為貫徹落實******提出的能源領域“四個革命、一個合作”,國家非常重視能源產業的創新發展,在清潔能源利用、電能替代、智慧能源建設等方面進行了有益探索和實踐,電動汽車、多能互補、微電網、能源互聯網等一批能源新業態蓬勃興起。園區微網是上述實踐的重要落地點。微網作為和外部電網、用戶友好互動的一種技術手段,集成了多種能源生產、傳輸、存儲、消費多個環節,有利于集中開展創新生產消費模式,探索培育發展動能。

目前依托“863計劃”、“973計劃”和自然基金等支持,我國已投資建設大量微網項目。但是當前我國推動能源互聯網和各類型園區微網建設過程中,主要存在以下2方面問題：1）對于微網的電能質量、功率控制、繼電保護等方面已制定國家標準,但是目前尚無規模化、可推廣的建設、運營模式可供借鑒參考。2）為保證電能質量和供電可靠性,微網往往需要投資建設大量儲能和控制設備,實用性、經濟性不強,亟需尋找較好的收支平衡點。因此,需要創新微網的運營模式,予以投資者合理回報途徑。

本文立足于我國新一輪電力體制改革和能源互聯網的背景,在《推進并網型微電網建設試行辦法》指導下,分析能源系統演化發展趨勢和微網在其中的地位,提出微網運營主體一體化和投資主體多元化的模式框架,從“源-網-荷-儲”優化控制運行、微平衡市場交易、內外兩級購售電、網對網輔助服務、內外兩級需求側響應、新型備用容量機制建立未來面向園區微網的“源-網-荷-儲”一體化運營模式,提出傳統運營模式和一體化運營模式下微網經濟性分析方法,通過算例分析證實一體化運營模式能夠增加微網收益來源,保障微網合理投資回報,將極大促進園區微網的健康和可持續發展。

1微網的概念特征和在能源系統演化發展中的地位

1.1微網的概念和特征

微網是一種靠近用戶側的微型綜合能源系統,涵蓋天然氣、太陽能、風能等一次能源及電力二次能源,涉及電、熱、氣多種能源輸配網絡和負荷需求、儲能、控制和保護設備及信息化平臺,以電能為核心,通過多能互聯、信息能量耦合及市場經濟引導,實現多能“供-需-儲”協調優化和自平衡。圖1為典型園區微網的示意圖,源側包括分布式光伏、小型風機等電源,燃氣三聯供系統,熱泵等熱源,沼氣池等氣源;儲側包括蓄電池、儲熱罐、蓄冷空調等儲電、儲熱(冷)和儲氣設備;網側包括電、熱(冷)、油氣等輸送網絡;荷側涵蓋多樣化智能終端;信息層包括大數據云計算平臺、微平衡市場交易系統和能量管理系統。微網包含以下4方面特征：

1）微型。系統規模小,并網電壓等級一般不大于35kV,容量一般不大于20MW。

2）清潔。以可再生能源為主,通過就近消納促進風光等清潔能源高比例滲透,通過燃氣三聯供系統實現多種能源綜合梯級利用,形成微網內部綠色低碳的能源生產和消費體系。

圖1微網示意圖

3）自治。可控性是分布式能源和微網的本質區別。通過能源管理系統對微網內源、網、荷、儲進行協調控制,微網具有能源供需自平衡和黑啟動能力,可實現自治獨立。

4）友好。微網和外部電網的能量交換在時空上呈現雙向靈活可控特性。微網是外部電網的有效補充,提高外部電網的可靠性和彈性;外部電網為微網提供保底供電服務。兩者形成網對網的相對獨立關系,雙向服務,相互支援支撐。

1.2能源系統演化發展趨勢和微網地位

1.2.1能源系統演化發展趨勢

隨著我國能源革命推進,能源領域將發生“鏈式”變革,未來能源系統演化發展趨勢將有以下3方面特征：

1）橫向多能互補,單一能源向綜合能源轉變。傳統能源系統依據能源類型劃分,供需各自平衡。通過源側風光水火儲多能互補系統和荷側終端一體化供能系統,實現多能協同供應和梯級利用,打破各類能源“相對獨立,各自為政”壁壘,形成能源集成耦合網絡。

2）縱向“源-網-荷-儲”協調,形成多能“供-需-儲”自平衡體。能源生產和消費界限不再清晰,功能角色間可相互替代兼容。能源主體在供需和價格引導下自主決策能源供應、消費和存儲,實現多能“供-需-儲”垂直一體化。能源主體由單一能源的生產、傳輸、存儲和消費者,向集多種能源生產、傳輸、存儲和消費為一身的自平衡體轉變。

3）集中與分布式相協調。傳統能源系統和主體間是自上而下集中式決策的資源配置模式。自平衡體首先通過“能源就近利用”實現分散化自我平衡,然后通過“能源自遠方來”實現不平衡能量交換。能源系統的結構將轉變為大系統協調分解的集中與分布式相協調。

1.2.2微網在能源系統演化發展中的地位

能源系統演化發展的基本單元是多能“供-需-儲”自平衡體,對應園區微網[12],如圖2所示。微網通過股權并購打破能源各自運營管控壁壘,利用互聯網和信息技術拉近能源生產和消費距離,形成園區內多能“供-需-儲”自平衡體。廣域范圍內自平衡體在信息和經濟激勵引導下,自主決策擴展,與其他能源主體或自平衡體實現物理網絡互聯,形成新互聯網絡、新自平衡體的過程,是能源系統演化發展的過程。能源系統演化發展是基于物理-信息-經濟耦合的多個自平衡體交互,自適應分散決策的結果。單個自平衡體與整個能源系統是個體與環境的關系,個體適應環境也造就環境。園區微網是能源系統演化發展的起點和落腳點。

圖2微網在能源系統演化發展中的地位

2微網運營一體化和投資多元化

目前我國已投資建設大量微網項目,其中大部分微網“源-網-荷-儲”各環節能源設施由單一主體投資建設運營。但是分布式能源、傳輸網絡、儲能等能源設施投資規模大,缺乏合理投資回報模式,微網項目主體將承擔較大投資風險。因此,本文提出微網運營一體化和投資多元化的模式框架。

2.1運營主體一體化

能源的供需實時平衡、規模經濟性決定微網運營主體應當唯一。

微網一體化運營主體(簡稱微網運營主體)可視為特殊目的公司,公司股東由微網多元化投資主體和社會資本組成。社會資本可與地方政府開展資本合作,以特許經營權的方式建設并運營微網項目。微網采取一體化運營,但是風險不再由單一主體承擔,微網運營主體的股權多元化將實現風險共擔和收益共享。

微網運營主體一體化要求微網運營主體與微網內部“源-網-荷-儲”各環節能源設施簽訂長期統一的委托運營協議,與用戶達成長期的用能協議,形成委托-代理關系,保障微網內部的垂直一體化。

2.2投資主體多元化

微網多元化投資,發電企業、電網企業、供熱企業、燃氣企業、能源設備制造企業、專業化能源服務企業、用戶等均可通過市場準入,參與投資建設微網“源-網-荷-儲”各環節能源設施。微網內分布式能源可由發電企業、能源設備制造企業等投資,也可由用戶自投;配電變電設施所有權依然可屬于電網企業;熱/氣網絡、儲能設備、智能用能及監測設備等也可由不同主體投資建設。

微網投資主體多元化,將有利于實現微網內“源-網-荷-儲”各環節能源設施投資建設主體的專業化,降低投資風險;促進微網資本所有權與經營權相分離,形成自負盈虧、自我約束的投資運營機制;突破能源基礎設施的行業和市場壁壘,降低準入門檻,激發社會資本活力,開辟微網全新投資空間,營造平等良好的投資環境。

圖3說明了微網運營主體一體化和投資主體多元化的關系。

圖3微網投資主體多元化和運營主體一體化的關系

2.3一體化運營主體責任

微網一體化運營本質上是多能“供-需-儲”自平衡體的自我集中式管理。以微網的產權分界點為界限,微網一體化主體對內對外扮演不同的角色,承擔不同的責任,如圖4所示。

1）微網一體化運營主體對內的責任。

微網運營主體在微網內部作用類似于電網企業“調度中心+交易中心+營銷部門”。作為微網“調度中心”,以并網點為分界點,負責內部能源供需實時平衡,促進“源-網-荷-儲”協調優化控制運行,保障供能可靠性和質量水平;作為微網“交易中心”,負責制定微網內部電、熱(冷)、氣等多種能源交易規則,組織微網內部微平衡市場交易,公開市場信息,管理市場交易合同,負責交易結算和清算;作為微網“營銷部門”,滿足微網內部用戶基本的用能需求,提供能源計量、運維檢修等多樣化的能源服務及增值服務。

2）微網一體化運營主體對外的責任。

微網運營主體與微網內部“源-網-荷-儲”各元件的委托-代理關系,決定微網運營主體是微網內外雙向互動的獨立主體和媒介。微網運營主體負責微網與外部電網、其他微網、發電企業、售電公司等主體之間的能量、信息、價值交換。微網運營主體作為發配售一體化的售電企業,參與外部電力市場,代理微網電源或用戶進行購售電交易;作為獨立的輔助服務提供商,與電網企業簽訂遠期雙邊合同或參與輔助服務市場,獲得輔助服務補償;作為外部電網的友好用戶,獲得公平的電網接入服務,向外部電網調度中心上報必要的運行信息,服從外部電網調度中心的統一調度,同時微網整體對峰谷分時電價等需求側管理措施進行響應。

圖4微網一體化運營主體的職責

3微網“源-網-荷-儲”一體化運營

運營主體一體化保障微網的統一自治;投資主體多元化保障微網的風險共擔,收益共享。微網傳統運營模式為“自發自用,余量上網”,其收益以能源供給收益為主,缺乏經濟性。本文在微網傳統運營模式的基礎上,提出包括“源-網-荷-儲”優化控制運行、微平衡市場交易、內外兩級購售電、網對網輔助服務、內外兩級需求響應和新型備用容量機制的“源-網-荷-儲”一體化運營模式,為微網提供合理的投資回報途徑。

3.1“源-網-荷-儲”優化控制運行

微網運營主體保障微網內能源供需實時平衡,通過“源-網-荷-儲”優化控制運行,減少棄風棄光率,降低微網運行成本,促進節能減排,實現技術、經濟、環境等綜合效益最大化,如圖5所示。

無論獨立運行還是并網運行,微網運營主體應當滿足微網內部多種能源的負荷需求,對狀態偏離、設備故障等意外事件具有不平衡校正能力,實現微網內部“源-網-荷-儲”各元件的自適應主動控制,符合電、熱(熱)、氣多種能源供應的安全可靠性和質量水平要求;實現微網獨立/并網運行模式的平滑切換,有效減少微網和外部電網并列/脫離過。

圖5微網“源-網-荷-儲”優化控制運行程中的暫態振蕩。

3.2微平衡市場交易

微網優勢之一是促進分布式能源的就地消納,目前微網內風光等分布式能源主要采取“自發自用,余量上網”的運營模式,富余或不足部分電量由外部電網接收或提供。

微網運營主體掌握園區微網內能源供需和市場價格信息,通過構建計及電、熱、氣等多種能源的微平衡市場交易平臺,組織園區微網內工業、商業、居民等各類型用戶和分布式光伏、分散式風電、燃氣三聯供系統等分布式能源及儲能資源,通過微平衡市場進行局部自主交易[11]。購售雙方通過自主協商,確定交易量、結算價格等信息;分布式能源和用戶可委托微網運營主體,代理參與微平衡市場交易,簽訂轉購售能源合同。同時,微網運營主體收取一定微網內部能源輸配“過網費”,三方共同簽訂供用能合同。

相比于“自發自用,余量上網”模式,微平衡市場交易將減少與外部電網之間的不平衡能量交換,盡可能實現在微網內部范圍的就近利用。微平衡市場交易下微網的電量安排如圖6所示。

圖6微平衡市場交易下微網的電量安排

3.3內外兩級購售電

未參與電力市場前,微網內部分布式能源上網電量以當地燃煤發電機組標桿上網電價結算,外購電量以目錄銷售電價(考慮峰谷分時)結算。

隨著發用電計劃不斷放開,以及中長期電力交易開展,微網運營主體通過集成微網范圍內富余的發電量和不平衡的用電量,達到市場準入條件,以“售電公司”身份,代理微網內部分布式能源和用戶參與外部電力市場購售電交易。在電力市場中,微網運營主體和傳統發電企業和用戶具有相同市場地位,通過制定合理的交易策略,獲得購售電價差額的收益。

3.4網對網輔助服務

外部電網調度中心根據電力系統運行需要,確定系統調峰、備用等多種輔助服務需求量,微網運營主體以獨立輔助服務提供者的市場主體身份,通過遠期雙邊合同或者短期輔助服務市場競價的方式,為外部電網提供輔助服務,并獲得相應的輔助服務補償。

微網內部擁有多種分布式能源,具有供需自我平衡運行的能力,能夠為外部電網提供黑啟動輔助服務;微網運營主體可利用儲能設備,為外部電網提供可中斷負荷輔助服務。與燃煤火電機組等傳統的輔助服務提供者相比,微網響應速率更快,靈活性更強,更易于負荷匹配。

微網和外部電網之間的關系,不再是傳統“電網-用戶”單向服務的關系,將是一種網對網相對獨立且平等的關系。外部電網為微網平衡富余或不足電量,提供兜底服務;微網為外部電網提供輔助服務。微網和外部電網之間互為備用,雙向服務。

3.5內外兩級需求側響應

內外兩級需求側響應是指：在微網內部,微網運營主體發布微網內部需求側管理措施,主動引導用戶削峰填谷,優化微網自身的負荷特性;在微網外部,微網作為一個整體參與所在地區的需求側響應政策。

以峰谷分時電價為例,外部電網的峰谷分時電價政策比較粗獷,微網運營主體可根據微網內部用戶的負荷曲線及需求側響應特性,精細化制定微網內部的高峰/低谷電價時段和峰/谷/平電價之比,減少微網與外部電網不平衡電量交換曲線的峰谷差,內外峰谷分時電價的差價即為微網運營主體在微網內部實施需求側管理措施的投資回報。

內外兩級需求側響應機制能夠有效協調微網內外資源,實現大系統從局部到整體的多級最優化目標,從而提升系統整體的能源利用效率。

3.6新型備用容量機制

傳統運營模式下微網并網點變壓器按容量申報;微網運營主體通過儲能、主動控制等技術或經濟手段,在一定范圍內自由調節微網和和外部電網之間的不平衡電量交換曲線,并與電網企業開展自主協商,變壓器容量根據微網自平衡情況按最大需量進行申報,統一繳納相應的備用容量費用。

新型備用容量機制是對微網能量精準優化控制技術的考驗,微網自平衡能力越強,繳納的備用容量費用越少。傳統微網內儲能的收益主要來自于移峰填谷后購電成本的減少。新型備用容量機制將為儲能在微網中的應用提供嶄新的投資回報模式,將極大促進儲能設備的發展。

4微網運營模式經濟性分析

傳統運營模式成本包括投資建設成本、運維成本、外購電成本以及容量成本,收益包括自發自用收益、上網電量收益、內部售電收益和補貼收益。

一體化運營模式成本包括投資建設成本、運維成本、外購電成本以及自主申報的容量成本,收益包括自發自用收益、外部售電收益、內部售電收益、“過網費”收益、輔助服務補償收益和補貼收益。

表1傳統運營模式和一體化運營模式的成本收益

4.1傳統運營模式成本收益分析

4.2“源-網-荷-儲”一體化運營模式成本收益分析

4.3兩種運營模式經濟性分析

5算例分析

5.1基本參數

目前涉及電、熱、氣多種能源的微網項目不多,本文僅以一個電能為主要能源的微網項目為例。

1）項目概況。

微網分為3塊區域,均為大工業用戶,電壓等級為10kV,最大負荷為11.13MW。項目壽命周期為20年,設備綜合造價及相關成本參考當地標準,基準折現率取7%。傳統運營模式下微網項目總投資約1.62億元,其中源側約14500萬元,網側投約310萬元,儲側約900萬元,信息化平臺(能量管理系統)約500萬元;一體化運營模式總投資約1.68億元,其中源網儲側投資變化不大,信息化平臺(大數據云計算平臺、微平衡市場交易系統、能量管理系統)約1100萬元。圖7為微網接線方案示意圖。

2）設備規模和投資主體。

微網內分布式光伏裝機容量為10MW,分散式風電裝機容量為16MW,儲能裝機容量為6MW,并網點35kV/10kV變電站容量為16MW。電源、輸配電設備、儲能、信息化平臺等由不同主體投資。表2為微網設備規模和投資主體情況。

圖7微網接線方案

表2微網設備規模和投資主體

3）負荷及電源出力。

圖8為四季典型日微網風光出力和負荷曲線。

4）電價。

由于我國電力體制改革尚在推進過程中,本算例中相關電價參照國外成熟市場數據折算得到。外部電網大工業銷售電價高峰時段為8:00—12:00和17:00—20:00,平段時段為12:00—17:00和20:00—24:00,低谷時段為0:00—8:00,峰/平/谷電價比為1.67:1:0.49;微網內部銷售電價高峰時段為20:00—24:00和0:00—5:00,平段時段為5:00—10:00和16:00—20:00,低谷時段為10:00—16:00,峰/平/谷電價比為1.5:1:0.5。表3為電價情況。

5）微平衡市場交易和可中斷負荷。

表4為微平衡市場交易情況。表5為微網和外部電網簽訂的可中斷負荷合同情況。

圖8四季典型日微網風光出力和負荷曲線

表3電價

表4微平衡市場交易

表5可中斷負荷合同

5.2分析結果

圖9和圖10為傳統運營模式和一體化運營模式下,春、夏、秋、冬四季典型日微網的運行情況(儲能出力負值表示充電,內外交換負荷負值表示外。

圖9傳統運營模式下微網運行情況

圖10一體化運營模式下微網運行情況部電網供電

圖11和表6為傳統運營模式和一體化運營模式下,微網的成本/收益年值以及經濟性對比情況。

分析可知,一體化運營模式下不平衡電量交換曲線的最大峰谷差為9.31MW,傳統運營模式下不平衡電量交換曲線的最大峰谷差為10.14MW,微網和外部電網之間的電量交換更加友好。2種運營模式下微網的成本差異不大,但是一體化運營模式下微網的年收益比傳統模式多536萬元,凈現值、內部收益率和投資回收期等經濟指標均好于傳統運營模式,收益來源更加多樣化,其中,微平衡市場交易和內外兩級購售電的收益相對較多。傳統運營模式下投資儲能、信息化平臺等設備,但是缺少合理的運營模式,經濟效益并不好;一體化運營模式下,通過微平衡市場交易、內外兩級購售電、網對網輔助服務、內外兩級需求側響應、新型備用容量等機制,能夠實現微網的投資回報及增值。

圖11兩種運營模式下微網的成本/收益年值

表6兩種運營模式下微網的經濟性

6結語

本文立足于我國新一輪電力體制改革和能源互聯網的背景,提出微網運營主體一體化和投資主體多元化的模式框架,以及包括“源-網-荷-儲”優化控制運行、微平衡市場交易、內外兩級購售電、網對網輔助服務、內外兩級需求側響應、新型備用容量機制的微網“源-網-荷-儲”一體化運營模式,將減少投資風險,實現合理投資回報,為微網提供一條可復制、可推廣、可持續的發展路徑。

微網“源-網-荷-儲”一體化運營及投資回報的核心,不是從政府補貼中,而是從電價中賺取,其關鍵是分布式能源就近消納以及微網和外部電網間不平衡電量交換曲線。微平衡市場交易為微網內部分布式能源就近消納提供全新模式。對內實現微網自平衡,對外具有一條靈活可控的交換曲線,是微網增收的根本。微網和外部電網間不平衡電量交換曲線越友好,微網一體化運營收益越高。

微網“源-網-荷-儲”一體化運營模式將為微網內部分布式能源、儲能等技術提供了廣闊的環境和平臺。目前我國正處于電力體制改革和能源互聯網的能源領域轉型關鍵時期,還需要通過建立并完善相關市場機制及政策法規,支撐并保障微網“源-網-荷-儲”一體化運營模式的應用和微網的發展。