摘要：園區(qū)微網(wǎng)是多能互補(bǔ)、能源互聯(lián)網(wǎng)等能源新業(yè)態(tài)的重要落地點(diǎn)。但是目前我國(guó)微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)缺乏成熟的運(yùn)營(yíng)模式和合理的投資回報(bào)途徑。立足于我國(guó)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(shì)中地位,提出微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體一體化和投資主體多元化的模式框架,從“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行、微平衡市場(chǎng)交易、內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量機(jī)制建立面向園區(qū)微網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式,提出傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式和一體化運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析方法,通過算例分析驗(yàn)證一體化運(yùn)營(yíng)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(bào),將極大促進(jìn)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(shí)習(xí)能源領(lǐng)域“四個(gè)革命、一個(gè)合作”[1],國(guó)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(jìn)行了有益探索和實(shí)踐,電動(dòng)汽車、多能互補(bǔ)[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(shí)踐的重要落地點(diǎn)。微網(wǎng)作為和外部電網(wǎng)、用戶友好互動(dòng)的一種技術(shù)手段[6],集成了多種能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)多個(gè)環(huán)節(jié),有利于集中開展創(chuàng)新生產(chǎn)消費(fèi)模式,探索培育發(fā)展動(dòng)能。
目前依托“863計(jì)劃”、“973計(jì)劃”和自然基金等支持,我國(guó)已投資建設(shè)大量微網(wǎng)項(xiàng)目。但是當(dāng)前我國(guó)推動(dòng)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(duì)于微網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率控制、繼電保護(hù)等方面已制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但是目前尚無(wú)規(guī)?；?、可推廣的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)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?jī)?chǔ)能和控制設(shè)備,實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng),亟需尋找較好的收支平衡點(diǎn)。因此,需要?jiǎng)?chuàng)新微網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式,予以投資者合理回報(bào)途徑。
本文立足于我國(guó)新一輪電力體制改革和能源互聯(lián)網(wǎng)的背景,在《推進(jìn)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(shì)和微網(wǎng)在其中的地位,提出微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體一體化和投資主體多元化的模式框架,從“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行、微平衡市場(chǎng)交易、內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量機(jī)制建立未來面向園區(qū)微網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式,提出傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式和一體化運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析方法,通過算例分析證實(shí)一體化運(yùn)營(yíng)模式能夠增加微網(wǎng)收益來源,保障微網(wǎng)合理投資回報(bào),將極大促進(jìn)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(yáng)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(fù)荷需求、儲(chǔ)能、控制和保護(hù)設(shè)備及信息化平臺(tái),以電能為核心,通過多能互聯(lián)、信息能量耦合及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)多能“供-需-儲(chǔ)”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(jī)等電源,燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng),熱泵等熱源,沼氣池等氣源;儲(chǔ)側(cè)包括蓄電池、儲(chǔ)熱罐、蓄冷空調(diào)等儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱(冷)和儲(chǔ)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(jì)算平臺(tái)、微平衡市場(chǎng)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(jí)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(jìn)風(fēng)光等清潔能源高比例滲透,通過燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種能源綜合梯級(jí)利用,形成微網(wǎng)內(nèi)部綠色低碳的能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(duì)微網(wǎng)內(nèi)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,微網(wǎng)具有能源供需自平衡和黑啟動(dòng)能力,可實(shí)現(xiàn)自治獨(dú)立。
4)友好。微網(wǎng)和外部電網(wǎng)的能量交換在時(shí)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(bǔ)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(duì)網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)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(shì)和微網(wǎng)地位
1.2.1能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢(shì)
隨著我國(guó)能源革命推進(jìn),能源領(lǐng)域?qū)l(fā)生“鏈?zhǔn)健弊兏?未來能源系統(tǒng)演化發(fā)展趨勢(shì)將有以下3方面特征[8-9]：
1)橫向多能互補(bǔ),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(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)和荷側(cè)終端一體化供能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和梯級(jí)利用,打破各類能源“相對(duì)獨(dú)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(chǔ)”協(xié)調(diào),形成多能“供-需-儲(chǔ)”自平衡體。能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(jià)格引導(dǎo)下自主決策能源供應(yīng)、消費(fèi)和存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)多能“供-需-儲(chǔ)”垂直一體化[11]。能源主體由單一能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)者,向集多種能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)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(shí)現(xiàn)分散化自我平衡,然后通過“能源自遠(yuǎn)方來”實(shí)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(chǔ)”自平衡體,對(duì)應(yīng)園區(qū)微網(wǎng)[12],如圖2所示。微網(wǎng)通過股權(quán)并購(gòu)打破能源各自運(yùn)營(yíng)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(fèi)距離,形成園區(qū)內(nèi)多能“供-需-儲(chǔ)”自平衡體。廣域范圍內(nèi)自平衡體在信息和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)引導(dǎo)下,自主決策擴(kuò)展,與其他能源主體或自平衡體實(shí)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(jì)耦合的多個(gè)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(gè)自平衡體與整個(gè)能源系統(tǒng)是個(gè)體與環(huán)境的關(guān)系,個(gè)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(diǎn)和落腳點(diǎn)。
2微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)一體化和投資多元化
目前我國(guó)已投資建設(shè)大量微網(wǎng)項(xiàng)目,其中大部分微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施由單一主體投資建設(shè)運(yùn)營(yíng)。但是分布式能源、傳輸網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)能等能源設(shè)施投資規(guī)模大,缺乏合理投資回報(bào)模式,微網(wǎng)項(xiàng)目主體將承擔(dān)較大投資風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文提出微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)一體化和投資多元化的模式框架。
2.1運(yùn)營(yíng)主體一體化
能源的供需實(shí)時(shí)平衡、規(guī)模經(jīng)濟(jì)性決定微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體應(yīng)當(dāng)唯一。
微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)主體(簡(jiǎn)稱微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(huì)資本組成，以特許經(jīng)營(yíng)權(quán)的方式建設(shè)并運(yùn)營(yíng)微網(wǎng)項(xiàng)目。微網(wǎng)采取一體化運(yùn)營(yíng),但是風(fēng)險(xiǎn)不再由單一主體承擔(dān),微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體的股權(quán)多元化將實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)和收益共享。
微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體一體化要求微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體與微網(wǎng)內(nèi)部“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)能源設(shè)施簽訂長(zhǎng)期統(tǒng)一的委托運(yùn)營(yíng)協(xié)議,與用戶達(dá)成長(zhǎng)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?xì)馄髽I(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(chǎng)準(zhǔn)入,參與投資建設(shè)微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”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(chǔ)能設(shè)備、智能用能及監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”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(xiǎn);促進(jìn)微網(wǎng)資本所有權(quán)與經(jīng)營(yíng)權(quán)相分離,形成自負(fù)盈虧、自我約束的投資運(yùn)營(yíng)機(jī)制;突破能源基礎(chǔ)設(shè)施的行業(yè)和市場(chǎng)壁壘,降低準(zhǔn)入門檻,激發(fā)社會(huì)資本活力,開辟微網(wǎng)全新投資空間,營(yíng)造平等良好的投資環(huán)境。
圖3說明了微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體一體化和投資主體多元化的關(guān)系。
2.3一體化運(yùn)營(yíng)主體責(zé)任
微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)本質(zhì)上是多能“供-需-儲(chǔ)”自平衡體的自我集中式管理。以微網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)為界限,微網(wǎng)一體化主體對(duì)內(nèi)對(duì)外扮演不同的角色,承擔(dān)不同的責(zé)任,如圖4所示。
1)微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)主體對(duì)內(nèi)的責(zé)任。
微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體在微網(wǎng)內(nèi)部作用類似于電網(wǎng)企業(yè)“調(diào)度中心+交易中心+營(yíng)銷部門”。作為微網(wǎng)“調(diào)度中心”,以并網(wǎng)點(diǎn)為分界點(diǎn),負(fù)責(zé)內(nèi)部能源供需實(shí)時(shí)平衡,促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制運(yùn)行,保障供能可靠性和質(zhì)量水平;作為微網(wǎng)“交易中心”,負(fù)責(zé)制定微網(wǎng)內(nèi)部電、熱(冷)、氣等多種能源交易規(guī)則,組織微網(wǎng)內(nèi)部微平衡市場(chǎng)交易,公開市場(chǎng)信息,管理市場(chǎng)交易合同,負(fù)責(zé)交易結(jié)算和清算;作為微網(wǎng)“營(yíng)銷部門”,滿足微網(wǎng)內(nèi)部用戶基本的用能需求,提供能源計(jì)量、運(yùn)維檢修等多樣化的能源服務(wù)及增值服務(wù)。
2)微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)主體對(duì)外的責(zé)任。
圖4微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)主體的職責(zé)
微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體與微網(wǎng)內(nèi)部“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各元件的委托-代理關(guān)系,決定微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體是微網(wǎng)內(nèi)外雙向互動(dòng)的獨(dú)立主體和媒介。微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體負(fù)責(zé)微網(wǎng)與外部電網(wǎng)、其他微網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)、售電公司等主體之間的能量、信息、價(jià)值交換。微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體作為發(fā)配售一體化的售電企業(yè),參與外部電力市場(chǎng),代理微網(wǎng)電源或用戶進(jìn)行購(gòu)售電交易;作為獨(dú)立的輔助服務(wù)提供商,與電網(wǎng)企業(yè)簽訂遠(yuǎn)期雙邊合同或參與輔助服務(wù)市場(chǎng),獲得輔助服務(wù)補(bǔ)償;作為外部電網(wǎng)的友好用戶,獲得公平的電網(wǎng)接入服務(wù),向外部電網(wǎng)調(diào)度中心上報(bào)必要的運(yùn)行信息,服從外部電網(wǎng)調(diào)度中心的統(tǒng)一調(diào)度,同時(shí)微網(wǎng)整體對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)等需求側(cè)管理措施進(jìn)行響應(yīng)。
3微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)
運(yùn)營(yíng)主體一體化保障微網(wǎng)的統(tǒng)一自治;投資主體多元化保障微網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān),收益共享。微網(wǎng)傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式為“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”,其收益以能源供給收益為主,缺乏經(jīng)濟(jì)性。本文在微網(wǎng)傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式的基礎(chǔ)上,提出包括“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行、微平衡市場(chǎng)交易、內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級(jí)需求響應(yīng)和新型備用容量機(jī)制的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式,為微網(wǎng)提供合理的投資回報(bào)途徑。
3.1“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行
微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體保障微網(wǎng)內(nèi)能源供需實(shí)時(shí)平衡,通過“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行,減少棄風(fēng)棄光率,降低微網(wǎng)運(yùn)行成本,促進(jìn)節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合效益最大化,如圖5所示。
無(wú)論獨(dú)立運(yùn)行還是并網(wǎng)運(yùn)行,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體應(yīng)當(dāng)滿足微網(wǎng)內(nèi)部多種能源的負(fù)荷需求,對(duì)狀態(tài)偏離、設(shè)備故障等意外事件具有不平衡校正能力,實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各元件的自適應(yīng)主動(dòng)控制,符合電、熱(熱)、氣多種能源供應(yīng)的安全可靠性和質(zhì)量水平要求;實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)獨(dú)立/并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換,有效減少微網(wǎng)和外部電網(wǎng)并列/脫離過程。
圖5微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行程中的暫態(tài)振蕩。
3.2微平衡市場(chǎng)交易
微網(wǎng)優(yōu)勢(shì)之一是促進(jìn)分布式能源的就地消納,目前微網(wǎng)內(nèi)風(fēng)光等分布式能源主要采取“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”的運(yùn)營(yíng)模式,富余或不足部分電量由外部電網(wǎng)接收或提供。
微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體掌握?qǐng)@區(qū)微網(wǎng)內(nèi)能源供需和市場(chǎng)價(jià)格信息,通過構(gòu)建計(jì)及電、熱、氣等多種能源的微平衡市場(chǎng)交易平臺(tái),組織園區(qū)微網(wǎng)內(nèi)工業(yè)、商業(yè)、居民等各類型用戶和分布式光伏、分散式風(fēng)電、燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)等分布式能源及儲(chǔ)能資源,通過微平衡市場(chǎng)進(jìn)行局部自主交易[11]。購(gòu)售雙方通過自主協(xié)商,確定交易量、結(jié)算價(jià)格等信息;分布式能源和用戶可委托微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體,代理參與微平衡市場(chǎng)交易,簽訂轉(zhuǎn)購(gòu)售能源合同。同時(shí),微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體收取一定微網(wǎng)內(nèi)部能源輸配“過網(wǎng)費(fèi)”,三方共同簽訂供用能合同。
相比于“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”模式,微平衡市場(chǎng)交易將減少與外部電網(wǎng)之間的不平衡能量交換,盡可能實(shí)現(xiàn)在微網(wǎng)內(nèi)部范圍的就近利用。微平衡市場(chǎng)交易下微網(wǎng)的電量安排如圖6所示。
圖6微平衡市場(chǎng)交易下微網(wǎng)的電量安排
3.3內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電
未參與電力市場(chǎng)前,微網(wǎng)內(nèi)部分布式能源上網(wǎng)電量以當(dāng)?shù)厝济喊l(fā)電機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)結(jié)算,外購(gòu)電量以目錄銷售電價(jià)(考慮峰谷分時(shí))結(jié)算。
隨著發(fā)用電計(jì)劃不斷放開,以及中長(zhǎng)期電力交易開展,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體通過集成微網(wǎng)范圍內(nèi)富余的發(fā)電量和不平衡的用電量,達(dá)到市場(chǎng)準(zhǔn)入條件,以“售電公司”身份,代理微網(wǎng)內(nèi)部分布式能源和用戶參與外部電力市場(chǎng)購(gòu)售電交易。在電力市場(chǎng)中,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體和傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)和用戶具有相同市場(chǎng)地位,通過制定合理的交易策略,獲得購(gòu)售電價(jià)差額的收益。
3.4網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)
外部電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行需要,確定系統(tǒng)調(diào)峰、備用等多種輔助服務(wù)需求量,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體以獨(dú)立輔助服務(wù)提供者的市場(chǎng)主體身份,通過遠(yuǎn)期雙邊合同或者短期輔助服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的方式,為外部電網(wǎng)提供輔助服務(wù),并獲得相應(yīng)的輔助服務(wù)補(bǔ)償。
微網(wǎng)內(nèi)部擁有多種分布式能源,具有供需自我平衡運(yùn)行的能力,能夠?yàn)橥獠侩娋W(wǎng)提供黑啟動(dòng)(blackstart,BS)輔助服務(wù);微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體可利用儲(chǔ)能設(shè)備,為外部電網(wǎng)提供可中斷負(fù)荷(interruptibleload,IL)輔助服務(wù)。與燃煤火電機(jī)組等傳統(tǒng)的輔助服務(wù)提供者相比,微網(wǎng)響應(yīng)速率更快,靈活性更強(qiáng),更易于負(fù)荷匹配[14]。
微網(wǎng)和外部電網(wǎng)之間的關(guān)系,不再是傳統(tǒng)“電網(wǎng)-用戶”單向服務(wù)的關(guān)系,將是一種網(wǎng)對(duì)網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立且平等的關(guān)系。外部電網(wǎng)為微網(wǎng)平衡富余或不足電量,提供兜底服務(wù);微網(wǎng)為外部電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。微網(wǎng)和外部電網(wǎng)之間互為備用,雙向服務(wù)。
3.5內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)
內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)是指：在微網(wǎng)內(nèi)部,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體發(fā)布微網(wǎng)內(nèi)部需求側(cè)管理措施,主動(dòng)引導(dǎo)用戶削峰填谷,優(yōu)化微網(wǎng)自身的負(fù)荷特性;在微網(wǎng)外部,微網(wǎng)作為一個(gè)整體參與所在地區(qū)的需求側(cè)響應(yīng)政策。
以峰谷分時(shí)電價(jià)(time-of-use,TOU)為例,外部電網(wǎng)的峰谷分時(shí)電價(jià)政策比較粗獷,微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體可根據(jù)微網(wǎng)內(nèi)部用戶的負(fù)荷曲線及需求側(cè)響應(yīng)特性,精細(xì)化制定微網(wǎng)內(nèi)部的高峰/低谷電價(jià)時(shí)段和峰/谷/平電價(jià)之比,減少微網(wǎng)與外部電網(wǎng)不平衡電量交換曲線的峰谷差,內(nèi)外峰谷分時(shí)電價(jià)的差價(jià)即為微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體在微網(wǎng)內(nèi)部實(shí)施需求側(cè)管理措施的投資回報(bào)。
內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制能夠有效協(xié)調(diào)微網(wǎng)內(nèi)外資源,實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)從局部到整體的多級(jí)最優(yōu)化目標(biāo),從而提升系統(tǒng)整體的能源利用效率。
3.6新型備用容量機(jī)制
傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)變壓器按容量申報(bào);微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體通過儲(chǔ)能、主動(dòng)控制等技術(shù)或經(jīng)濟(jì)手段,在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)微網(wǎng)和和外部電網(wǎng)之間的不平衡電量交換曲線,并與電網(wǎng)企業(yè)開展自主協(xié)商,變壓器容量根據(jù)微網(wǎng)自平衡情況按最大需量進(jìn)行申報(bào),統(tǒng)一繳納相應(yīng)的備用容量費(fèi)用。
新型備用容量機(jī)制是對(duì)微網(wǎng)能量精準(zhǔn)優(yōu)化控制技術(shù)的考驗(yàn),微網(wǎng)自平衡能力越強(qiáng),繳納的備用容量費(fèi)用越少。傳統(tǒng)微網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能的收益主要來自于移峰填谷后購(gòu)電成本的減少。新型備用容量機(jī)制將為儲(chǔ)能在微網(wǎng)中的應(yīng)用提供嶄新的投資回報(bào)模式,將極大促進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展。
4微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式經(jīng)濟(jì)性分析
傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式成本包括投資建設(shè)成本、運(yùn)維成本、外購(gòu)電成本以及容量成本,收益包括自發(fā)自用收益、上網(wǎng)電量收益、內(nèi)部售電收益和補(bǔ)貼收益。
一體化運(yùn)營(yíng)模式成本包括投資建設(shè)成本、運(yùn)維成本、外購(gòu)電成本以及自主申報(bào)的容量成本,收益包括自發(fā)自用收益、外部售電收益、內(nèi)部售電收益、“過網(wǎng)費(fèi)”收益、輔助服務(wù)補(bǔ)償收益和補(bǔ)貼收益。
表1傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式和一體化運(yùn)營(yíng)模式的成本收益
4.1傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式成本收益分析
4.2“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式成本收益分析
4.3兩種運(yùn)營(yíng)模式經(jīng)濟(jì)性分析
5算例分析
5.1基本參數(shù)
目前涉及電、熱、氣多種能源的微網(wǎng)項(xiàng)目不多,本文僅以一個(gè)電能為主要能源的微網(wǎng)項(xiàng)目為例。
1)項(xiàng)目概況。
微網(wǎng)分為3塊區(qū)域,均為大工業(yè)用戶,電壓等級(jí)為10kV,最大負(fù)荷為11.13MW。項(xiàng)目壽命周期為20年,設(shè)備綜合造價(jià)及相關(guān)成本參考當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn),基準(zhǔn)折現(xiàn)率取7%。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)項(xiàng)目總投資約1.62億元,其中源側(cè)約14500萬(wàn)元,網(wǎng)側(cè)投約310萬(wàn)元,儲(chǔ)側(cè)約900萬(wàn)元,信息化平臺(tái)(能量管理系統(tǒng))約500萬(wàn)元;一體化運(yùn)營(yíng)模式總投資約1.68億元,其中源網(wǎng)儲(chǔ)側(cè)投資變化不大,信息化平臺(tái)(大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)、微平衡市場(chǎng)交易系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng))約1100萬(wàn)元。圖7為微網(wǎng)接線方案示意圖。
2)設(shè)備規(guī)模和投資主體。
微網(wǎng)內(nèi)分布式光伏裝機(jī)容量為10MW,分散式風(fēng)電裝機(jī)容量為16MW,儲(chǔ)能裝機(jī)容量為6MW,并網(wǎng)點(diǎn)35kV/10kV變電站容量為16MW。電源、輸配電設(shè)備、儲(chǔ)能、信息化平臺(tái)等由不同主體投資。表2為微網(wǎng)設(shè)備規(guī)模和投資主體情況。
圖7微網(wǎng)接線方案
表2微網(wǎng)設(shè)備規(guī)模和投資主體
3)負(fù)荷及電源出力。
圖8為四季典型日微網(wǎng)風(fēng)光出力和負(fù)荷曲線。
4)電價(jià)。
由于我國(guó)電力體制改革尚在推進(jìn)過程中,本算例中相關(guān)電價(jià)參照國(guó)外成熟市場(chǎng)數(shù)據(jù)折算得到。外部電網(wǎng)大工業(yè)銷售電價(jià)高峰時(shí)段為8:00—12:00和17:00—20:00,平段時(shí)段為12:00—17:00和20:00—24:00,低谷時(shí)段為0:00—8:00,峰/平/谷電價(jià)比為1.67:1:0.49;微網(wǎng)內(nèi)部銷售電價(jià)高峰時(shí)段為20:00—24:00和0:00—5:00,平段時(shí)段為5:00—10:00和16:00—20:00,低谷時(shí)段為10:00—16:00,峰/平/谷電價(jià)比為1.5:1:0.5。表3為電價(jià)情況。
5)微平衡市場(chǎng)交易和可中斷負(fù)荷。
表4為微平衡市場(chǎng)交易情況。表5為微網(wǎng)和外部電網(wǎng)簽訂的可中斷負(fù)荷合同情況。
圖8四季典型日微網(wǎng)風(fēng)光出力和負(fù)荷曲線
表3電價(jià)
表4微平衡市場(chǎng)交易
表5可中斷負(fù)荷合同
5.2分析結(jié)果
圖9和圖10為傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式和一體化運(yùn)營(yíng)模式下,春、夏、秋、冬四季典型日微網(wǎng)的運(yùn)行情況(儲(chǔ)能出力負(fù)值表示充電,內(nèi)外交換負(fù)荷負(fù)值表示外
圖9傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)運(yùn)行情況
圖10一體化運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)運(yùn)行情況部電網(wǎng)供電
圖11和表6為傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式和一體化運(yùn)營(yíng)模式下,微網(wǎng)的成本/收益年值以及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比情況。
分析可知,一體化運(yùn)營(yíng)模式下不平衡電量交換
圖11兩種運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)的成本/收益年值
表6兩種運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性
曲線的最大峰谷差為9.31MW,傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下不平衡電量交換曲線的最大峰谷差為10.14MW,微網(wǎng)和外部電網(wǎng)之間的電量交換更加友好。2種運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)的成本差異不大,但是一體化運(yùn)營(yíng)模式下微網(wǎng)的年收益比傳統(tǒng)模式多536萬(wàn)元,凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均好于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式,收益來源更加多樣化,其中,微平衡市場(chǎng)交易和內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電的收益相對(duì)較多。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下投資儲(chǔ)能、信息化平臺(tái)等設(shè)備,但是缺少合理的運(yùn)營(yíng)模式,經(jīng)濟(jì)效益并不好;一體化運(yùn)營(yíng)模式下,通過微平衡市場(chǎng)交易、內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量等機(jī)制,能夠?qū)崿F(xiàn)微網(wǎng)的投資回報(bào)及增值。
6結(jié)語(yǔ)
本文立足于我國(guó)新一輪電力體制改革和能源互聯(lián)網(wǎng)的背景,提出微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體一體化和投資主體多元化的模式框架,以及包括“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化控制運(yùn)行、微平衡市場(chǎng)交易、內(nèi)外兩級(jí)購(gòu)售電、網(wǎng)對(duì)網(wǎng)輔助服務(wù)、內(nèi)外兩級(jí)需求側(cè)響應(yīng)、新型備用容量機(jī)制的微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式,將減少投資風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)合理投資回報(bào),為微網(wǎng)提供一條可復(fù)制、可推廣、可持續(xù)的發(fā)展路徑。
微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)及投資回報(bào)的核心,不是從政府補(bǔ)貼中,而是從電價(jià)中賺取,其關(guān)鍵是分布式能源就近消納以及微網(wǎng)和外部電網(wǎng)間不平衡電量交換曲線。微平衡市場(chǎng)交易為微網(wǎng)內(nèi)部分布式能源就近消納提供全新模式。對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)自平衡,對(duì)外具有一條靈活可控的交換曲線,是微網(wǎng)增收的根本。微網(wǎng)和外部電網(wǎng)間不平衡電量交換曲線越友好,微網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)收益越高。
微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式將為微網(wǎng)內(nèi)部分布式能源、儲(chǔ)能等技術(shù)提供了廣闊的環(huán)境和平臺(tái)。目前我國(guó)正處于電力體制改革和能源互聯(lián)網(wǎng)的能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時(shí)期,還需要通過建立并完善相關(guān)市場(chǎng)機(jī)制及政策法規(guī),支撐并保障微網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)營(yíng)模式的應(yīng)用和微網(wǎng)的發(fā)展。
