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微网—未来能源互联网系统中的“有机细胞”

时间:2017-12-27    作者:吴博士    来源:未知

作为未来智能电网的有机单元,微网技术自上世纪九十年代末期提出以来,特别是经近十年来国内外广泛深入的研究、开发与技术示范,得到了快速的发展。同时,传统电力系统也经历了可再生能源渗透率不断提高,需求侧管理技术、信息技术和控制技术广泛应用的重大变革,并正向能源互联网系统(energy interconnection system,EIS)演变。本文从微网与能源互联网系统在内涵上互相渗透、联系的视角,综述了二者发展现状,并分别总结了二者的典型特征。进一步从位置本地性、源荷多元性、结构多样性、运行灵活性、整体可控性、电网交互性等方面分析了微网在未来能源互联网中的“有机细胞”作用,包括改善电能质量,提高电网可靠性与弹性,增加不同区域之间能量的协调调度、增加负荷的主动调控能力、承载信息双向流动、提高能源总体利用效率等;总结了微网互联构成能源互联网的可能的几种典型形式,最后对支撑能源互联网发展的微网关键技术与设备进行了评述和展望。

1EIS和微网发展现状和典型特征

在需求牵引、技术支持和机制驱动三驾马车拉动下,EIS得到了世界广泛关注,发展迅速。根据信息与能源系统融合紧密程度和各自特点,本文将现有EIS概念划分成两类:一类主要侧重能源网,以信息互联网体系为指导或是少量利用互联网技术的EIS,称为能源优先EIS,记做I类EIS;另一类主要侧重信息互联网,利用信息通信技术(information and communication technology,ICT)实现能源系统优化运行的EIS,称之为信息优先EIS,记为II类EIS。图1梳理了2008年以来国内外主要EIS项目及其分类。

图1 EIS概念发展总况

从现有EIS系统可进一步总结EIS的典型特征,包括:ICT技术广泛应用、能源互联互补、可再生能源高渗透、双向能量和信息流、以电力系统为核心。

微网是可实现本地能量供需平衡的独立可控系统,既可以是仅包含电能终端的微网,也可以是包含冷/热/电/气等多种终端的多能源微网。自微网概念提出以来,特别是经近十年来国内外广泛深入的研究、开发与技术示范,微网得到了快速发展。截至2017年6月,全球共建有1842个微网项目,已投运微网容量达19.3GW。微网的典型特征可总结为位置本地性、源荷多元性、结构多样性、运行灵活性、整体可控性以及电网交互性等六大典型特征。

2微网在EIS中的“有机细胞”作用

微网经十几年的发展,具备了EIS所有必备要素,如多能互补、双向能流、借助微网能量管理技术实现双向信息流指导微网优化运行等,可自主实现“细胞”内能量平衡,初步实现了EIS功能化,因而建设微网是构建EIS的优选和先遣方案。每个独立微网是广域EIS的“有机细胞”,宏观上“细胞”可看作整体可控的虚拟源/荷,互连而成的“细胞群”具有更大灵活性和可控性。微网具有的六大特征与EIS的建设要点高度契合,具体如表1所示。

表1微网对EIS的支撑

微网在EIS中发挥的具体作用包括:①微网改善电能质量;②微网可提高电网可靠性和弹性;③微网可增强不同区域间能量协调互动能力;④微网可实现负荷的主动调控;⑤微网是信息双向流动的有效载体。

微网需通过“细胞”间的互联才能组成EIS这一有机“组织”。本文将微网互联形式分成三类,并给出含三种微网互联形式的典型EIS场景,如图2所示。

图2基于互联微网的典型EIS场景

3支撑EIS的微网关键技术和装备

从微网到EIS需要能源产、输、配、储、用一系列革新性技术及设备提供支持,本节将对微网中支撑EIS发展的关键技术和设备进行梳理,对未来需继续深入探索的领域进行展望。

1)微网可再生能源消纳技术的创新。包括微网多能源系统优化配置方法,高精度、多时间尺度风光功率等可再生能源出力及负荷预测技术,面向EIS的运行控制和能量管理技术。

2)能源变换新技术新装备的开发。EIS能源变换包括电-电变换以及电-非电变换新技术新设备将助力EIS可再生能源高渗透、各主体对等接入、能量双向流动、结构灵活多样和用户友好管理,主要新技术趋势包括:基于新型器件如碳化硅、氮化镓和新型拓扑的可再生能源高效并网变换器和EV入网接口研制,兼有电网稳定支撑、电能质量管理、故障穿越能力、信息交互等多功能集成的统一控制算法开发,多机并联谐振机理及抑制策略研究,基于电力电子变换器的智能软开关(softopenpoint,SOP)拓扑、控制及应用,基于“电气弹簧(electricspring,ES)”的智能负荷控制技术,高效能量路由器(energyrouter,ER)拓扑和控制,能量集线器(energyhub,EH)技术。

3)传统储能和广义虚拟储能技术的协同。储能是EIS的关键使能技术,可实现能量的时空转移,应继续关注传统储能并积极探索广义虚拟储能技术,注重二者协同互补,并探索可能的新型储能商业模式如云储能等。

4)信息通信技术与能源系统的融合。EIS是典型的多维复杂信息物理系统,其一系列更高层次能源服务的提供离不开信息通信技术与所依附能源系统的深度融合,主要新技术新趋势包括:信息快速准确获取和传输共享技术,大数据和云技术在EIS中的应用,区块链技术在EIS中的应用,信息物理混杂系统融合建模方法。

5)能源交易模式的创新。EIS发展的一个愿景是在能源共享平台上实现能源灵活交易,基于区块链的TransActiveGrid系统及transactiveenergy交易模式值得探索。未来可研究将基于多因子评价方法的合同网竞标机制作为transanctiveenergy节点间的交易机制的可行性,在解决多节点之间供求状态平衡的同时保证参与者与系统的整体利益相容。

6)EIS经济性分析。经济性是影响未来EIS发展的重要因素之一。要进一步完善含建设成本、运维成本和能源交易等直接经济指标和环境效益、可靠性指标等间接经济指标的指标体系,建立健全多场景EIS适用的统一经济性评价方法;另外在EIS中,能量和信息可以双向流动,使得能源交易在子微网内、多子微网间、子微网与上层电网间成为可能,且储能系统(含电动汽车)的加入使得EIS运行更灵活,应在创新性能源交易模式和储能商业模式基础上进一步探索兼顾各主体利益的经济性改善策略。

4结语

本文通过对近十年来国内外微网技术发展现状的梳理并与EIS技术内涵的对比分析,预计微网未来将演化为可以复制的EIS的“有机细胞”。在拓展微网向EIS互联、演变过程中,还需要发展新的支撑技术与装备,尤其应重视多能源系统的规划设计、多能变换、多能耦合机理分析、多能能量管理等技术攻关,打破单一能源系统间藩篱,并同时构建与多能EIS系统匹配的商业模式和能源交易平台,真正推动源-网-储-荷协调发展、多能集成互补、能量梯级利用的EIS系统健康、有序发展。

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