新能源微电网发展概要
摘自《供用电》第34卷 第二期 2017.2
CIGRE C6年会【专家观点】祝振鹏，北京北变微电网技术有限公司首席专家
1 新能源微电网
1.1 新能源微电网的含义
以能源多元化、清洁化为方向，以优化能源结构、推进能源战略转型为目标，以清洁能源和智能电网为特征的新一轮能源革命正在推进。随着可再生能源渗透率的日益提高，可再生能源存在并网难、消纳难、长距离传输能效低、损耗大、设备利用率低、系统增容投资边际效率差等挑战越来越大。传统能源电力行业多年形成的高度垄断技术构架体系，管理体系，现有系统体系和结构不适应高渗透率的可再生能源及分布式能源的接入。很有必要进行新能源微电网技术的研究与示范。新能源微电网是利用风、光、生物质、天然气等多种可再生能源，通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，通过冷、热、电等多能融合，实现可再生能源的充分消纳，构建智慧型能源综合利用局域网。新能源微电网利用互联网思维和手段，构建新型区域能源生态系统，提高可再生能源比重，转变能源结构，提高能源综合利用效率，提升大众参与程度，提升能源综合价值，转变经济增长方式，带动产业升级。
新能源微电网具有并网和独立两种运行模式。联网型新能源微电网一般与配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换。对电网来说，可以作为可控负荷来进行管理。在外部电网故障情况下，可转为独立运行模式。通过采取先进的控制策略和控制手段，可保证新能源微电网内高可靠的能源供给。也可以实现两种运行模式的无缝切换。独立型新能源微电网不和常规电网相连接，利用自身的分布式能源满足微网内负荷的需求。当网内存在可再生分布式能源时，常常需要配置储能系统以保持能源与负荷间的功率平衡，并充分利用可再生能源，更加适合在海岛、边远地区等地为用户供能。
1.2 新能源微电网的基本理念
新能源微电网是在新理念下构建的综合能源系统。其基本理念如下：①一个多重融合：能源系统与信息系统的有机融合；分布式能源、可再生能源与大系统能源的融合等。② 两个提高：提高资产效率；提高能源生产效率。③三个平衡：源—源之间的协调平衡，即多种一次能源、二次能源、分布式能源及可再生能源等与大系统能源跨时空平衡；荷—荷之间的协调平衡，即可控负荷、随机负荷、热负荷、电负荷等的时空平衡；源—网—荷之间基于负荷侧的协调平衡。④四个基本约束：可靠性保证的约束；经济性的约束；环境保护的约束；可持续发展的约束。⑤五个基本要素：源、网、荷、储、控。⑥六个关键指标：系统总效率指标；供能可靠性指标；新能源渗透率指标；能量、功率交换率指标；能量自给率指标；绿色环境指标。⑦七类关键技术：新能源的高效转换及发电技术；电力电子技术；信息技术及低成本的传感技术；大规模低成本高效率的储能技术；基于总能理论的能量控制技术；新能源汽车的V2G 技术；在大系统理论构架下的能源系统重构技术。
1.3 新能源微电网的基本要求
1） 新能源微电网的功能定位。利用风、光、生物质、天然气等多种分布式能源，通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，通过冷、热、电等多能融合，实现可再生能源的充分消纳，构建智慧型能源综合利用局域网。创新管理体制和商业模式，整合各类政策，以新能源微电网为载体，参与当地电力体制改革，形成具有本地特色且易于复制的模式。
2） 新能源微电网的范围要求。各新能源微电网项目应具有明确的范围，与外部相关系统有清晰的接口，项目承担区域内供电、供冷、供热等综合能源服务，形成以可再生能源为主的高效一体化分布式能源系统。
3） 指标要求：各项目供电范围内的供电安全和电能质量应符合相关电力标准，最高电压等级不目前超过110 千伏，可再生能源功率渗透率（微电网额定装机功率与峰值负荷功率的比值）不低于70%，新能源微电网电量自给率不低于50%；微电网与公共电网连接点（PCC）的交换功率不大于微电网最大负荷的25%或按国能新能[2015]265 号文件要求；示范区域内可再生能源和清洁能源供热（冷）达到100%；在一定的政策支持下，具有经济可行性。
1.4 新能源微电网的基本判据、功能
新能源微电网的基本判据并非电压等级与容量，而是以下几点：①与外部系统有明确的连接点（即插即用）；②新能源渗透率大于50%；③与外部系统的交换功率比率小于25%；④ 内部能源自给率需要平衡。新能源微电网有很多功能：可使风、光、气、水、生物质、地热多种能源，以及冷、热、电多种用能形式融合，使新能源就地充分消纳、能量就地分层平衡，降低传输损耗，提高系统综合能效。同时，可实现功率与能量的转换，实现不同形式的能量时间、空间的匹配，提高系统设备利用率，与外部系统的能量交换、功率交换可调可控。新能源微电网涉及很多关键技术，如主动配电网、智能用能、电动汽车V2G、储能、协同优化、能源大数据等等。
1.5 新能源微电网与公共电网的关系
1） 新能源微电网与公共电网的关系是网与网关系。正常情况下，根据两网系统需求。可调可控的进行功率交换和能量交换；事故情况下可以快速无缝解列，以保证微电网和大电网各自独立运行，最大限度保证用户及电网的稳定性及可靠性。
2）新能源微电网是公共电网的可调度负荷。作为大系统的一个资源，根据大系统的需要，对微电网进行调度，也可作为纯负荷来进行管理，提高系统效率和设备利用率。
3）相对独立、相互支援、即插即用。
2、新能源微电网的潜在价值
新能源微电网是容纳高比例波动性可再生能源电力的发输（配）储用一体化的局域能源系统，是探索能源服务新型商业运营模式和新业态的重要载体，是能源互联网的重要元素。
2.1、实现新能源充分利用，改善能源结构
可再生能源发电采用直接并网方式，电网依靠常规备用发电容量来平抑可再生能源的间歇性、随机性和波动性，为保障电网安全运行，可再生能源发电采用直接并网方式，对可再生能源发电的渗透率不可能很高。新能源微电网通过新能源发电、储能及用能综合控制，使可再生能源渗透率超过100%，彻底消除“弃风弃光”现象，实现可再生能源的充分消纳，提高可再生能源在能源总消耗的占比，降低化石能源消耗，改善能源结构，提高能源安全，减少碳排放和环境污染。通过新能源微电网可实现可再生能源的充分消纳，提高可再生能源设备利用率，使可再生能源开发商获取最大利益。
2.2、提高能源综合利用效率，降低用能成本
目前电力系统采用集中大规模的以化石燃料为一次能源。发电厂通过规模巨大的覆盖全供电地域的不同电压等级的输配电网络向分散于全网的不同类型的随机的不受控的负荷输送电能的方式。一次能源通过转换、传输传递到用户端的系统效率低于20%。新能源微电网在区域内将新能源发电、储能和用户负荷优化配置，实现能源的就地利用，减少能量长距离传输环节，降低传输能耗不低于6%。同时在区域内实现多能互补，能量的梯次利用，实现能源充分利用，提高能源综合利用效率。以微燃机冷、热、电三联供为例，一次能源到用户端能效能达70%以上。在能源消费环节，通过对用户用能行为、习惯的引导、干预，将有效减少能源浪费，提高用能效率不低于10%。
新能源微电网从能源生产、传输、消费等环节降低损耗，提高能源综合利用效率，将大幅降低用能成本，具备及其优良的潜在商业价值。通过新能源微电网，我们可以以较低的成本挖掘其价值。
2.3、提高设备利用率，延缓投资
新能源微电网可以通过内部调节实现与公共电网能量交换可调可控，是公共电网的可调度负荷。新能源微电网响应公共电网调控，辅助平滑负荷曲线，降低电网设备备用容量，提高设备利用率，延缓电网增容投资。新能源微电网具有即插即用、扩容方便的特点，不同于公共电网的“适度超前”规划建设原则，一般按当前需求，当期规划、当期建设，节约投资，设备利用率高。
2,4、电动汽车综合利用
近年来，电动汽车发展迅速，其无序的移动负荷，给配电网带来严峻挑战。以电动汽车为新能源微电网的重要元素，通过新能源微电网的调控，可实现电动汽车充电的电量和功率的平衡。100 万辆电动汽车的年耗电量约36 亿度，当前北京市年耗电量约1000 亿度，供电量仅提高5%左右配电网基本无需增容，即可满足电动汽车充电需求，又能提高系统的设备利用率，同时保障电网的运行安全。100 万辆电动汽车，可存储约3500 万度电量，形成巨大的储能资源。新能源微电网利用电动汽车动力电池作为分布式移动储能系统参与电网调节， 利用V2G 技术参与到新能源微电网的运行中、根据有关统计，汽车的平均行驶时间仅为4%，96% 的时间处于停驶状态。其可以作为新能源微电网的储能要素，来参与到新能源微电网的运行中，这样可以大幅度降低新能源微电网的投资成本，提高新能源微电网经济性，降低电网峰谷差，实现能源辅助服务，降低系统损耗，提高设备利用率。将电动汽车由单纯的消费品转变成生产设备，实现电动汽车价值最大化，同时有效的分摊新能源微电网的储能部分的投资。使新能源微电网的经济价值得到充分体现，又可以提高电动汽车的使用价值，降低使用成本。
2.5、提供能源辅助服务，挖掘能源价值
新能源微电网可以提供能源辅助服务，形成调峰调频、无功电压调节、提供低成本高可靠供电需求，满足用户个性化的能源需求，提升能源附加值；同时可使能量就地平衡，多种能源协同优化，调控对外系统能量交换。支持能源产业服务模式的转变，使我们从能源的产销体系向能源的服务体系转变。我们向市场提供的不仅仅是电、气、热等能源产品，提供的是光明、是温暖、是凉爽、是信息等，是我们日常生活所需的各种能源相关的服务。新能源微电网可再生能源渗透率超过100%，充分消纳，消除“弃风弃光”； 可作为大电网的柔性可控有源负荷，平滑负荷曲线，提供辅助服务，降低备用容量，提高设备利用率，延缓大电网增容投资；还可减少损耗，提高从一次能源到终端用能系统综合能效，降低用能成本，具备潜在商业价值。
3、建设运营商业模式
新能源微电网投资建设在政府指导下，进行项目的规划研究，编制项目规划及可研报告，鼓励社会资本以PPP 方式参与项目建设，多方投资建设，以市场化手段激发市场活力。在政府指导下，对新能源微电网进行统筹规划，优化社会资源、利用社会投资，引导用能用户，先示范后推广，满足建设目标要求，充分挖掘潜力，实现项目效益最大化。商业模式是新能源微电网发展的原动力，商业模式是新能源微电网发展的引擎，是保证各参与主体合作共赢的纽带。随着能源市场成熟度的提高，采用适宜的商业模式，实现新能源微电网的可持续发展。新能源微电网的运营商业模式有以下阶段：
1）独立运营商运营模式。微电网运营商为运营主体，各参与方资本投入，分配利益。
2）产销联盟运营模式。本地产销联盟为运营主体，共同建设、共同受益，协商分配，形成有限开放市场。
3）自由交易运营模式。形成开放市场，各方为独立市场主体，通过市场进行自由博弈。
3 推广的政策环境
新能源微电网的推广需要明确基层对口主管部门，确定审批流程；出台针对微电网的专项扶持政策（冷、热、新能源发电、储能、节能、用户响应），具体政策环境见图1。
图1 推广新能源微电网的政策环境
4 新能源微电网的发展
新能源微电网的发展与电力体制改革相关：新能源微电网是电力体制改革的重要载体，是电网配售侧向社会主体放开的一种具体方式；新能源微电网的发展与能源互联网相关：从物理层面，微电网是能源互联网的“终端”，实现能量双向流动、信息双向流动以及能源就地综合利用；从模式层面，微电网是能源互联网的重要市场主体，电网配售侧向社会主体放开的一种具体方式。是实现增量配网改革的重要手段之一。
5 展望
新能源微电网需要进一步研究的课题：
1）技术体系。微电网规划、设计、运行、维护；多种能源协调优化；配电网双向互动；微电网标准体系。
2）运营模式。微电网投资、建设、运营商业模式；微电网相关金融及衍生品、价值实现；微电网参与电力市场交易。
3）政策法规。建设保障；微电网的生态环境；市场环境。