趋势|微电网将以新业态方式参与电力市场 能源路由器终结交直流之争
来源:中企网 2018/1/9
关键词:微电网 能源路由器 能源互联网
微电网的发展背景。能源互联网的发展与经济发展、资源紧张和环境污染紧密联系。现在由于环境受到影响，中国人均能源消费资源拥有不到世界水平的一半，但中国GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，必然会造成资源紧张和环境污染。我们做新能源行业都是在致力于改善问题，发展清洁能源必然是趋势。清洁能源存在很多问题，风力发电、光伏发电和水电站。光伏发电为例，由于地球是公转和自转的，会导致地面确切地点光伏的日照辐射有变化。风电也有类似的问题。
时间维度分布不均衡，空间维度不均衡。现在我国最大的风能资源区是内蒙古和甘肃北部，能源负荷较大的区不一定能供应上，还需要一些特高压直流和交流传输通道。为了解决能源分布不均匀，以及时间维度和空间维度上不平衡，很多专家提出能源互联网的概念，就是实现新能源的广泛接入。这个概念提出以后有很多不同的概念，但组织架构都是一致的。国网提出全球能源互联网的概念，主张是清洁能源为主，高压和特高压电网为网架。国外的研究中心和国内企业也提出很多概念，主要包含清洁能源和特高压的直流、交流以及高压的直流和交流，以及智能微电网。
能源互联网的技术体系。它包含了能源生产到能源输配，再到能源存储和能源消费，贯穿生产到消费的全流程。技术分为三层面，设备层、信息层、应用层。技术包括的很多，高效的太阳能利用技术，现在已经技术非常成熟。先进的输电技术和柔性直流输电技术。智能微电网技术和能源路由器技术。智能微电网技术从能源生产到能源输配再到能源存储和消费，整个链条的全部技术覆盖。提高能源互联网可以过渡到智能微电网，如果真的做到能源互联网转型，那需要底层的能源互联网。
智能微电网的提出有很多概念，主要指分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷监控和保护装置，按照一定的拓扑结构组成小型的发配电系统。概念的提出为了促进新能源高比例的接入，以及能源互联网的发展。国外出台很多储能政策，日本也同样如此。我国也出台一些政策，2009年至今出台法规和政策，推进微电网建设和实行办法。微电网市场环境看分为两种，联网型和独立型的微电网。联网型的微电网可以分为两个主体，用户用电的主体，包括工商业园区和数据中心的。售电主体包括分布式能源的投资商，售电公司和电动汽车充电站等能源服务商。
独立微电网，主要是用于海岛、边防哨所没有电，解决当地供电问题的市场。微电网的技术发展情况，美国维斯康辛麦迪逊提出了微电网的概念，再到GE和甲骨文等公司都进来做一些微电网示范。世界范围做的很多，但这只列了一些典型。
国内的微电网发展状况。最早从舟山做离网型的微电网，再到内蒙古可再生能源的微电网群，再到江苏和广东做的交直流混合微电网。微电网的技术应用在哪里?工业园区。我们自己的园区也会建分布式光伏和分散式的风电，还会采用一些电池储能，也会有一些负荷。可以赚取峰谷电价差，它的负荷比较稳定可以实现计划的排查，可以降低园区的技术配套，提供园区的工业可靠性。针对工业园区，用到储能实现的成本很高，用在园区里目前用电的峰谷价差比较小。商业综合体的优势是峰谷电差会大，为储能接入后的微电网经济性提供保障。海岛和山地的无电地区，以前有水就利用小水电的方式，大的还是采用柴油发电。泰国的一个岛屿是柴油发电的趋势，度电在一块六。如果现在采用微电网的形式，供电成本可以将到七毛。
工业园区用能现状分析。分为四种负荷，重点需要保障的负荷，可中断的负荷，可转移的负荷，后期增融负荷。针对这些负荷可以看出园区的负荷种类很多，也很复杂。北京可以看出尖峰时大规模用电可以做到一块以上，谷值是三毛七左右。峰谷电价差可以接近达到八毛钱左右，上海同样也是，北京存在尖峰的电价值。一般园区采用的计价方式是两部分，一部分是基础的电价，一部分是电网的电价。基本的电价是按照变压器的容量去收的，一个园区是60兆瓦的，那需要每个月固定交60兆瓦的费用。典型的工业园区以两步的电价为例，这也是实际统计的数据。工业园区来看，非居民用电的电量统计出来占6%，基础容量配套费占42%，度电费用52%，基本电费占的比例很大。峰谷时段的用电时刻，峰占35%，平时段是37%，有很多优化的空间。现在的工业园区面临很多问题，包括运营成本高，而且存在很大的空间，未来有扩容需求。我们认为园区建设微电网是解决园区供能问题的有效手段。
园区级的微电网的网络架构，提供云上的数据接入和分析。中间层是管理系统负责微电网的系统管理。交直流混合的微电网，如果采用能源路由器，那可以替代微电网里面的中央控制器和能源管理系统。我们想提供服务，系统解决方案的服务。微电网的负荷情况不同，园区的生产情况不同，建的微电网是定制化的问题，需要根据负荷情况分析如何做容量配备和分析设计。需要提供解决方案和能耗分析。多时间尺度能量管理，从云层到管理层实现相应功能。通过数据和云平台进行远端的运维功能。一次设备层，能源路由器是什么样的设备?路由器到底是什么，它和传统的因特网路由器有什么区别?有相似的地方，要为所有的设备提供接口。要有交流和直流的接口，要高压和低压的接口，要实现数据的控制功能。放在能源上要实现能源的控制。我们认为能源路由器可以接到光电和风电等设备。
能源路由器的本质是电力电子设备，以前是电力电子变压器。电力电子变压器是在1970年时，由美国GE研发中心提出，主要想通过电力电子的变换技术加高频的技术替代传统的变压器。为什么最终采用了交流?技术路线可以看出，直流的变化想有点变化很困难，采用铜和铁做变压器可以实现电气的隔离和绝缘。到目前为止交流也是现在电网的主要架构，1970年时GE提出了电力电压器存在问题，成本非常昂贵。器件的技术发展非常快，现在做电力电子变压器时可以把性能技术指标做到和变压器匹配的层面，所以有人又开始做电子电压器。实现的功能都是一样的，最终是想实现电能和信息的湖向互动，实现用户的友好接口。重量会变轻，体积变小，无污染，实现多种电源的变化和结构匹配，实现交直流的匹配和高低压的匹配，实现潮流双向控制。
阿尔斯通、GE、庞巴迪都有应用，技术原理和拓扑结构都完全一样。最初想用于新能源和微电网，经过三年开发做出一款产品，产品是采用6米的集装箱标准设计。输入功率是一兆瓦，输出高压交流电压等级是10千伏，低压是直流八百。最大效率是98.2%，传统逆变器效率会到98.5%，再加上厢式变压器的效率也是98%左右。如果采用能源路由器替代逆变器，那整机的效率可以提高一个点以上。电子电压器和路由器的研发，属于世界前沿技术。我们做工作时也遇到很多问题，设计时采用模块化低压侧并联，高压侧串联的架构。整个机器是由某一个单元组成，如果其中有一个发生故障可以直接进行更换。采用模块化以后还有好处，我们会保证系统在线不停地运行。当需要检修时，刚达到检修的时间时，我们会把模块一更换，可以保证微电网接口的关键设备运行。
大家提到了98.2%的效率，怎么可以做到?碳化硅功率器件的工程化应用技术，双有源桥电路的软开关技术，还有高频隔离、高功率密度设计技术，整体最大效率可以做到98.2%。作为交换设备需要有卓越的共性，采用分层分级的控制架构和综合处理器，最终实现卓越的动态。我们提供集中式的高压直接并网方案，还有直流回流型组串式高压直接并网方案。第二种针对地形复杂情况下提供的方案。传统组串式的发电，光伏板通过逆变器和AC电缆才能上到交流电网。采用集成化的产品可以通过电子路由器，真正的实现大道至简。光伏并网是高压替代低压，直流替代交流。我们在西安园区进行示范应用，一年多的数据测量可以做到98%以上，夜间待机损耗20W。
交流微电网可以赚取峰谷电价差，提高供电可靠性，降低能耗，保证环境污染。西安园区的微电网为例，光伏是2兆瓦时，配备1兆瓦时的储能系统，投资回报周期6.1年左右。技术上要降低基础容量15%，额外提升10%的光伏自发自用电量。
电动汽车的发展充电是直流，而且到光伏发电也是直流，再到储能电池的接入也是直流。交流的微电网将直流的所有负荷进行直流到交流的变化，浪费很多损耗，而且增加了成本。设备是高度集成的，可以适应多方面的适应周期。交直流的混合微电网和传统的交流微电网相比，效率可以提升6.5%，成本可以节约22%。
微电网市场前景。微电网在未来的三年内市场规模稳步增长，在建以及投入的微电网示范工程超过四百多个，辐射到欧美、欧洲、东亚。微电网会以新业态方式参与电力市场。如果我们的直流负荷占比非常高，那交直流混合微电网非常有价值，能源路由器会终结交直流之争。