面向园区微网的源网荷储一体化运营模式.docx

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1、面向园区微网的源-网荷储”一体化运营模式刘敦楠，徐尔丰，许小峰新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),北京市昌平区102206文章编号:1000-3673(2018)03-0681-09中图分类号:TM721摘要园区微网是多能互补、能源互联网等能源新业态的重要落地点。但是目前我国微网运营缺乏成熟的运营模式和合理的投资回报途径。立足于我国新一轮电力体制改革和能源互联网的背景,分析微网的概念特征以及在能源系统演化发展趋势中地位,提出微网运营主体一体化和投资主体多元化的模式框架,从“源-网-荷-储”优化控制运行、微平衡市场交易、内外两级购售电、网对网辅助服务、内外两级需求侧响应、新型备用容量机

2、制建立面向园区微网的“源-网-荷-储”一体化运营模式，提出传统运营模式和一体化运营模式下微网经济性分析方法，通过算例分析验证一体化运营模式能够增加微网收益来源,保障微网合理的投资回报，将极大促进园区微网的健康和可持续发展。关键词：微网；“源-网-荷-储”一体化运营模式；微平衡市场交易；内外两级购售电；内外两级需求侧响应；。引言为贯彻落实习近平总书记提出的能源领域“四个革命、一个合作”，国家非常重视能源产业的创新发展，在清洁能源利用、电能替代、智慧能源建设等方面进行了有益探索和实践，电动汽车、多能互补匕叫微电网、能源互联网3等一批能源新业态蓬勃兴起。园区微网是上述实践的重要落地点。微网作为和外部

3、电网、用户友好互动的一种技术手段,集成了多种能源生产、传输、存储、消费多个环节，有利于集中开展创新生产消费模式，探索培育发展动能。目前依托“863计划”、“973计划”和自然基金等支持，我国已投资建设大量微网项目。但是当前我国推动能源互联网和各类型园区微网建设过程中，主要存在以下2方面问题：1）对于微网的电能质量、功率控制、继电保护等方面已制定国家标准,但是目前尚无规模化、可推广的建设、运营模式可供借鉴参考。2）为保证电能质量和供电可靠性,微网往往需要投资建设大量储能和控制设备，实用性、经济性不强,亟需寻找较好的收支平衡点。因此，需要创新微网的运营模式，予以投资者合理回报途径。本文立足于我国新

4、一轮电力体制改革和能源互联网的背景,在推进并网型微电网建设试行办法指导下7,分析能源系统演化发展趋势和微网在其中的地位,提出微网运营主体一体化和投资主体多元化的模式框架,从“源-网-荷-储”优化控制运行、微平衡市场交易、内外两级购售电、网对网辅助服务、内外两级需求侧响应、新型备用容量机制建立未来面向园区微网的“源-网-荷-储”一体化运营模式，提出传统运营模式和一体化运营模式下微网经济性分析方法，通过算例分析证实一体化运营模式能够增加微网收益来源,保障微网合理投资回报,将极大促进园区微网的健康和可持续发展。1微网的概念特征和在能源系统演化发展中的地位1.1 微网的概念和特征微网是一种靠近用户侧的

5、微型综合能源系统,涵盖天然气、太阳能、风能等一次能源及电力二次能源,涉及电、热、气多种能源输配网络和负荷需求、储能、控制和保护设备及信息化平台，以电能为核心，通过多能互联、信息能量耦合及市场经济引导，实现多能“供-需-储”协调优化和自平衡。图1为典型园区微网的示意图，源侧包括分布式光伏、小型风机等电源,燃气三联供系统,热泵等热源,沼气池等气源;储侧包括蓄电池、储热罐、蓄冷空调等储电、储热（冷）和储气设备；网侧包括电、热（冷）、油气等输送网络;荷侧涵盖多样化智能终端;信息层包括大数据云计算平台、微平衡市场交易系统和能量管理系统。微网包含以下4方面特征：1)微型。系统规模小，并网电压等级一般不大于

6、35kV,容量一般不大于20MW。2)清洁。以可再生能源为主，通过就近消纳促进风光等清洁能源高比例渗透,通过燃气三联供系统实现多种能源综合梯级利用，形成微网内部绿色低碳的能源生产和消费体系。能量流信息流图1微网示意图Fig.1Schematicdiagramofmicrogrid3)自治。可控性是分布式能源(distributedenergyresources,DER)和微网的本质区别。通过能源管理系统(energymanagementSySten,EMS)对微网内源、网、荷、储进行协调控制，微网具有能源供需自平衡和黑启动能力，可实现自治独立。4)友好。微网和外部电网的能量交换在时空上呈现双向

7、灵活可控特性。微网是外部电网的有效补充,提高外部电网的可靠性和弹性；外部电网为微网提供保底供电服务。两者形成网对网的相对独立关系，双向服务,相互支援支撑。1.2 能源系统演化发展趋势和微网地位1.2.1 能源系统演化发展趋势随着我国能源革命推进，能源领域将发生“链式”变革，未来能源系统演化发展趋势将有以下3方面特征8-9：1）横向多能互补，单一能源向综合能源转变。传统能源系统依据能源类型划分,供需各自平衡。通过源侧风光水火储多能互补系统和荷侧终端一体化供能系统，实现多能协同供应和梯级利用，打破各类能源“相对独立,各自为政”壁垒，形成能源集成耦合网络10。2）纵向“源-网-荷-储”协调,形成多能

8、“供-需-储”自平衡体。能源生产和消费界限不再清晰，功能角色间可相互替代兼容。能源主体在供需和价格引导下自主决策能源供应、消费和存储，实现多能“供-需-储”垂直一体化n。能源主体由单一能源的生产、传输、存储和消费者，向集多种能源生产、传输、存储和消费为一身的自平衡体转变。3）集中与分布式相协调。传统能源系统和主体间是自上而下集中式决策的资源配置模式。自平衡体首先通过“能源就近利用”实现分散化自我平衡,然后通过“能源自远方来”实现不平衡能量交换。能源系统的结构将转变为大系统协调分解的集中与分布式相协调。1.2.2 微网在能源系统演化发展中的地位能源系统演化发展的基本单元是多能“供-需-储”自平衡

9、体,对应园区微网12,如图2所示。微网通过股权并购打破能源各自运营管控壁垒，利用互联网和信息技术拉近能源生产和消费距离，形成园区内多能“供-需-储”自平衡体。广域范围内自平衡体在信息和经济激励引导下，自主决策扩展，与其他能源主体或自平衡体实现物理网络互联,形成新互联网络、新自平衡体的过程,是能源系统演化发展的过程。能源系统演化发展是基于物理-信息-经济耦合的多个自平衡体交互，自适应分散决策的结果。单个自平衡体与整个能源系统是个体与环境的关系，个体适应环境也造就环境。园区微网是能源系统演化发展的起点和落脚点。目前我国已投资建设大量微网项目，其中大部分微网“源-网-荷-储”各环节能源设施由单一主体

10、投资建设运营。但是分布式能源、传输网络、储能等能源设施投资规模大,缺乏合理投资回报模式,微网项目主体将承担较大投资风险。因此,本文提出微网运营一体化和投资多元化的模式框架。2.1 运营主体一体化能源的供需实时平衡、规模经济性决定微网运营主体应当唯微网一体化运营主体(简称微网运营主体)可视为特殊目的公司(specia1purposeVehiC1e,SPV),公司股东由微网多元化投资主体和社会资本组成。社会资本可与地方政府开展资本合作(pub1icprivate-partnership,PPP),以特许经营权的方式建设并运营微网项目。微网采取一体化运营，但是风险不再由单一主体承担,微网运营主体的股

11、权多元化将实现风险共担和收益共享。微网运营主体一体化要求微网运营主体与微网内部“源-网-荷-储”各环节能源设施签订长期统一的委托运营协议，与用户达成长期的用能协议,形成委托-代理关系，保障微网内部的垂直一体化。2.2 投资主体多元化微网多元化投资，发电企业、电网企业、供热企业、燃气企业、能源设备制造企业、专业化能源服务企业(energyservicecompany,ESCO),用户等均可通过市场准入，参与投资建设微网“源-网-荷-储”各环节能源设施。微网内分布式能源可由发电企业、能源设备制造企业等投资，也可由用户自投；配电变电设施所有权依然可属于电网企业；热/气网络、储能设备、智能用能及监测设

12、备等也可由不同主体投资建设13。微网投资主体多元化,将有利于实现微网内“源-网-荷-储”各环节能源设施投资建设主体的专业化，降低投资风险;促进微网资本所有权与经营权相分离，形成自负盈亏、自我约束的投资运营机制；突破能源基础设施的行业和市场壁垒，降低准入门槛，激发社会资本活力，开辟微网全新投资空间，营造平等良好的投资环境。图3说明了微网运营主体一体化和投资主体多元化的关系。j微网多元化投资主体京不H股1II嬴2I.I薪|）J一f理素及y（微网一体化运营主体）营收入fI代理运普微网项目OJ给设施sj设备制造翩服务企业输设施做网多元化投资主体企业平台储设施WW费终端图3微网投资主体多元化和运营主体一

13、体化的关系Fig.3Re1ationshipbetweendiversifiedinvestmentsubjectsandintegratedoperationsubjectinmicrogrid2.3 一体化运营主体责任微网一体化运营本质上是多能“供-需-储”自平衡体的自我集中式管理。以微网的产权分界点为界限,微网一体化主体对内对外扮演不同的角色,承担不同的责任，如图4所示。1）微网一体化运营主体对内的责任。微网运营主体在微网内部作用类似于电网企业“调度中心+交易中心+营销部门”。作为微网“调度中心”，以并网点为分界点，负责内部能源供需实时平衡,促进“源-网-荷-储”协调优化控制运行,保障供

14、能可靠性和质量水平；作为微网“交易中心”，负责制定微网内部电、热（冷）、气等多种能源交易规则，组织微网内部微平衡市场交易，公开市场信息，管理市场交易合同，负责交易结算和清算；作为微网“营销部门”，满足微网内部用户基本的用能需求,提供能源计量、运维检修等多样化的能源服务及增值服务。2）微网一体化运营主体对外的责任。微网运营主体与微网内部“源-网-荷-储”各元件的委托-代理关系，决定微网运营主体是微网内外双向互动的独立主体和媒介。微网运营主体负责微网与外部电网、其他微网、发电企业、售电公司等主体之间的能量、信息、价值交换。微网运营主体作为发配售一体化的售电企业,参与外部电力市场，代理微网电源或用户

15、进行购售电交易；作为独立的辅助服务提供商，与电网企业签订远期双边合同或参与辅助服务市场,获得辅助服务补偿;作为外部电网的友好用户,获得公平的电网接入服务，向外部电网调度中心上报必要的运行信息,服从外部电网调度中心的统一调度，同时微网整体对峰谷分时电价等需求侧管理措施进行响应。产权分界点/公共并网点图4微网一体化运营主体的职责Fig.4Responsibi1itiesofintegratedoperationsubjectofmicrogrid3微网源网荷储”一体化运营运营主体一体化保障微网的统一自治;投资主体多元化保障微网的风险共担，收益共享。微网传统运营模式为“自发自用，余量上网”，其收益以

16、能源供给收益为主,缺乏经济性。本文在微网传统运营模式的基础上,提出包括“源-网-荷-储”优化控制运行、微平衡市场交易、内外两级购售电、网对网辅助服务、内外两级需求响应和新型备用容量机制的“源-网-荷-储”一体化运营模式，为微网提供合理的投资回报途径。3.1 “源-网-荷-储优化控制运行微网运营主体保障微网内能源供需实时平衡，通过“源-网-荷-储”优化控制运行,减少弃风弃光率，降低微网运行成本,促进节能减排，实现技术、经济、环境等综合效益最大化,如图5所示。无论独立运行还是并网运行,微网运营主体应当满足微网内部多种能源的负荷需求,对状态偏离、设备故障等意外事件具有不平衡校正能力，实现微网内部“源-网-荷-储”各元