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 摘要：園區(qū)微網(wǎng)是多能互補、能源互聯(lián)網(wǎng)等能源新業(yè)態(tài)的重要落地點。但是目前我國微網(wǎng)運營缺乏成熟的運營模式和合理的投資回報途徑。立足于我國新一輪電力體制改革和能源互聯(lián)網(wǎng)的背景,分析微網(wǎng)的概念特征以及在能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢中地位,提出微網(wǎng)運營主體一體化和投資主體多元化的模式框架,從“源-網(wǎng)-荷-儲”優(yōu)化控制運行、微平衡市場交易、內(nèi)外兩級購售電、網(wǎng)對網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量機制建立面向園區(qū)微網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”一體化運營模式,提出傳統(tǒng)運營模式和一體化運營模式下微網(wǎng)經(jīng)濟性分析方法,通過算例分析驗證一體化運營模式能夠增加微網(wǎng)收益來源,保障微網(wǎng)合理的投資回報,將極大促進園區(qū)微網(wǎng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。

0引言

為貫徹落實習(xí)近平總書記提出的能源領(lǐng)域“四個革命、一個合作”[1],國家非常重視能源產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,在清潔能源利用、電能替代、智慧能源建設(shè)等方面進行了有益探索和實踐,電動汽車、多能互補[2-3]、微電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)[4-5]等一批能源新業(yè)態(tài)蓬勃興起。園區(qū)微網(wǎng)是上述實踐的重要落地點。微網(wǎng)作為和外部電網(wǎng)、用戶友好互動的一種技術(shù)手段[6],集成了多種能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費多個環(huán)節(jié),有利于集中開展創(chuàng)新生產(chǎn)消費模式,探索培育發(fā)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(shè)大量微網(wǎng)項目。但是當(dāng)前我國推動能源互聯(lián)網(wǎng)和各類型園區(qū)微網(wǎng)建設(shè)過程中,主要存在以下2方面問題：1)對于微網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率控制、繼電保護等方面已制定國家標(biāo)準(zhǔn),但是目前尚無規(guī)�；�、可推廣的建設(shè)、運營模式可供借鑒參考。2)為保證電能質(zhì)量和供電可靠性,微網(wǎng)往往需要投資建設(shè)大量儲能和控制設(shè)備,實用性、經(jīng)濟性不強,亟需尋找較好的收支平衡點。因此,需要創(chuàng)新微網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的背景,在《推進并網(wǎng)型微電網(wǎng)建設(shè)試行辦法》指導(dǎo)下[7],分析能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢和微網(wǎng)在其中的地位,提出微網(wǎng)運營主體一體化和投資主體多元化的模式框架,從“源-網(wǎng)-荷-儲”優(yōu)化控制運行、微平衡市場交易、內(nèi)外兩級購售電、網(wǎng)對網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量機制建立未來面向園區(qū)微網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”一體化運營模式,提出傳統(tǒng)運營模式和一體化運營模式下微網(wǎng)經(jīng)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(wǎng)收益來源,保障微網(wǎng)合理投資回報,將極大促進園區(qū)微網(wǎng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。

1微網(wǎng)的概念特征和在能源系統(tǒng)演化發(fā)展中的地位

1.1微網(wǎng)的概念和特征

微網(wǎng)是一種靠近用戶側(cè)的微型綜合能源系統(tǒng),涵蓋天然氣、太陽能、風(fēng)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(wǎng)絡(luò)和負荷需求、儲能、控制和保護設(shè)備及信息化平臺,以電能為核心,通過多能互聯(lián)、信息能量耦合及市場經(jīng)濟引導(dǎo),實現(xiàn)多能“供-需-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化和自平衡。圖1為典型園區(qū)微網(wǎng)的示意圖,源側(cè)包括分布式光伏、小型風(fēng)機等電源,燃氣三聯(lián)供系統(tǒng),熱泵等熱源,沼氣池等氣源;儲側(cè)包括蓄電池、儲熱罐、蓄冷空調(diào)等儲電、儲熱(冷)和儲氣設(shè)備;網(wǎng)側(cè)包括電、熱(冷)、油氣等輸送網(wǎng)絡(luò);荷側(cè)涵蓋多樣化智能終端;信息層包括大數(shù)據(jù)云計算平臺、微平衡市場交易系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。微網(wǎng)包含以下4方面特征：

1)微型。系統(tǒng)規(guī)模小,并網(wǎng)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(fēng)光等清潔能源高比例滲透,通過燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)多種能源綜合梯級利用,形成微網(wǎng)內(nèi)部綠色低碳的能源生產(chǎn)和消費體系。

圖1微網(wǎng)示意圖

3)自治�？煽匦允欠植际侥茉�(distributedenergyresources,DER)和微網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別。通過能源管理系統(tǒng)(energymanagementsystem,EMS)對微網(wǎng)內(nèi)源、網(wǎng)、荷、儲進行協(xié)調(diào)控制,微網(wǎng)具有能源供需自平衡和黑啟動能力,可實現(xiàn)自治獨立。

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

1.2能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢和微網(wǎng)地位

1.2.1能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢

隨著我國能源革命推進,能源領(lǐng)域?qū)�發(fā)生“鏈?zhǔn)?rdquo;變革,未來能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢將有以下3方面特征[8-9]：

1)橫向多能互補,單一能源向綜合能源轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)依據(jù)能源類型劃分,供需各自平衡。通過源側(cè)風(fēng)光水火儲多能互補系統(tǒng)和荷側(cè)終端一體化供能系統(tǒng),實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)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(wǎng)絡(luò)[10]。

2)縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào),形成多能“供-需-儲”自平衡體。能源生產(chǎn)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(dǎo)下自主決策能源供應(yīng)、消費和存儲,實現(xiàn)多能“供-需-儲”垂直一體化[11]。能源主體由單一能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費者,向集多種能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費為一身的自平衡體轉(zhuǎn)變。

3)集中與分布式相協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)和主體間是自上而下集中式?jīng)Q策的資源配置模式。自平衡體首先通過“能源就近利用”實現(xiàn)分散化自我平衡,然后通過“能源自遠方來”實現(xiàn)不平衡能量交換。能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)榇笙到y(tǒng)協(xié)調(diào)分解的集中與分布式相協(xié)調(diào)。

1.2.2微網(wǎng)在能源系統(tǒng)演化發(fā)展中的地位 

能源系統(tǒng)演化發(fā)展的基本單元是多能“供-需-儲”自平衡體,對應(yīng)園區(qū)微網(wǎng)[12],如圖2所示。微網(wǎng)通過股權(quán)并購打破能源各自運營管控壁壘,利用互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)拉近能源生產(chǎn)和消費距離,形成園區(qū)內(nèi)多能“供-需-儲”自平衡體。廣域范圍內(nèi)自平衡體在信息和經(jīng)濟激勵引導(dǎo)下,自主決策擴展,與其他能源主體或自平衡體實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),形成新互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、新自平衡體的過程,是能源系統(tǒng)演化發(fā)展的過程。能源系統(tǒng)演化發(fā)展是基于物理-信息-經(jīng)濟耦合的多個自平衡體交互,自適應(yīng)分散決。

圖2微網(wǎng)在能源系統(tǒng)演化發(fā)展中的地位

策的結(jié)果。單個自平衡體與整個能源系統(tǒng)是個體與環(huán)境的關(guān)系,個體適應(yīng)環(huán)境也造就環(huán)境。園區(qū)微網(wǎng)是能源系統(tǒng)演化發(fā)展的起點和落腳點。

2微網(wǎng)運營一體化和投資多元化

目前我國已投資建設(shè)大量微網(wǎng)項目,其中大部分微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施由單一主體投資建設(shè)運營。但是分布式能源、傳輸網(wǎng)絡(luò)、儲能等能源設(shè)施投資規(guī)模大,缺乏合理投資回報模式,微網(wǎng)項目主體將承擔(dān)較大投資風(fēng)險。因此,本文提出微網(wǎng)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(guī)模經(jīng)濟性決定微網(wǎng)運營主體應(yīng)當(dāng)。

微網(wǎng)一體化運營主體(簡稱微網(wǎng)運營主體)可視為特殊目的公司(specialpurposevehicle,SPV),公司股東由微網(wǎng)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(public-private-partnership,PPP),以特許經(jīng)營權(quán)的方式建設(shè)并運營微網(wǎng)項目。微網(wǎng)采取一體化運營,但是風(fēng)險不再由單一主體承擔(dān),微網(wǎng)運營主體的股權(quán)多元化將實現(xiàn)風(fēng)險共擔(dān)和收益共享。

微網(wǎng)運營主體一體化要求微網(wǎng)運營主體與微網(wǎng)內(nèi)部“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施簽訂長期統(tǒng)一的委托運營協(xié)議,與用戶達成長期的用能協(xié)議,形成委托-代理關(guān)系,保障微網(wǎng)內(nèi)部的垂直一體化。

2.2投資主體多元化

微網(wǎng)多元化投資,發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、供熱企業(yè)、燃氣企業(yè)、能源設(shè)備制造企業(yè)、專業(yè)化能源服務(wù)企業(yè)(energyservicecompany,ESCO)、用戶等均可通過市場準(zhǔn)入,參與投資建設(shè)微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施。微網(wǎng)內(nèi)分布式能源可由發(fā)電企業(yè)、能源設(shè)備制造企業(yè)等投資,也可由用戶自投;配電變電設(shè)施所有權(quán)依然可屬于電網(wǎng)企業(yè);熱/氣網(wǎng)絡(luò)、儲能設(shè)備、智能用能及監(jiān)測設(shè)備等也可由不同主體投資建設(shè)[13]。

微網(wǎng)投資主體多元化,將有利于實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施投資建設(shè)主體的專業(yè)化,降低投資風(fēng)險;促進微網(wǎng)資本所有權(quán)與經(jīng)營權(quán)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(chǔ)設(shè)施的行業(yè)和市場壁壘,降低準(zhǔn)入門檻,激發(fā)社會資本活力,開辟微網(wǎng)全新投資空間,營造平等良好的投資環(huán)境。 

圖3說明了微網(wǎng)運營主體一體化和投資主體多元化的關(guān)系。

圖3微網(wǎng)投資主體多元化和運營主體一體化的關(guān)系