【分布式能源与微网发展见识】面向能源互联网的微电网能量管理体系设计
编者按：分布式电源是推动能源供给革命、推动非化石能源跨越式发展的一种重要能源利用方式。“十三五”期间，我国分布式能源发展快速，各类试点层出不穷。新能源与统计研究所长期深耕分布式电源、微电网和综合能源系统的政策管理、规划运营和技术经济等方面研究。本专栏将围绕分布式发展潜力分析、分布式能源资源综合利用、综合能源系统、微电网调峰辅助服务等，结合相关研究成果和思考与读者共赴一场思想盛宴。
文章导读：全球应对气候变化的共同行动推动了以可再生能源发展为主体、以交通和热力部门电气化为支撑的绿色电气化浪潮。分布式能源与电动汽车等近年来得到快速发展，进一步助推了向能源互联网的发展转型。本文以此为背景，结合我国微电网发展的管理政策、技术标准和市场化改革环境，从管理、技术、市场三个维度入手，提出与我国能源转型变革相适应、与能源互联网的发展理念相契合的微电网能量管理系统三维框架。并在此基础上构建了微电网两阶段鲁棒优化模型，以应对系统运行中的不确定性，并通过案例分析验证了分布式发电运营模式、电动汽车智能充电等对提升微电网经济性的积极作用。
面向能源互联网的微电网能量管理体系设计
执笔人：洪博文
国网能源院
新能源与统计研究所
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微电网及其能量管理系统的定位
为应对大规模分布式能源和电动汽车接入所带来的技术、市场和监管等诸多挑战，未来电力系统的架构将发生根本性的变化，向“能源互联网”的方向演化。微电网是能源互联网重要的“细胞（cell）单元”，而微电网能量管理系统是微电网有效运行及实现对能源互联网支撑作用的核心环节。
如图1所示，能源互联网以智能电网（包括智能输电网和智能配电网）为中心，其边缘接入了包括虚拟电厂、工商业和居民负荷聚合体、电动汽车聚合体及微电网等在内的细胞单元，通过从输电网、配电网到细胞单元的层次化能量管理体系进行协调和管理。在能源互联网的架构中，微电网为高渗透率分布式能源和电动汽车的接入提供了重要的解决方案，对内协调各种特性各异的设备，对外与其他单元互动、交易或为整个网络提供辅助服务，支撑能源互联网的安全稳定经济运行。
图1 能源互联网总体架构示意图
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微电网能量管理系统的三维构架
尽管微电网被认为是一种技术解决方案，微电网发展面临的主要问题和挑战却不是技术问题，而是成本和经济性。事实上，我国微电网的发展经历了从技术验证到工程应用的发展历程，应用场景也从实验室到偏远山区和独立岛屿，再到城市园区的发展历程。尽管一些场景下离网微电网虽然相比并网方案更加经济和可行，但离网微电网并未获得好的经济回报。相反，并网型微电网由于电价原因反而具有一定的经济优势，这也是并网型微电网近年来受到示范工程和商业应用青睐的原因之一。因此，微电网在我国的发展不能简单理解为技术问题，而是与政策和市场密切相关的综合性问题。
作为微电网实现对分布式能源、负荷和通讯保护设施的管理和控制等各项功能的大脑，微电网能量管理系统的设计成为关键要素。从技术、管理和市场三个层面对微电网的发展环境进行剖析，是进行微电网能量管理系统设计的基本出发点。
①技术维度：微电网概念的核心，也是构建能源互联网框架的基础，更多的反映在能量流。微电网以一种更加灵活高效的组织方式控制和平衡本地的分布式能源和负荷，为用户提供更加可靠的能源供应，同时也更为充分的利用系统中的灵活性资源，对接入的配电网更为友好，可有效缓解分布式能源和电动汽车等大量接入对配电网的技术冲击（两个友好：用户友好、电网友好）。
②市场维度：体现微电网商业价值的关键，更多的反映在资金流，也是能源互联网开放、共享、对等理念的重要内容。与传统的微电网认识不同，在能源互联网的理念中，微电网同时也成为一类分布式能源集成商，而不仅仅是技术概念。
③管理维度：体现微电网管理优势的重要内容，更多的体现在信息流。微电网作为能源互联网中的一个基本单元，承担着大量分散、独立分布式能源和灵活性负荷的管理任务，大大降低了配电网的调度管理难度（避免维数灾），通过微电网与微电网、微电网与配电网的通讯和分层管理，更方便有效的实现系统整体的管理目标。
三个维度互相交织，不可分割。例如，实现微电网技术层面的优势离不开能量管理系统对信息的跟踪和决策。可以认为，技术层面、市场层面、管理层面的价值都是微电网能源管理系统不可或缺的组成部分，也是其价值所在。因此，本章我们将结合中国的技术、市场、政策等实际，提出对微电网能源管理系统的设计构架。
如图2所示，该框架充分发挥和展示了微电网作为分布式能源、灵活负荷和电动汽车管理者和集成商的作用，在服务用户、融入电网、参与市场等方面具有的经济可靠、安全友好、灵活高效等特征。
图2 面向能源互联网的微电网能量管理系统架构
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微电网经济性分析
在所构建的面向能源互联网的微电网能量管理系统架构的基础上，考虑可再生能源及用电负荷的不确定性，构建了多能微电网的两阶段鲁棒优化模型。对图3所示的工业园实际微电网进行仿真分析，结果如表1所示。
图3 某工业园实际微电网系统架构和组成
表1 不同场景下的运营成本（单位：元）
结果表明，微电网余电上网和直售电模式（表1场景二）相比传统模式（表1场景一）能显著提升微电网的经济效益，电动汽车的智能充电管理（表1场景三）也能进一步提升微电网的经济性。此外，仿真结果还表明所提鲁棒优化方法以牺牲非最差场景经济性为代价，提升了微电网运行方案的适应性。
需要指出的是，由于微电网能量管理系统离不开通讯和信息网络的支撑，未来还需要从信息物理系统的视角对其进行分析。此外，随着我国电力体制改革不断深入，市场机制和政策体系日趋成熟，仍需要不断对所提的微电网能量管理系统构架。
专家介绍
洪博文，工学博士，国网能源院高级研究员，国网能源互联网经济研究院六人组成员，国际可再生能源署可再生能源网络顾问，中国可再生能源学会、中国电机工程学会等的专委会成员。长期从事分布式能源、微电网、配电网和综合能源系统等领域的政策管理、规划运营和技术经济研究。参与承担国家发改委、国家电网公司的十余项重大课题，多次获得国家电网公司和北京市科学技术奖奖励。参与大量国内和国际著作编译。近年来发表SCI/EI检索论文等二十余篇，多次做客电力百家讲、接受中国能源报、中国电力报等的专访。
团队简介：国网能源院新能源与统计研究所专注新能源、分布式电源、储能和农村能源的政策管理、规划运营和市场机制研究，以及国际能源电力信息统计分析，撰写材料经国家电网有限公司上报多次获得中央领导重要批示，长期支撑国家政府部门和国家电网有限公司决策，多次获得国家发改委和国家能源局发来的感谢信。
新能源所高质量完成了国家发改委委托的《清洁能源多发满发研究》《分布式能源发展和利用研究》《电网侧储能关键技术及应用研究》等近百项重大课题研究任务，配合制定了《关于改善电力运行调节促进清洁能源多发满发的指导意见》《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》等多份政策文件，出版《中国新能源发电分析报告》《中国分布式电源和微电网发展前景及实现路径》《重塑电力市场-低碳电力系统转型过程中的市场设计与监管》《世界能源与电力发展状况分析》等著作二十余部。
新能源所三十余次获得北京市科学技术奖、国家能源局软科学研究优秀成果奖、中国管理科学学会管理科学奖、中国能源研究会学术创新奖等省部级奖项。多次获评国家电网有限公司先进班组、营销工作先进集体等集体荣誉，多人次获评国家电网有限公司发展工作先进个人等称号。
往期回顾
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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