中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：微型電網(wǎng)由分布式電源、用電負(fù)荷、能量管理系統(tǒng)等組成。作為新一代電力系統(tǒng)的重要組成部分，微型電網(wǎng)充分利用風(fēng)力、太陽能等產(chǎn)生的清潔電力，減少了石油和煤炭等化石燃料發(fā)電帶來的污染排放，靈活性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能效較高。當(dāng)前全球約有21000個(gè)微型電網(wǎng)為4800萬人服務(wù)，到2030年被服務(wù)人口將擴(kuò)大到5億，屆時(shí)需要部署217000個(gè)微型電網(wǎng)，其中大部分是太陽能微型電網(wǎng)，可以避免15億噸二氧化碳排放[1]，各地用于構(gòu)建微型電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝機(jī)容量將達(dá)到37吉瓦，創(chuàng)造約401億美元的營收[2]。
近年來，各國積極部署微型電網(wǎng)，紛紛制定政策和法規(guī)來促進(jìn)微型電網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用，賦能加速電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型。本文梳理了2020年以來美國、歐盟、澳大利亞、加拿大、中國等主要國家在微型電網(wǎng)方面的部署情況和典型案例，總結(jié)了微型電網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)方向和關(guān)鍵技術(shù)，以供決策參考。
一、主要國家微型電網(wǎng)部署情況
1、美國
美國部署微型電網(wǎng)的重點(diǎn)主要集中在提高供電可靠性和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化方面。2020年12月，美國能源部（DOE）開始制定“微型電網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略”（Microgrid Program Strategy）[3]，旨在到2035年，將微型電網(wǎng)打造成未來電力輸送系統(tǒng)的重要組成部分，構(gòu)建韌性、零碳、可負(fù)擔(dān)的電力網(wǎng)絡(luò)，將微型電網(wǎng)從設(shè)計(jì)到調(diào)試階段的時(shí)間和成本分別降低20%、15%。2021年5月，DOE宣布研發(fā)出監(jiān)測安裝在美國各地微型電網(wǎng)的新型交互式工具[4]，有助于電網(wǎng)安裝經(jīng)驗(yàn)交流和相關(guān)數(shù)據(jù)文件下載。2023年10月，DOE發(fā)布105億美元的“電網(wǎng)韌性與創(chuàng)新伙伴關(guān)系計(jì)劃”（GRIP）[5]，將在美國44個(gè)州部署400個(gè)獨(dú)立微型電網(wǎng)，增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)韌性。目前，加利福尼亞州、密歇根州、佛羅里達(dá)州等地均部署有微型電網(wǎng)[6]，多由太陽能光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。
歐盟微型電網(wǎng)建設(shè)主要集中于制定更先進(jìn)的解決方案和示范項(xiàng)目部署。2022年4月，歐洲能源轉(zhuǎn)型智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與創(chuàng)新平臺(tái)（ETIP SNET）公布《2022—2025年綜合能源系統(tǒng)研發(fā)實(shí)施計(jì)劃》重點(diǎn)資助項(xiàng)目[7]，包括支持孤島模式運(yùn)行的微型電網(wǎng)。2022年5月，ETIP SNET發(fā)布2021—2025年將要實(shí)施的關(guān)鍵研究創(chuàng)新優(yōu)先事項(xiàng)及其預(yù)算[8]，包括開發(fā)和示范海洋能商業(yè)化部署的最佳應(yīng)用，例如建立海島或孤島微型電網(wǎng)，借助最佳應(yīng)用試點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)的解決方案。2023年3月，ETIP SNET發(fā)布的《2022—2031年綜合能源系統(tǒng)研發(fā)路線圖》計(jì)劃利用已開發(fā)的解決方案高效集成微型電網(wǎng)[9]。
3、澳大利亞
澳大利亞微型電網(wǎng)建設(shè)致力于解決供電不穩(wěn)問題，2020年來較多關(guān)注原住民社區(qū)等脆弱群體用電問題。2020年9月，澳大利亞政府投入6700萬澳元支持區(qū)域和偏遠(yuǎn)社區(qū)構(gòu)建微型電網(wǎng)[10]，建立可負(fù)擔(dān)、可靠的電力網(wǎng)絡(luò)。2020年10月，可再生能源署（ARENA）啟動(dòng)“區(qū)域微型電網(wǎng)計(jì)劃”（Regional Microgrids Program）[11]，旨在支持澳大利亞各地可再生能源微型電網(wǎng)的開發(fā)和部署，包括研究項(xiàng)目可行性、提出技術(shù)解決方案、展示電網(wǎng)韌性和可靠性等。2021年5月，澳大利亞政府發(fā)布年度預(yù)算[12]，將撥款3000萬澳元用于凱瑟琳（Katherine）—達(dá)爾文（Darwin）的互聯(lián)系統(tǒng)大型電池項(xiàng)目和北領(lǐng)地的微型電網(wǎng)部署。2022年10月，工業(yè)、科學(xué)和資源部（DISR）啟動(dòng)“澳大利亞供電計(jì)劃”（Powering Australia plan）[13]，其中，將撥款8380萬美元用于開發(fā)和部署原住民社區(qū)微型電網(wǎng)項(xiàng)目，保證能源供應(yīng)安全性和可負(fù)擔(dān)性。2023年8月，ARENA通過“區(qū)域微型電網(wǎng)計(jì)劃”撥款1.25億澳元用于微型電網(wǎng)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用[14]，5000萬澳元用于支持微型電網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目，7500萬澳元支持原住民社區(qū)微型電網(wǎng)項(xiàng)目。
4、加拿大
加拿大地域廣闊，其微型電網(wǎng)項(xiàng)目主要為遠(yuǎn)離大型電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)社區(qū)供電，解決長距離輸電困難問題。2022年以來，加拿大政府累計(jì)為Lac Mégantic微型電網(wǎng)項(xiàng)目追加超過350萬美元[15],[16]，幫助當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施并入Lac Mégantic微型電網(wǎng)，促進(jìn)微型電網(wǎng)知識傳播和技能培訓(xùn)。2022年6月，加拿大政府資助薩斯喀徹溫省的Kinoosao微型電網(wǎng)項(xiàng)目[17]，試點(diǎn)研究太陽能微型電網(wǎng)可行性，預(yù)計(jì)項(xiàng)目建成后每年可節(jié)省約127100升柴油。2023年9月，自然資源部（Natural Resources Canada）宣布投資艾伯塔省清潔能源項(xiàng)目[18]，其中，將研究蒙大拿州地區(qū)所有配電基礎(chǔ)設(shè)施并入微型電網(wǎng)的可能性。加拿大微型電網(wǎng)目前多用柴油發(fā)電，未來發(fā)展可能將轉(zhuǎn)向光伏、風(fēng)力發(fā)電。
5、中國
我國微型電網(wǎng)起步較晚，2020年起，陸續(xù)發(fā)布多個(gè)推進(jìn)微型電網(wǎng)部署的文件，加快電網(wǎng)布局建設(shè)。其中，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》要求加快智能微型電網(wǎng)建設(shè)，提升向邊遠(yuǎn)地區(qū)輸配電的能力[19]，《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》明確微型電網(wǎng)和分布式電源的市場主體地位[20]，《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出積極發(fā)展智能微型電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的兼容互補(bǔ)[21]，《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則（試行）》表示要推進(jìn)微型電網(wǎng)等新興市場主體參與交易[22]。然而，當(dāng)前國內(nèi)缺乏統(tǒng)一的微型電網(wǎng)體系規(guī)范文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，成為微型電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。
二、微型電網(wǎng)建設(shè)典型案例
微型電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目主要分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市公共機(jī)構(gòu)和工商業(yè)區(qū)以及住宅區(qū)域[23],[24]：
（1）山區(qū)微型電網(wǎng)。湖南常德九嶺村的光儲(chǔ)一體微型電網(wǎng)由分布式光伏和儲(chǔ)能電池組成，同時(shí)，配套的新型臺(tái)區(qū)智能融合終端系統(tǒng)可以進(jìn)行偏遠(yuǎn)山區(qū)分布式資源狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)山區(qū)電力靈活保供。光儲(chǔ)微型電網(wǎng)的供電可靠性、電能質(zhì)量相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)將提高至99%。
（2）海島微型電網(wǎng)。英國埃格島離網(wǎng)型微型電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)由分布式光伏、小型風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電設(shè)施組成，同時(shí)普通儲(chǔ)能電池陣列，是風(fēng)、光、水、儲(chǔ)有效整合的典型示范。埃格島系統(tǒng)總裝機(jī)容量約為184千瓦，即使在天氣條件惡劣的情況下，仍能滿足島上近百名居民一天的電力需求。此外，埃格島微型電網(wǎng)還備有兩臺(tái)70千瓦的柴油發(fā)電機(jī)，用于應(yīng)對不時(shí)之需。
（3）城市微型電網(wǎng)。深圳光明新區(qū)的欣旺達(dá)光儲(chǔ)微型電網(wǎng)包含460千瓦的光伏發(fā)電系統(tǒng)和662.4千瓦時(shí)的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于照明、供暖、供電。欣旺達(dá)光儲(chǔ)微型電網(wǎng)由公共連接點(diǎn)斷路器控制，與園區(qū)電網(wǎng)相接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，光電富足時(shí)，由微型電網(wǎng)輸送多余電力到工業(yè)用電電網(wǎng)；光電短缺時(shí)，由民用電網(wǎng)輸送備用電力到微型電網(wǎng)。
（4）住宅微型電網(wǎng)。紐約聯(lián)合公寓城并網(wǎng)型微型電網(wǎng)由3個(gè)主要部分組成：燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)以及控制系統(tǒng)。整個(gè)電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量可以達(dá)到40兆瓦，能夠滿足區(qū)域內(nèi)6萬名居民、24兆瓦的用電負(fù)荷峰值需求，剩余的16兆瓦發(fā)電力會(huì)被出售給大規(guī)模電網(wǎng)營利。
三、微型電網(wǎng)行業(yè)創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域
微型電網(wǎng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但也在建造成本、?xiàng)目選址、投資交付等方面面臨著各種挑戰(zhàn)[25]。擴(kuò)大微型電網(wǎng)規(guī)模，需要構(gòu)建10個(gè)模塊，這些模塊也代表著微型電網(wǎng)行業(yè)創(chuàng)新的10個(gè)前沿領(lǐng)域。
（1）太陽能微型電網(wǎng)。第三代微型電網(wǎng)主要包括太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)，目前需要降低太陽能微型電網(wǎng)能源平準(zhǔn)化成本，嘗試第三代電網(wǎng)與主電網(wǎng)互聯(lián)，統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)收集最終整合到微型電網(wǎng)程序。
（2）地理空間分析。大部分國家正在利用地理空間方法確定國內(nèi)電氣化規(guī)劃范圍，進(jìn)而部署區(qū)域微型電網(wǎng)，同時(shí)數(shù)字化各電站屬性。這一方法可以大幅削減微型電網(wǎng)選址相關(guān)的投資前成本，也可以幫助識別潛在的生產(chǎn)型客戶促進(jìn)電網(wǎng)營收。
（3）企業(yè)生存。隨著微型電網(wǎng)開始創(chuàng)造盈利，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)商與用戶雙贏，用戶需求增長的不確定性成為阻礙開發(fā)商和投資者持續(xù)融資的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，電網(wǎng)運(yùn)營商需要根據(jù)需求的變化不斷開發(fā)新的商業(yè)模式，借助數(shù)字化工具共享市場信息。
（4）社區(qū)參與。社區(qū)參與不足已經(jīng)成為多數(shù)能源項(xiàng)目不能長期發(fā)展的主要制約，鼓勵(lì)社區(qū)參與可以刺激區(qū)域用戶對微型電網(wǎng)服務(wù)的需求，擴(kuò)大聯(lián)網(wǎng)范圍，最終提高用電需求，同時(shí)用戶參與到電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)維過程也可以降低成本。
（5）通過地方和國際企業(yè)以及公用事業(yè)公司提供電網(wǎng)服務(wù)。隨著微型電網(wǎng)數(shù)量和規(guī)模的增加，電網(wǎng)系統(tǒng)積累巨大利潤潛力，這就需要財(cái)政支持和責(zé)任分擔(dān)，例如爭取政府補(bǔ)貼和建立公私伙伴關(guān)系。其中，地方企業(yè)專注了解當(dāng)?shù)匾?guī)章制度和協(xié)調(diào)服務(wù)客戶，國際企業(yè)適合跨國/地區(qū)復(fù)制電網(wǎng)項(xiàng)目，公用事業(yè)公司則由國家或城市財(cái)政投資。
（6）融資。微型電網(wǎng)融資規(guī)模已經(jīng)從2000年的百萬美元增加到當(dāng)前的數(shù)十億美元，大型項(xiàng)目更能夠吸引政府、金融機(jī)構(gòu)、跨國企業(yè)參與。長遠(yuǎn)來看，隨著私營資金的加入，公共資金投入比例應(yīng)該逐漸減少，并針對不同開發(fā)商制定由股權(quán)、債務(wù)、補(bǔ)貼和風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)機(jī)制等不同組合組成的融資方案。
（7）人才和技能。人力資本與金融資本保持同步的情況下，才能持續(xù)擴(kuò)大微型電網(wǎng)部署。開展針對主要利益相關(guān)者的培訓(xùn)能更好地建立操作技術(shù)嫻熟、知識儲(chǔ)備充足的電網(wǎng)系統(tǒng)，快速擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模。
（8）多樣電網(wǎng)交付模式。微型電網(wǎng)交付模式多樣，需要協(xié)調(diào)政府、企業(yè)制定靈活的、避免重復(fù)監(jiān)督和角色沖突的體制框架，原則上可用于應(yīng)對各種電網(wǎng)交付模式。
（9）優(yōu)化配置。隨著風(fēng)、光、水、氫等可再生能源的發(fā)展，開發(fā)多種儲(chǔ)能方式至關(guān)重要，同時(shí)需求的多樣化也催促著微型電網(wǎng)行業(yè)積極響應(yīng)電力調(diào)度要求，平衡供需關(guān)系，優(yōu)化配置、優(yōu)化運(yùn)行。
（10）行業(yè)監(jiān)管。目前大部分國家/地區(qū)缺乏微型電網(wǎng)專用監(jiān)管框架，最佳框架應(yīng)該以最低的成本回收費(fèi)率促進(jìn)運(yùn)營商提供最好的服務(wù)，同時(shí)監(jiān)管框架應(yīng)該靈活可預(yù)測，可以隨著市場變化而改變。
四、微型電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新方向
微型電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、保護(hù)控制、儲(chǔ)能技術(shù)等，充分發(fā)揮微型電網(wǎng)潛力，需要圍繞上述方面進(jìn)行創(chuàng)新[26],[27]：
（1）規(guī)劃設(shè)計(jì)。項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力負(fù)載等，維持電力穩(wěn)定供應(yīng)，還需構(gòu)建可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施，保證多個(gè)電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作以及平衡運(yùn)行。同時(shí)，未來微型電網(wǎng)為了滿足用戶對電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力負(fù)載的“即插即用”要求，可能需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行。
（2）運(yùn)行管理。發(fā)揮微型電網(wǎng)最大效益，需要識別不同電源和負(fù)載，差別制定運(yùn)行管理機(jī)制，便于靈活應(yīng)用于不同場景。為了保證電能質(zhì)量和輸電效率，需要保持短期功率平衡，研發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置，保證系統(tǒng)穩(wěn)定供電。此外，孤島模式運(yùn)行的微型電網(wǎng)需要配置專用控制裝置，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段突發(fā)故障。
（3）保護(hù)控制。微型電網(wǎng)保護(hù)不能僅靠固定繼電器，還需進(jìn)一步研究制定在所有模式和轉(zhuǎn)換過程中安全運(yùn)行的保護(hù)策略。同時(shí)當(dāng)微型電網(wǎng)組成元件具有不同特性時(shí)，獨(dú)立供電的電網(wǎng)需要配套有效控制系統(tǒng)參數(shù)的保護(hù)控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)微型電網(wǎng)智能化還需要集成智能電表與網(wǎng)絡(luò)控制。
（4）儲(chǔ)能技術(shù)。在微型電網(wǎng)中安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)可以較好解決電網(wǎng)電力不穩(wěn)定和不連續(xù)問題。未來儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)仍需聚焦于延長電池壽命和存儲(chǔ)時(shí)間、降低電能自損耗和成本、提高響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面，同時(shí)更要注重新型電化學(xué)儲(chǔ)能材料研發(fā)，滿足高能密度、快充快放等要求，還要保證與微型電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度。
