智能微電網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢及投資重點(diǎn)

■ 文 /平 帆

智能微電網(wǎng)技術(shù)是新型電力電子技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)、熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)以及儲能技術(shù)的綜合應(yīng)用。其具有如下主要特點(diǎn)：（1）智能微電網(wǎng)中的電源大多是混合的，一般包括多個分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG），如光伏電池（PV Panel）、燃料電池（Fuel cell）、風(fēng)力發(fā)電（Wind Generator）、生物質(zhì)能（Biomass Energy）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microturbine）等，可以減少環(huán)境污染，提高能源利用效率，符合電力可持續(xù)發(fā)展要求；（2）當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障或擾動后，智能微電網(wǎng)可以從并網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行模式，能實現(xiàn)即插即用和無縫切換，具有獨(dú)立運(yùn)行能力，充分利用DG發(fā)電能力繼續(xù)向重要負(fù)荷供電，提高向用戶供電的可靠性。智能微電網(wǎng)不僅解決了DG大規(guī)模并網(wǎng)的問題，還發(fā)揮了它的效能，是能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，將促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)在需求側(cè)應(yīng)用的落地。

智能微電網(wǎng)技術(shù)體系

智能微電網(wǎng)技術(shù)主要包括微電源、儲能元件、能量管理和控制系統(tǒng)、負(fù)荷等幾大部分。微電源包括傳統(tǒng)電源（如汽油機(jī)發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電、蓄電池等）和可再生能源（微風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等）。控制設(shè)備包括中央控制設(shè)備、本地控制設(shè)備（電存儲設(shè)備、熱存儲設(shè)備、電力電子裝置等）。負(fù)荷有普通負(fù)荷和特殊負(fù)荷，當(dāng)有緊急事件發(fā)生時，智能微電網(wǎng)可以根據(jù)需要甩掉普通負(fù)荷，從而保證特殊負(fù)荷的用電供應(yīng)。

當(dāng)然，智能微電網(wǎng)并不一定由上述提到的全部部件組成，可能是其中的一部分。但是，智能微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)決定了智能微電網(wǎng)的性能及其運(yùn)行的好壞。一般來說，一個成功的智能微電網(wǎng)應(yīng)該是本地化的、分布式的、高度自動化的及環(huán)境友好的小型電網(wǎng)體系。

國內(nèi)外智能微電網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢

●國外

作為一個新的技術(shù)領(lǐng)域，智能微電網(wǎng)在各國的研究和發(fā)展呈現(xiàn)不同的特色。

智能微電網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

美國最早提出了智能微電網(wǎng)的概念，并由國家電力集團(tuán)、伯克利勞倫斯國家實驗室等研究機(jī)構(gòu)組成美國電力可靠性技術(shù)合作組織（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS），在美國能源部和加利福尼亞州能源委員會等的資助下，對智能微電網(wǎng)技術(shù)開展了專門的研究。CERTS定義的智能微電網(wǎng)提出了一種與以前完全不同的分布式電源接入系統(tǒng)的新方法，當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)可與主電網(wǎng)無縫解列或成孤島運(yùn)行，一旦故障去除后又可與主電網(wǎng)重新連接。

歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)等實現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結(jié)合，并積極鼓勵社會各界廣泛參與電力市場，共同推進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展。目前，歐洲已初步形成了智能微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、安全及通信等理論，并在實驗室微電網(wǎng)平臺上對這些理論進(jìn)行了驗證。其后續(xù)任務(wù)將集中于研究更加先進(jìn)的控制策略、制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、建立示范工程等。

日本立足于國內(nèi)能源日益緊缺、負(fù)荷日益增長的現(xiàn)實背景，開展了智能微電網(wǎng)研究，但其發(fā)展目標(biāo)主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性化電力需求。值得關(guān)注的是，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）主持的智能微電網(wǎng)示范項目是由政府投資，日本電報電話公司（NTT）、東芝等企業(yè)參與。整個項目早在20世紀(jì)90年代末即開始啟動，全套項目分多地點(diǎn)、多階段，從不同角度全面驗證各種智能微電網(wǎng)技術(shù)。例如，全面比較市面上不同廠家太陽能電池板的發(fā)電效果，及其傾斜角度等條件的影響；第一次進(jìn)行大功率（400千瓦）儲能變流器（PCS）的大電網(wǎng)并網(wǎng)沖擊性測試；對風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、大電網(wǎng)以及儲能設(shè)備的功率比例關(guān)系等進(jìn)行比較。這一項目的建設(shè)模式對我國智能微電網(wǎng)發(fā)展具有重要的啟發(fā)意義。

●國內(nèi)

我國在可再生能源綜合利用方面，微電網(wǎng)變流器、控制器等設(shè)備技術(shù)水平和世界同步，多能互補(bǔ)獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)示范規(guī)模世界領(lǐng)先。我國在可再生能源和電力行業(yè)的很多公司進(jìn)行了研究部署，建立了多個示范系統(tǒng)。在國家863計劃、科技支撐計劃支持下，我國重點(diǎn)在邊遠(yuǎn)地區(qū)、沿海島嶼建立了一批示范系統(tǒng)：建成世界第一個且海拔最高的青海玉樹10兆瓦級水、光、柴、儲互補(bǔ)微電網(wǎng)示范工程；建立了浙江東福山島、鹿西島、南麂島等3座兆瓦級風(fēng)、光、柴、儲互補(bǔ)微電網(wǎng)，浙江摘箬山島風(fēng)、光、海流能、儲互補(bǔ)微電網(wǎng)，廣東珠海2座兆瓦級風(fēng)、光、波浪能、柴、儲互補(bǔ)微電網(wǎng)，山東即墨大管島波浪能、風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等示范工程；正在建設(shè)的青海兔爾干兆瓦級可再生能源冷熱電聯(lián)供新型農(nóng)村社區(qū)微電網(wǎng)；在南極地區(qū)，我國中山站正在開展風(fēng)、光互補(bǔ)供電的探索和嘗試。

綜合起來看，中國的智能微電網(wǎng)按照其運(yùn)行特點(diǎn)主要分為3種典型類型（參見表“中國智能微電網(wǎng)的建設(shè)特點(diǎn)”）。

然而，我國的智能微電網(wǎng)在實際應(yīng)用上還存在諸多挑戰(zhàn)。

首先，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一、規(guī)范的智能微電網(wǎng)體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，很大程度上影響了智能微電網(wǎng)技術(shù)的研究和示范工程的建設(shè)。智能微電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)營模式與目前電力法規(guī)還存在一定的沖突，國家相關(guān)政策尚不明晰，已成為智能微電網(wǎng)未來發(fā)展的主要障礙。

其次，智能微電網(wǎng)中關(guān)鍵設(shè)備如儲能變流器、并網(wǎng)接口、協(xié)調(diào)控制器、繼電保護(hù)及自動化設(shè)備還不夠完善，在國家層面還缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別是智能微電網(wǎng)中多種接口形式電源協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究和深入的實驗驗證。

第三，智能微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)緊密相關(guān)。但是，國內(nèi)電力電子技術(shù)在智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用水平不高。智能微電網(wǎng)中使用大量的電力電子裝置作為接口。一方面，電力電子裝置的可控性有潛力為用戶提供更高的電能質(zhì)量；另一方面，電力電子裝置使智能微電網(wǎng)內(nèi)的分布式電源相對于傳統(tǒng)大發(fā)電機(jī)慣性很小或無慣性，在能量需求變化的瞬間分布式電源無法滿足其需求，所以智能微電網(wǎng)通常需要依賴儲能裝置來達(dá)到能量平衡。另外，基于電力電子器件的本身電氣特性和控制特點(diǎn)，通過逆變器接口的電源過載能力低，故障特性與旋轉(zhuǎn)發(fā)電設(shè)備具有明顯不同，從而使智能微電網(wǎng)運(yùn)行及故障特性與傳統(tǒng)電網(wǎng)有明顯區(qū)別，增加了繼電保護(hù)及自動化控制等方面的配置難度。

中國智能微電網(wǎng)的建設(shè)特點(diǎn)

此外，智能微電網(wǎng)的保護(hù)控制技術(shù)尚不成熟。

智能微電網(wǎng)的研究熱點(diǎn)

●智能微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)

智能微電網(wǎng)的運(yùn)行控制技術(shù)是智能微電網(wǎng)研究領(lǐng)域中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。智能微電網(wǎng)控制的基本要求是：任一微電源的接入，不對既有的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)造成明顯影響；能夠協(xié)調(diào)智能微電網(wǎng)的發(fā)電出力與負(fù)荷，自主選擇運(yùn)行點(diǎn)；能夠穩(wěn)定地在并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種模式下運(yùn)行，并在兩種模式之間平滑切換；可以對有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制；具有自主校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。目前，智能微電網(wǎng)已經(jīng)形成三類經(jīng)典的控制方法：基于電力電子技術(shù)“即插即用”和“對等”概念的控制方法，基于能量管理系統(tǒng)的控制，以及基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制。歐洲在2005年提出了智能微電網(wǎng)逆變電源的控制策略：PQ（定功率）控制策略和VSI（電壓源型逆變器）控制策略。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，VSI控制策略逐步由單臺VSI發(fā)展為多臺VSI，即提供參考電壓和頻率的逆變電源由一臺變?yōu)槎嗯_，從而進(jìn)一步提高了智能微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)的安全性和可靠性。

學(xué)術(shù)界已提出的智能微電網(wǎng)控制架構(gòu)主要有兩類：一類是以歐盟ICROGRIDS項目提出的微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）為代表的主從控制，可以是單主或多主模式；另一類是以美國CERTS微電網(wǎng)為代表的對等控制，各微源處的控制器都能響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷需求并自動分?jǐn)偳覠o須借助和其他微源間的通信。當(dāng)前，主從控制的研究主要圍繞MGCC為核心的控制體系展開，如將模糊理論用于微源本地控制器的設(shè)計、將最小化勢函數(shù)法用于MGCC的設(shè)計等。對等控制的研究重點(diǎn)是對傳統(tǒng)下垂控制器進(jìn)行改進(jìn)，如針對低壓線路呈阻性的特點(diǎn)，有學(xué)者提出了基于虛擬同步旋轉(zhuǎn)軸的解耦控制策略。

●智能微電網(wǎng)的穩(wěn)定性

當(dāng)前，對智能微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究多集中于小擾動穩(wěn)定性分析，研究手段大多為用狀態(tài)空間法對智能微電網(wǎng)系統(tǒng)建模，在平衡點(diǎn)處線性化后求出狀態(tài)矩陣的特征根來進(jìn)行穩(wěn)定性判定，并由此衍生出基于概率理論的穩(wěn)定分析算法，如點(diǎn)估計法。此外，現(xiàn)有研究大多針對智能微電網(wǎng)自身穩(wěn)定性而未涉及智能微電網(wǎng)與配網(wǎng)穩(wěn)定性的相互影響。

●智能微電網(wǎng)的建模仿真

智能微電網(wǎng)的建模仿真主要集中于微源本體建模和逆變器等電力電子接口建模。從工具上來看，以MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC為主。也有學(xué)者從較新的視角針對智能微電網(wǎng)某一專題采用多學(xué)科手段建模，如將風(fēng)電、光伏出力用概率分布進(jìn)行表征，并采用蒙特卡羅法對智能微電網(wǎng)供電可靠性進(jìn)行分析。借助負(fù)荷建模理論，利用元件的相似性對智能微電網(wǎng)整體建模，也是一種新穎的研究思路。

●智能微電網(wǎng)的繼電保護(hù)

智能微電網(wǎng)保護(hù)的研究源自對DG保護(hù)的研究。由于僅為少數(shù)DG保護(hù)進(jìn)行分散投資，無論是從成本還是保護(hù)配置維護(hù)上而言并不經(jīng)濟(jì)。因此，更好的解決方案是將眾DG構(gòu)成微電網(wǎng)，并視作整體來進(jìn)行保護(hù)設(shè)計。智能微電網(wǎng)保護(hù)的研究趨勢包括：在傳統(tǒng)方法上融入人工智能技術(shù)和新型暫態(tài)保護(hù)原理，以提高保護(hù)對方向信息的敏感性；基于分層分區(qū)或多代理思想的多級保護(hù)體系設(shè)計；直流智能微電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計。

智能微電網(wǎng)的投資熱點(diǎn)

●新能源/可再生能源發(fā)電

目前，智能微電網(wǎng)主要以多種可再生能源為主，電源輸入主要為光伏、風(fēng)力、氫、天然氣、沼氣等多種成熟發(fā)電技術(shù)。基于新能源的智能微電網(wǎng)技術(shù)成為投資的關(guān)注熱點(diǎn)，一是因為國家和地方推進(jìn)新能源領(lǐng)域的優(yōu)惠政策；二是新能源的成本近年來持續(xù)走低，產(chǎn)業(yè)化前景看好。

●儲能

儲能是智能微電網(wǎng)中不可缺少的一部分，它能夠起到削峰填谷的作用，極大地提高間歇式能源的利用效率?，F(xiàn)在的儲能主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能、超級電容器儲能。目前，較為成熟的儲能技術(shù)是鉛酸蓄電池，但有壽命短和鉛污染的問題。未來，高儲能、低成本、優(yōu)質(zhì)性能的石墨烯電池市場化將給儲能行業(yè)帶來春天。儲能技術(shù)目前發(fā)展成本高，世界各國都在攻關(guān)這項技術(shù)，但都有一個共同目的，那就是實現(xiàn)“低成本+高儲能”。

●智能微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度

與傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)不同，智能微電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)屬于橫向的多種能源互補(bǔ)的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，可充分挖掘和利用不同能源直接的互補(bǔ)替代性，不僅可以實現(xiàn)熱、電、冷的輸出，也可以實現(xiàn)光/電、熱/冷、風(fēng)/電、直流/交流的能源交換。各類能源在源—儲—荷各環(huán)節(jié)的分層有序梯級優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到能源利用效率最優(yōu)。

●智能微電網(wǎng)保護(hù)控制

智能微電網(wǎng)中有多個電源和多處負(fù)荷，負(fù)載的變化、電源的波動都需要通過儲能系統(tǒng)或外部電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這些電源的調(diào)節(jié)、切換和控制就是由智能微電網(wǎng)控制中心來完成的。智能微電網(wǎng)控制中心除了監(jiān)控每個新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和負(fù)載的電力參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和電力質(zhì)量與能量參數(shù)外，還要進(jìn)行節(jié)能和電力質(zhì)量的提高。

智能微電網(wǎng)是目前發(fā)展較快的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，智能微電網(wǎng)和大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，雙方互為備用，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，從而提高了供電的可靠性。智能微電網(wǎng)的悄然興起將從根本上改變傳統(tǒng)電網(wǎng)應(yīng)對負(fù)荷增長的方式，其在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性等方面具有巨大潛力。目前，微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)改革的新方向，市場化的進(jìn)程中必然會加快關(guān)鍵設(shè)備的性能。