接收各微網上發(fā)的狀態(tài)信息用于決策;各微網中央控制器(microgrid central controller,MGCC)接收配電網能量管理系統(tǒng)下發(fā)指令,并與其他微網互接發(fā)狀態(tài)/調度信息,制定本微網內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行信息。

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

6)微網可提高能源總體利用效率。在微網技術產生之前,不同的能源形式利用比較獨立,電、熱、天然氣、交通等各網絡基本處于獨立發(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。事實上,一種能源往往需借助其他多種能源的轉換配合才能實現(xiàn)高效率利用,而多源微網可以最大限度地提高一次能源利用效率及能源設備的平均利用率, 并且可借助于儲電、儲熱、儲氣及儲氫等儲能技術,實現(xiàn)多能源有效協(xié)調和轉換調峰?，F(xiàn)實中已在部分地區(qū)得以應用的水/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”示范項目,通過能源梯級利用有效提高了當地能源綜合利用效率和能源設備使用率,促進了風光等可再生能源的滲透[42]。

2.3 微網“有機細胞”互聯(lián)形式

微網是EIS構建的“有機細胞”,需通過“細胞”間的互聯(lián)才能組成EIS這一有機“組織”。本文將微網互聯(lián)的形式分成三類,并給出含三種微網互聯(lián)形式典型EIS場景,如圖4所示。圖中:PC表示功率變換器。

1)微網A以整體接入至微網B的一個內部節(jié)點上,實現(xiàn)微網B的擴容。圖4中區(qū)域 A內微網A1和A2、區(qū)域B內微網 B2和B3、區(qū)域E內微網E1和E2即采用此方式互聯(lián)。

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

圖4 基于互聯(lián)微網的典型EIS場景Fig.4 Typical EIS scenario based on interconnected microgrids

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

圖4中各區(qū)域微網內存在的不同電壓等級、不同電壓形式子微網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,通過對互聯(lián)變換器的控制,即可實現(xiàn)不同子微網間的能量協(xié)調。當具有多種不同母線電壓形式和電壓等級的子微網存在時,一種方式是使用多個獨立雙向變流器實現(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)調控制難度,有文獻提出如圖5(b)所示的第2種方式,即應用能實現(xiàn)多電壓類型能量轉換的能量路由器(energy router,ER)完成互聯(lián)。

圖5 多電能形式微網間互聯(lián)結構Fig.5 Interconnection structures of multi-type microgrids

關于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電壓能量變換能力的多端口電力電子設備,能實現(xiàn)不同子系統(tǒng)能量雙向交互,是未來EIS中的關鍵設備之一[43-47]。常見ER基于固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)及其拓展結構發(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構;文獻[45]提出了一種Y型 ER,如附錄A圖A2(b)所示;文獻[46]提出直流側采用半橋,交流側采用組式逆變器結構,可實現(xiàn)直流側多模式運行,而交流側三相獨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[47]則提出了基于模塊化多電平換流器的ER方案。

3 支撐EIS的微網關鍵技術和裝備

微網之所以可提供以上所述“細胞作用”,實現(xiàn)區(qū)域內能量自治和管理,要歸功于電力電子技術實現(xiàn)各微源、儲能及負荷等的柔性集成和能量管理技術依據電網要求和各主體實時狀態(tài)實現(xiàn)對各單元的優(yōu)化調度控制。電力電子技術和能量管理技術[48-49]為微網運行分別提供了硬件和軟件支撐。其中微網能量管理技術實質上是在一定程度上將ICT引入能源系統(tǒng)的應用,是一系列技術，包括信息采集、通信協(xié)議和標準、信息處理和分析等的綜合體現(xiàn)。未來微網發(fā)展最主要趨勢是繼續(xù)強化ICT與能源技術,尤其是電力技術的深度融合,同時沿信息和電氣兩條主線探索新技術新功能,在實現(xiàn)“兩手抓,兩手都要硬”的基礎上,實現(xiàn)“兩手握,兩手需融合”,協(xié)同推進微網智能化水平飛速發(fā)展,最終借助新型電力電子設備及高效電力電子控制技術和信息通信領域新技術,靈活整合、管理、調度微網內各形式能源,優(yōu)化微網運行模式,實現(xiàn)微網供能智能化、靈活化、高效化,并將尤其重視用戶參與的主動性,根據實際調度需要積極調整用戶用能模式,發(fā)揮負荷需求響應或間接(廣義)儲能作用,實現(xiàn)智能負荷控制,最大限度地實現(xiàn)微網整體效率最優(yōu)。從微網到EIS需要能源產、輸、配、儲、用一系列革新性技術及設備提供支持,本節(jié)將對微網中支撐EIS發(fā)展的關鍵技術和設備進行梳理,對未來需繼續(xù)深入探索的領域進行展望。

3.1 微網可再生能源消納技術的創(chuàng)新

可再生能源高比例滲透是EIS典型特征之一,而當前新能源棄光棄風問題嚴峻。微網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。

1)微網多能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法。根據風、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,研究微網有機細胞的優(yōu)化能源配置方法。根據微網安裝地點的地理位置及風、光、氣等一次性能源資源分布等進行多能源協(xié)同規(guī)劃,利用博弈論、分形理論等技術建立規(guī)劃模型,形成實現(xiàn)源—網—儲—荷平衡的機組組合、結構組織、容量配置方法;使得微網“有機細胞”可以簡單復制,并且可以根據運行環(huán)境變化進行自組織運行。

2)高精度、多時間尺度風光功率等可再生能源出力及負荷預測技術。開發(fā)統(tǒng)一多時間尺度預測方法,一方面可將大數據、云計算、機器學習以及其他智能技術引入可再生能源出力和負荷預測上;另一方面可以對預測結果二次改進,如使用誤差疊加校正方法,在不依賴特定預測算法基礎上,提高預測精度,降低儲能配置容量,提高系統(tǒng)經濟性[50]。

3)面向EIS的運行控制和能量管理。EIS高比例可再生能源滲透、多能流耦合、多時空尺度、多源大數據、多利益方等特性給EIS的運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)能量管理經驗擴展至其他能源系統(tǒng)之中,實現(xiàn)各能源系統(tǒng)能量管理功能相似性;另一方面,從EIS運行控制和能量管理架構來說,應發(fā)展分布協(xié)同架構,快速、準確地通過子微能源網內部協(xié)同和多子微能源網協(xié)同實現(xiàn)EIS整體控制目標的趨同控制,多Agent技術和Gossip算法等分布式算法是EIS分布協(xié)同能量管理架構的重要實現(xiàn)手段,應予以重視。此外,應重點關注多時空尺度下EIS多源協(xié)同調度策略研究。

3.2 能源變換新技術新裝備的開發(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,新技術新設備將助力EIS可再生能源高滲透、各主體對等接入、能量雙向流動、結構靈活多樣和用戶友好管理,主要新技術趨勢如下。

1)研制基于新型器件,如碳化硅、氮化鎵和新型拓撲的可再生能源高效并網變換器和EV入網接口。這是保證可再生能源充分消納和EV入網互動的物理基礎,也為EIS內高效雙向能流調度提供可能。

2)開發(fā)兼有電網穩(wěn)定支撐、電能質量管理、故障穿越能力、信息交互等多功能集成的統(tǒng)一控制算法。其中電網穩(wěn)定支撐和電能質量管理是當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注[52],是增強可再生能源“吞吐”能力的關鍵技術;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行本地控制或通過信息傳輸通道上傳至上級控制單元,以便獲得協(xié)調控制指令。這些功能的集成將使逆變器更智能、高效、模塊化。

3)需研究多機并聯(lián)諧振機理及抑制策略,更好地實現(xiàn)逆變器在微網內的即插即用,這有助于系統(tǒng)的擴容和穩(wěn)定,符合EIS允許設備對等接入要求。

4)基于電力電子變換器的智能軟開關(soft open point,SOP)拓撲、控制及應用。饋線柔性互聯(lián)的SOP[53]在提升新能源接入、平衡饋線負荷、降低網損、緊急供電、改善電能質量方面具有應用前景,但其經濟性還有待商榷。未來一方面要繼續(xù)豐富SOP拓撲和控制策略的研發(fā),探索更多應用場合,如多微網互聯(lián)和控制;另一方面還要考察其優(yōu)化配置問題,盡可能地在保證經濟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)”的智能負荷技術。ES可實現(xiàn)負荷主動調控,并在負荷側促進可再生能源消納,目前ES研究多集中在拓撲結構[54]、控制設計[55]、系統(tǒng)應用[56-57]上,未來進一步研究方向包括:①多樣化ES新型高效拓撲及控制設計,如交直流混合ES設計;②ES在EIS多場景下的應用,如可再生能源發(fā)電和負荷協(xié)調、微網穩(wěn)定性改善、家庭關鍵負荷電壓支撐、工業(yè)用電電能質量提升等;③ES負荷側需求管理方法創(chuàng)新,探索其“廣義虛擬儲能”功能;④配置分散的ES分布協(xié)同群控技術,實現(xiàn)多目標控制。

6)ER作為EIS中重要設備,將被廣泛配置。目前ER研究多集中在拓撲設計及特定應用上,對其內部控制策略研究相對偏少,且未來ER在EIS配置多且分散,協(xié)同ER控制非常重要。應在如下方面繼續(xù)展開研究:①高效ER拓撲和系統(tǒng)集成方案;②ER本體控制研究,引入先進控制方法,如虛擬同步機控制、模型預測控制等,提高其控制性能;③多ER協(xié)調優(yōu)化控制策略,如基于多代理和網絡控制的分布式協(xié)調控制,提高系統(tǒng)整體經濟性、可靠性和靈活性。

7)多能互補協(xié)同是EIS的關鍵特征之一,為此,部分文獻提出了能量集線器(energy hub,EH)概念[58-59],在EH中,多能源載體可以相互轉換、協(xié)調和存儲,是多能源輸入(電、氣、熱等)與多類型負荷(電、熱、冷等)間的廣義節(jié)點。目前對EH的概念、建模、規(guī)劃、運行、管理和應用進行了一定研究,未來應繼續(xù)研究:①EH更適用數學模型的建模,加入對動態(tài)過程的考慮,更精確地展示多能流的耦合機理;②單個EH內部多源協(xié)調優(yōu)化和多EH優(yōu)化算法;③含EH系統(tǒng)的用戶主動參與需求響應策略。另外,對于多能流耦合動態(tài)特性分析,還可以借助鍵合圖理論、宏觀能量描述法等進行建模[60]。

3.3 傳統(tǒng)儲能和廣義虛擬儲能技術的協(xié)同

儲能是EIS的關鍵使能技術,可實現(xiàn)能量的時空轉移,應繼續(xù)關注傳統(tǒng)儲能并積極探索廣義儲能技術,注重二者協(xié)同互補,并探索可能的新型儲能商業(yè)模式。

1)傳統(tǒng)儲能技術在能源產、輸、配、用側均有應用需求[7],已成為微網核心技術之一。在EIS運行中,應繼續(xù)使用傳統(tǒng)儲電技術,重視多元復合儲電,實現(xiàn)短時功率調節(jié)和長期能量調節(jié)。此外,EIS還有儲熱、儲氣、儲氫等需求,應根據實際場景利用EH技術等實現(xiàn)多類型儲能的協(xié)調應用和優(yōu)勢互補。

2)大量EV參與EIS運行及空調、電熱水器、電熱泵等 “廣義儲能設施”的負荷參與電力市場所提供的“虛擬儲能”功能為EIS提供了多樣化創(chuàng)新性儲能模式。未來應關注:①如何利用EV移動儲能特性,借助雙向充放電控制技術為電網提供調壓調頻服務[61]、削峰填谷、平抑可再生能源出力波動等服務; ②如何開發(fā)智能負荷控制算法和控制模型,兼顧用戶使用習慣和電網要求,利用空調[62]、冰箱[63]、電熱水器[64]、電熱泵[39]、筆記本電腦[41]、水塔等蓄冷、蓄熱和蓄勢設備提供電網調峰、聯(lián)絡線平滑功率、穩(wěn)定電壓、支撐頻率、消納強隨機可再生能源、平移負荷等類似于物理儲能等“虛擬儲能”服務;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,對廣義儲能實時可調度容量進行預測;④如何在區(qū)域內廣義儲能可調度容量實時估計的基礎上實現(xiàn)對海量個體差異化分布協(xié)同控制;⑤如何協(xié)同實際物理儲能和“虛擬儲能”實現(xiàn)EIS多層次多目標優(yōu)化控制。

3)創(chuàng)新分布式儲能商業(yè)模式,有效利用大量分布式儲能,統(tǒng)一管理碎片化儲能資源。云儲能通過建立電網級云儲能平臺提供了一種新的儲能商業(yè)模式:用戶通過從云儲能平臺購置和出售云電池電量,可優(yōu)化負荷曲線,降低購電成本,同時提高分布式儲能使用設備使用率,盤活分布式儲能資源。其技術要點包括:①云儲能平臺架構完善及相關使能技術,如數據分析、系統(tǒng)優(yōu)化和雙向通信研究;②云儲能靈活運行機制和商業(yè)模式探討;③依托于商業(yè)模式的系統(tǒng)建模方法和評價指標研究等。

3.4 ICT與能源系統(tǒng)的融合

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

1)信息快速準確獲取和傳輸共享技術。有效利用信息并指導系統(tǒng)運行,首先要保證信息獲取準確性,這依賴先進傳感設備和量測技術,在未來EIS中,應將傳感單元與實際物理設備進行集成。在設備獲取準確信息后,要能夠不失真、快速地傳輸至控制中心或與其他設備實現(xiàn)共享完成對系統(tǒng)的協(xié)調控制,這依賴穩(wěn)定高效信息傳輸通道,應加快光纖通信、移動無線通信及衛(wèi)星通信技術的發(fā)展,根據不同場景信息處理要求選用不同技術,實現(xiàn)實時性、穩(wěn)定性和安全性。

2)探索大數據和云技術在EIS中的應用。EIS是海量數據系統(tǒng)[65],涉及數據類型多樣、數量巨大、增長迅速。因此,對EIS數據進行分析,可借助于大數據分析技術[66]。EIS的大數據特性及控制實時性要求有存儲量大、分析力強、實時性高的數據分析和計算技術提供支撐,基于云計算的云平臺是處理能源大數據的不二選擇[67]。文獻[68-70]分別探討了大數據和云計算技術在短期負荷預測、電力負荷特性指標挖掘和高效用電等電力系統(tǒng)領域的應用。此外,文獻[71]基于大數據分析和云計算,實現(xiàn)了多時間尺度EV可調度容量預測,為未來EV參與電網互動提供輔助服務奠定了基礎。未來應進一步探索大數據和云技術在新能源出力和負荷預測與分析、廣義儲能 “虛擬”容量估計、為用戶提供能源數據服務等方面的具體應用,增強EIS海量信息精確化處理能力,在保障EIS安全運行、EIS系統(tǒng)能量管理、為用戶提供多樣化優(yōu)質能源服務、探索新型商業(yè)模式等方面發(fā)揮更大作用。

3)區(qū)塊鏈技術在EIS中的應用探索。區(qū)塊鏈去中心化、時序數據、集體維護、可編程及安全可信的特點[72]特別適應EIS發(fā)展,有助于促進多形式能源、各參與主體協(xié)同,最終促進信息和物理系統(tǒng)的融合和EIS更高層次的價值實現(xiàn)。關于區(qū)塊鏈技術在微網[73]和EIS[74]中的應用,已有部分文獻探討,也已有了小規(guī)模實踐,如美國的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TransActive Grid,不依賴于電力公司,可直接進行光伏電力交易;德國的RWE公司將區(qū)塊鏈作為支付工具應用在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據庫技術,其在微網和EIS中的應用尚處于初級探索階段。其本身技術發(fā)展水平和與EIS的融合程度是決定其能否在EIS中發(fā)揮更大作用的關鍵,未來應進一步提高區(qū)塊鏈計算能力和響應速度,增強區(qū)塊鏈應用安全性,提高其處理復雜多元物理信息能力,最終全面探索區(qū)塊鏈與EIS結合在能源使用各環(huán)節(jié)上所能提供的高品質服務和應用領域。

4) 探索信息物理混雜系統(tǒng)融合建模方法,目前對電網信息物理系統(tǒng)的融合建模已有相關報道[75-76],未來要將電網物理信息融合建模方法,如有限狀態(tài)機、混合邏輯動態(tài)模型、集合論方法等經完善后移植到EIS信息物理系統(tǒng)建模當中。此外,由于在能源系統(tǒng)中集成了信息系統(tǒng),要務必增強EIS信息物理系統(tǒng)的安全性,提高系統(tǒng)對于網絡攻擊的抵抗能力。

3.5 能源交易模式的創(chuàng)新

EIS發(fā)展的一個愿景是在能源共享平臺上實現(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價方法的合同網競標機制作為transanctive energy 節(jié)點間的交易機制的可行性,在解決多節(jié)點之間供求狀態(tài)平衡的同時保證參與者與系統(tǒng)的整體利益相容。具體包括: ①合同網中transactive incentive signal(TIS)的計算方法。在考慮柔性負荷接入的情況下還須定量衡量改變柔性負荷給用戶舒適度下降帶來的損失;②節(jié)點參與多個合同網模式的可行性研究及在該模式下節(jié)點間交易的協(xié)調機制;③基于多因子的合同網競標機制中競標參數以及權重因子的選擇與計算;④transactive energy 對于輸配電阻塞管理的影響等。

以上探討的五方面相關技術,將助力微網向EIS“有機細胞”轉變,使其具備結構自相似性和功能自相似性,從而承擔起EIS的“有機細胞”角色。具體地,高效接口變換器和統(tǒng)一控制算法及多機并聯(lián)穩(wěn)定性分析和改善策略為源、儲、荷等單元“即插即用”提供了軟硬件支撐,便于微網結構自拓展;具有結構自相似性的各微網可通過SOP,ER,EH等設備互聯(lián)成“有機細胞群”;ES,ER,EH等設備為微網內多能源消納、轉化、控制和協(xié)調提供了硬件基礎,而借助于多能源優(yōu)化配置方法、高精度可再生能源和負荷預測技術、多元復合儲能及廣義虛擬儲能技術、新型ICT,又可實現(xiàn)多源微網的“源—網—儲—荷”實時平衡和自主協(xié)調,使微網具備功能自相似性,進一步夯實其“有機細胞”作用;此外transcative energy及云儲能平臺等新型能源(儲能)交易模式為EIS在共享平臺上實現(xiàn)能源靈活交易提供了可能。總之,這些新技術、新設備和新趨勢將助力“開放”“透明”“對等”“靈活”“彈性”“共享”的EIS最終建成。

3.6 EIS經濟性分析

經濟性是影響未來EIS發(fā)展的重要因素之一。在對EIS的經濟性評價上,要進一步完善含建設成本、運維成本和能源交易等直接經濟指標和環(huán)境效益和可靠性指標等間接經濟指標的指標體系,建立健全多場景EIS適用的統(tǒng)一經濟性評價方法;另外在EIS中,能量和信息可以雙向流動,使得能源交易在子微網內、多子微網間、子微網與上層電網間成為可能,且儲能系統(tǒng)(含EV)的加入使得EIS運行更靈活,應在創(chuàng)新性能源交易模式和儲能商業(yè)模式基礎上進一步探索兼顧各主體利益的經濟性改善策略[78-79]。

4 結語

本文通過對近十年來國內外微網技術發(fā)展現(xiàn)狀的梳理并與EIS技術內涵的對比分析,預計微網未來將演化為可以復制的EIS的“有機細胞”。在拓展微網向EIS互聯(lián)、演變過程中,還需要發(fā)展新的支撐技術與裝備,尤其應重視多能源系統(tǒng)的規(guī)劃設計、多能變換、多能耦合機理分析、多能能量管理等技術攻關,打破單一能源系統(tǒng)間藩籬,并同時構建與多能EIS系統(tǒng)匹配的商業(yè)模式和能源交易平臺,真正推動源—網—儲—荷協(xié)調發(fā)展、多能集成互補、能量梯級利用的EIS系統(tǒng)健康和有序發(fā)展。

附錄見本刊網絡版(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。

上網日期: 2017-08-22。

國家自然科學基金資助項目(51577047);安徽省對外科技合作項目(1604b0602015);廣東省引進創(chuàng)新團隊項目(2011N015)。

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

丁 勇(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:微網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:微網能量管理技術。E-mail: wangyywork@126.com

(編輯 孔麗蓓)

( continued on page 45)( continuedfrompage11)