应对微网群大规模接入的互联互动新方案及关键技术

　　为实现社会可持续发展的需求，分布于用户附近的分布式能源和可再生能源逐渐成为能源技术领域关注的研究热点，随着可再生能源发展规划的建设推进，我国在“十二五”期间，已有超过百个县获得了绿色能源示范县称号，并确定了北京市昌平区等 81 个城市和 8 个产业园区为第 1 批创建的新能源示范城市和产业园区[1]，同时电动汽车也在加大投放推广。 从国家规划、 城市环境和能源需求来看，分布式能源(distributed energy resource, DER)为主要特征的能源系统不仅能够解决偏远地区供电问题，而且将是新能源城市发展的主要模式。

　　对于分布式能源接入问题，微网被普遍认为是集成分布式能源接入配网的有效方式之一。通过微网运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行，降低分布式可再生能源给电网带来的不利影响，最大限度利用可再生能源，并提高供电可靠性和电能质量。随着智能电网等工作推进和微网技术逐渐成熟[2-3]， 国内外已建设了大量各种类型的微网示范[4-5]。在部分资源丰富地区，基于可再生和分布式能源的微网建设示范已逐渐从单一小规模技术示范向大规模微网群商业化建设运营，甚至能源互联网的方向进行探索发展。

　　尽管微网能够在一定程度上解决分布式能源接入控制、功率平滑、优化运行以及管理等问题，但是随着分布式能源，尤其是分布式可再生能源，占能源消费比重需求的逐步提高，即使采用微网集成接入方案，要完全消纳并充分利用大规模可再生能源也依然存在障碍。从目前研究来看，阻碍微网大规模发展和接入的障碍主要存在于 2 个方面：电网结构性问题和投资运行经济性问题。

　　对于电网结构来说，目前配电网主要担负着电能分配、供给电力消费的任务，是一个供方主导网络。随着含分布式能源的微网快速发展，配电网潮流由单向流动转为双向流动，且在分布式能源随机性和间歇性的影响下，潮流波动大。现有配电网的有功、无功调节能力不足，运行、控制、保护技术难以适应新的形势，无法实现广域范围内潮流优化以及不同类型微网间的调配和互补，难以实现全额消纳大规模分布式发电以及电动汽车等新型负荷灵活接入、开放互动的需求，不能达到未来能源网络经济高效运行的目标[6]。

　　对于经济性问题来说，由于存在微网层面的运行控制和能量管理及相应软硬件设备，微网投资要高于普通的分布式能源并网，但是在目前标准和市场体系下，微网无法与配电网协同控制管理与互动运行，并以辅助服务方式获取收益，因此其额外的投资成本并没有为用户带来额外收益，甚至在一定情况下需要向电网交纳连接费、退出费或备用费等[7]。

　　因此，对于大规模微网接入，一方面需要解决电网结构和运行对大规模微网接入的限制，另一方面需要解决大规模微网的互动机制，发挥微网潜力，提升微网运行控制的柔性和经济性，并进一步提升微网接入能力。以上两方面问题相辅相成，互联是实现大规模微网接入和互动的前提，而互动则是充分发挥互联优势的手段，如何将多个微网互联集成和聚合起来，以提高系统可靠性、增强能源互补与能量管理、提升辅助服务等方面已开始受到越来越多的关注与研究。本文针对这两方面问题，综合近年来国内外相关研究，总结提出了应对微网群大规模接入的互联和互动新方案，对其中涉及的关键技术进行了分析。最后设计和分析了大规模微网群互联互动的典型案例。

　　1 微网群互联新方案及关键技术

　　1.1 基于能源互联的微网群集成方案及关键技术

　　受国内外政策对可再生能源发展的引导，目前大部分微网均以可再生能源为主，但是冷热电联产和多能源互补转换仍然是对微网的最好补充，尤其是通过多种能源相互补充和转化，发挥不同供用能系统间的互动和转化能力，并充分利用电能需求、天然气需求、供热需求间的峰谷交错，既能改善可再生能源间歇性和随机性的缺陷，提升系统对微网的接入能力，使配网能够接纳更多的可再生能源微网，也有利于不同能源在微网中梯级利用，提高能源综合利用效率，增强运行灵活性和互动能力，达到优化设计投资和自身经济运行的目的[8-9]。 因此一个最优化的微网应考虑电、热、冷及其它能源的综合使用，在这一方面，较为成功的示范包括仙台和加利福尼亚圣迭戈大学等项目。

　　综合能源微网通常含有多种能源及相互转换形式，目前微网中能源相互协调和转化主要有以下2 种：

　　1)电能与热能相互协调与转化。热能是分布式燃气发电、太阳能热发电等的重要副产品，以热电联产系统为纽带，通过热电转换和存储，可以提高系统的整体能效和经济性，如可利用供电系统低谷时段或可再生能源无法消纳时， 使用电能产生冷/热能并存储，而在电力高峰等合适时段使用[10-11]，并利用热能变化缓慢的特性，为电网提供优化运行和平衡服务等[12-14]。同时通过将电力网络和供热网络将多个微网相互互联和协调，可以进一步提升整体网络对微网群接入能力和运行柔性[15]。

　　2)电能和化学能相互协调与转化。目前微网电能与化学能转化主要集中在燃机轮机、燃料电池、多种储能电池及电动汽车等的能源转换和协调优化度[16-17]。随着电转气(power to gas, P2G)技术的发展，未来在可再生能源转化成电能后，可以再利用电能和水产生氢气以及利用氢气和二氧化碳合成甲烷，最终将过剩可再生能源以氢气和甲烷的气体形式进行存储， 或者再注入给现有的燃气管道网络[18-19]。这使得未来电力网络和天然气网络之间的能量流动将由单向变为双向，能够进一步扩大能源供需平衡能力。