基于源网荷储一体化的园区微网分析：运营模式、经济性分析、成本收益...

 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。

0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”[1],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[2-3]、微电网、能源互联网[4-5]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。微网作为和外部电网、用户友好互动的一种技术手段[6],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。

图1微网示意图

3)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(energymanagementsystem,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“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[11]。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。

图2微网在能源系统演化发展中的地位

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。

2微网运营一体化和投资多元化

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一。

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(specialpurposevehicle,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(public-private-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。

图3微网投资主体多元化和运营主体一体化的关系