中國儲能網訊：從微電網、智能電網基本概念著手，通過分析國內外分布式能源的建設現狀，結合我國當前電力體制改革的新政策，闡述了在當前階段，我國微電網的發(fā)展思路，將主要是以家庭式智能微網的模式迅速發(fā)展。文章也闡述了一個新觀點，為了充分利用好分布式清潔能源，我國先期只有以家庭式智能微網模式發(fā)展到一定階段，再通過集合家庭式的小微網，才能形成真正意義上的正式微網發(fā)展階段。
0. 引言
從2001年美國威斯康星大學-麥迪遜分校的R. H. Lasseter教授最先提出微電網概念開始，微電網的發(fā)展經歷了將近15年。但是，傳統的輸變配電網的發(fā)展卻經歷相當長的一個時間，而且已經相當成熟，在我國已建設有世界一流的交流超高壓和特高壓輸電網、直流特高壓輸電網。只是到了近十幾年，當人們意識到世界能源緊張、大氣環(huán)境惡化的時候，為了節(jié)約能源，也為了充分利用清潔能源，保護我們生存的大氣環(huán)境，才催生了微電網及微電網的發(fā)展。
1.智能微網
1.1 微電網
何謂微電網，微電網是由分布式發(fā)電（DG）、負荷、儲能裝置及控制裝置構成的一個單一可控的獨立發(fā)電系統。
微電網主要利用分布式清潔電源供電，最大限度地降低饋線損耗、增加本地供電的可靠性、提高能源的利用效率。微電網是電能供給平衡的主要形式之一，光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及儲能裝置等清潔能源一般以家居分布、樓宇分布或者小區(qū)/園區(qū)分布等方式接入到微電網。由于電能的供給必須每時每刻保持平衡，為了實現微電網內部供給平衡，微電網必須接入主電網。
微電網孤網運行時，具有“自治獨立”的特征，微電網與主電網并網運行時，建立起“協調互濟”的紐帶。
1.2 主動配電網
除了分布式能源的建設外，供給平衡的另一對象是配電網的建設。如何構建電網，分兩種解決方案，即網絡解決方案（Network Solution）和非網絡解決方案（No-Network Solution）。
網絡解決方案是指調整電網或增加電網設備。當負荷增長時需要進行網絡擴容，分布式發(fā)電大量接入電壓越限時就切除分布式電源。這種網絡解決方案是昂貴的，且分布式電源接入的容量較小。
非網絡解決方案是指不調整電網或增加電網設備的解決方案。如通過發(fā)電調度、需求響應、無功功率管理的控制以及網絡重構等，包括采用創(chuàng)新的分布式運行，對需求側、主動負荷和分布式儲能設備的集成，應用信息通信接術等實現方案。
主動式配電網是指在靈活的網絡結構下協調分布式發(fā)電、主動負荷和儲能三者的運行。ICIGRE C6.19（2009-2014年）提出了主動配電系統（ADS）規(guī)劃與優(yōu)化的研究報告。ADS是基于ICT（信息和通信技術）系統、智能控制裝置、成本效益模式的基礎上，充分利用現有資源（網絡、DG、儲能、主動負荷），對網絡解（擴容）和非網絡解（主動控制）進行權衡，對分布式能源（DERs）各種系統組合，目的是最大可能地利用現有資產和基礎設施，滿足負荷的發(fā)展和分布式能源接入的需求，使設備比過去在更接近其物理極限條件下工作。
配電網規(guī)劃要考慮多種資源（上級網絡和分布式能源）的綜合利用，要把多種負荷類型（電、熱、冷）進行相互協調，要對多種網絡（電力網絡、通信網絡）協調運行，要考慮不同的利益相關者（配電企業(yè)、發(fā)電商、消費者、生產性消費者）的協同共贏問題?，F代配電網規(guī)劃要考慮運行模式，不再僅僅基于一個簡單運行狀態(tài)斷面（Snapshot）來表示發(fā)電和負荷；要用與時間相關的模型，即要全面地考慮分布式電源與負荷的時變特征，要采用AMR（智能電表及自動抄表）方法處理數據；要對負荷與發(fā)電的變化進行分類，抓取與規(guī)劃有關的運行方面問題；要判斷以不同時間間隔表示功率變化的典型“日模式”。
盡管當前DER滲透率還將進一步提高，但隨著相關適用可行技術的進步，ADS不僅可起著配電各層級間的功率平衡作用，還起著與上級電網之間的雙向功率交換通道的作用，因此，ADS將成為局部區(qū)域各種能源的交換中心。我國考慮當前配電網的具體發(fā)展階段，在網絡快速擴展的同時要處理高滲透率DER接入和提高設備智能化水平等問題。
1.3 智能電網
智能電網就是電網的智能化，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、激勵和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足用戶需求的電能質量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產的優(yōu)化高效運行。
1.4 智能微電網
基于智能電網、微電網的概念，也基于主動配電網概念，考慮到以家庭為單位的電力運行特征，本文推出了家庭電網構架采用智能微電網的模式。即建立一個家庭智能微電網，在靈活的網絡結構下采用智能化技術手段協調分布式發(fā)電、主動負荷和儲能三者的運行。應該說其不僅體現了微電網的理念，也體現了主動配電網系統的理念，通過智能化技術將二者融合。
2.微電網中的電源建設
2.1 微電網的分布式電源
可能有很多人了解太陽能熱水器，其是有效利用太陽能的典范。在一些農村地區(qū)，放眼望去，幾乎家家屋頂上都有一個太陽能熱水器，為何其利用率如此之高，主要有兩個特點，第一利用方便，能效利用率高且簡單便宜；第二不破壞風景，有的地方還構成一道亮麗的風景。
太陽能熱水器是家庭電網中的一個常規(guī)負荷，不存在接入到電網、與電網交換電力的問題。說的簡單點，它是一個協調的水系統，將生活用水、太陽能熱水、電加熱水、熱水存儲等構成一個小型的家庭熱水系統。它的存在在于其獨立強，能以家庭為對象進行靈活處理。
于是，從事電力的工程師們自然會想到，能否基于這種理念，將介質水改為介質電，構建一個以屋頂太陽能為DER主電源的家庭微電網？甚至有太陽能生產廠家研制出了屋頂太陽能瓦片、太陽能側面墻，但這些都沒能進入大面積推廣，其主要原因是構建微電網時沒有引入好的理念。
與太陽能熱水器構成相類似，家庭式微電網包括市電（主電網接入）、太陽能光伏發(fā)電、儲能、及儲能電力轉換。智能微電網框架，就是采用靈活的網絡結構，構建以太陽能光伏為主的分布式發(fā)電系統、主動配電負荷和儲能設備的微電網架構，運用智能化技術手段協調三者之間的運行。特別需要說明的是，這里所說的家庭式智能微電網，是一個寬泛的概念，并不僅僅指個體家庭，其微電網模式還包括家居分布、樓宇分布或者小區(qū)/園區(qū)分布、小型個體企業(yè)自建的以分布式清潔能源構成的微網。
2.2 太陽能光伏分布式電源接入電網
前面說到家庭式智能微電網構架中的電源主要是太陽能光伏分布式電源，如果要構成微電網與主電網并接，那需要如何建設才能比較順利地并入電網呢？根據GBT19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統技術規(guī)定》，常規(guī)工程太陽能光伏電站從準備到建成接入電網的全流程詳解簡述如下（摘自《光伏資訊》）：
a. 項目前期考察
對項目地形及屋頂資源、周邊環(huán)境條件（交通、物資采購、市場的勞動力、道路、水電）、電網結構及年負荷量、消耗負荷能力、接入系統的電壓等級、接入間隔核實、送出線路長度廊道的條件、和當地電網公司的政策等。
b. 項目建設前期資料及批復文件
第一階段：可研階段
（1）委托有有資質的單位做大型光伏并網電站項目進行可行性研究分析、項目備案申請報告。
（2）進入所在省份（市）的備案名單
第二階段：獲得省級/市級相關部門的批復文件
主要有：省級電力公司《接入電網批復文件》；省級國土廳《土地預審意見》、《未壓覆重要礦產資源的函》、《地質災害評估備案登記表》；省級建設廳《選址意見書和選址規(guī)劃意見》；省級/市級文物部門《選址意見函》（此項有的地方不需要）；省級/市級環(huán)保部門《環(huán)境影響報告表的批復》；省級/市級安監(jiān)局《安全評價表的批復》；省級/市級水利部門《水土保護方案的批復》。
第三階段：獲得開工許可
（1）辦理建設項目銀行資金證明（不少于項目總投資的20%）。
（2）辦理建設項目與銀行的貸款意向書或貸款協議（不高于項目總投資的80%）；
（3）委托具有資質的單位做項目設計；
（4）獲得項目建設地建設局開工許可；
c. 項目施工圖設計
d. 項目實施建設
（1）物資招標采購
（2）發(fā)電區(qū)建設工作：
（3）生活區(qū)工作
（4）外圍線路建設，對側站設備安裝及對側站對點對調、省調和地調的調度調試等；
（5）所有設備的電纜敷設連接并做實驗；
（6）電力建設工程質量監(jiān)督站驗收（消缺并閉環(huán)）；
（7）省電力建設調試所安評、技術監(jiān)督驗收（消缺并閉環(huán)）；
（8）當地消防大隊驗收并出具報告；
（9）電網公司驗收（消缺并閉環(huán)）；
（10）電站調試方案（電力公司審核）；
e. 帶電前的必備條件
接入系統帶電前要需具備的條件
（1）發(fā)改委備案文件、上網電價文件、可研報告
（2）接入系統審查批復文件（國家電網公司、省電力公司接入系統文件）
（3）公司營業(yè)執(zhí)照復印件（正本、副本）
（4）公司稅務登記證（國稅、地稅）
（5）公司組織機構代碼證
（6）系統主接線圖
升壓站返送電流程和具備的條件
（1）給省電力公司申請返送電文件。（風電機組及光伏電站機組合并上報）
（2）給交易中心上報接網技術條件。（按照公司接入系統要求及反措要求上報）
（3）并網原則協議簽訂。（與公司營銷部簽訂、地區(qū)并網電廠可由營銷部授權簽訂、并上報交易中心）
（4）省調下達的調度設備命名及編號。
（5）省調下達的調管設備范圍劃分。
（6）與省調、各地調分別簽訂《并網調度協議》。
（7）與發(fā)電企業(yè)所在的地區(qū)電力公司簽訂《供用電合同》。（確定發(fā)電企業(yè)施工用電如何處理，電廠全停期間用電電價及結算方式）（原則上執(zhí)行當地大宗工業(yè)用電電價）
（8）線路屬自建的應簽訂《線路運維協議》。（必須有線路運營資質、且必須在相應機構備案、具備線路帶電作業(yè)、申請線路巡線、停用重合閘、線路消缺等）。
（9）具有資質的質監(jiān)站出具的《工程質檢報告》，并形成閉環(huán)的報告（報告原件）。（風電機組及光伏電站機組合并上報）
（10）省電力科學研究院出具的《并網安全性評價報告》，同時上報針對報告中提出的影響送電的缺陷應整改完畢，對不影響送電的應列出整改計劃。（風電機組及光伏電站機組合并上報）
（11）省電力科學研究院出具的《技術監(jiān)督報告》，同時上報針對報告中提出的影響送電的缺陷應整改完畢，對不影響送電的應列出整改計劃。（風電機組及光伏電站機組合并上報）。
（12）應出具消防部門驗收意見。（風電機組及光伏電站機組合并上報）。
（13）省電力公司交易中心將委托地區(qū)電力公司現場驗收涉網設備及是否按照接入系統文件要求建設和完善設備、裝置、滿足并網條件，并落實“安評、技術監(jiān)督”等報告提出問題的整改。并向新疆電力公司交易中心上報具備返送電的驗收報告。（風電機組及光伏電站機組合并上報）。
（14）交易中心根據上述工作完成情況，及時組織返送電協調會，并組織各相關部門會簽后，下達同意返送電文件。
并網流程或具備的條件
（1）工程質檢報告
（2）安評報告
（3）技術監(jiān)督報告
（4）消防驗收意見
（5）電力公司驗收報告
（6）針對各檢查報告提出問題的整改報告
（7）《供用電合同》（是否有新的變化，若有變化須重新簽訂）
（8）針對上述“四個協議（或合同）、四個報告”，協商確定年度《購售電合同》后。
（9）并組織各相關部門會簽后，及時協商確定召開啟委會，根據啟委會決議，發(fā)電企業(yè)應上報決議中提出問題的整改。
（10）下達同意機組并網文件，安排機組并網工作。
（11）給省電力公司申請確認滿足電網要求的文件。（風電機組及光伏電站機組首次并網時間及240小時結束時間）
（12）生產驗收交接書（施工單位與業(yè)主簽訂）
（13）涉網試驗完成并滿足電網要求
（14）電價批復文件
（15）消防驗收合格
3. 國內外分布式能源建設現狀
由上可見，國內分布式能源的建設，其建設程序相當復雜，審批及過程驗收相當之多，以致當前的發(fā)展現狀是差強人意，遠不如歐美等國家發(fā)展迅速。應該說，在國家的政策鼓勵下，較前些年還是有較大的發(fā)展。
圖3.1 2000-2012年全球光伏發(fā)電裝機量
中國的光伏發(fā)電市場很小，和巨大的光伏產品產量完全不成比例。盡管國家推行了好幾年的光伏發(fā)電補貼政策，但是效果并不好。根據國家發(fā)改委能源研究所統計，太陽能發(fā)電在中國整個能源結構中依然微不足道，據統計，2012年中國太陽能發(fā)電量僅為35億千瓦時，僅占全國發(fā)電量的0.07%。
從國外的成功經驗來看，光伏應用市場的發(fā)展離不開政府的大力扶持。以德國分布式屋頂光伏電站為例，居民只需到規(guī)劃部門填一張申請表，銀行就會實地考察屋頂面積、光照條件等，以此確定貸款發(fā)放。隨后安裝公司會上門安裝屋頂光伏電站。組件采購加上其他設備等方面的費用是一筆不菲的開支，如果沒有政府方面的補貼，以及銀行或保險公司的分擔，這對普通居民來說難以承受。
2014年我國新增并網光伏發(fā)電容量1060萬千瓦，約占全球新增容量的1/5，占我國光伏電池組件產量的1/3，實現了國務院《關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中提出的平均年增1000萬千瓦目標；其中，新增光伏電站855萬千瓦，分布式205萬千瓦。
分布式光伏發(fā)電項目有三種模式：自發(fā)自用、全部上網、余量上網。原則上主張“就近消納，余量上網”，這也可以解釋國內分布式光伏發(fā)展的重心為何在東南沿海經濟最為發(fā)達的地區(qū)。這些地區(qū)一則光伏產業(yè)發(fā)達，二則工商業(yè)用電量大，完全可以就近消納，同時負荷高峰與光伏發(fā)電高峰正好吻合。
在“金太陽”工程的實施中，投資方對電網一個最大的意見是接入系統的費用太高。從前面的接入流程就可了解到，如果一個光伏微網其接入也按上述流程走一遍，基本上家庭式光伏項目十有八九會中途夭折。
4. 解讀新電改方案
中國可再生能源學會副理事長孟憲淦認為，“在西部欠發(fā)達地區(qū)大規(guī)模發(fā)展地面光伏電站，并網壓力巨大，將使光伏發(fā)電面臨風電一樣的難題，損失很大。無論從太陽能的資源特點還是國外經驗看，自發(fā)自用為主、就近消納的分布式開發(fā)模式都是最科學合理的，同時對電網的沖擊也比較小?！薄?
如前所述，正是由于太陽能光伏電源建設程序相當復雜，審批及過程驗收相當之多，遠不如太陽能熱水器建設便捷，相當長時間內阻礙了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展，所以今年年初，中共中央國務院發(fā)布了中發(fā)〔2015〕9號文《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，全面放開用戶側分布式電源市場。
其中談到問題，電力行業(yè)發(fā)展面臨亟需通過改革解決的問題，主要是：市場交易機制缺失，資源利用效率不高。售電側有效競爭機制尚未建立，發(fā)電企業(yè)和用戶之間市場交易有限。節(jié)能高效環(huán)保機組不能充分利用，棄水、棄風、棄光現象時有發(fā)生，個別地區(qū)窩電和缺電并存。價格關系沒有理順，市場化定價機制尚未完全形成?，F行電價管理仍以政府定價為主，電價調整往往滯后于成本變化，難以及時并合理反映用電成本、市場供求狀況、資源稀缺程度和環(huán)境保護支出。各類專項發(fā)展規(guī)劃之間、電力規(guī)劃與能源規(guī)劃之間、全國規(guī)劃和省級規(guī)劃之間難以有效協調，電力規(guī)劃的實際執(zhí)行與規(guī)劃偏差過大?？稍偕茉窗l(fā)電保障性收購制度沒有完全落實，新能源和可再生能源發(fā)電無歧視、無障礙上網問題未得到有效解決。
〔2015〕9號文明確近期推進電力體制改革的重點任務第三條第（六）款“開放電網公平接入，建立分布式電源發(fā)展新機制”，要求全面放開用戶側分布式電源市場，放開用戶側分布式電源建設，支持企業(yè)、機構、社區(qū)和家庭根據各自條件，因地制宜投資建設太陽能、風能、生物質能發(fā)電以及燃氣“熱電冷”聯產等各類分布式電源、準許接入各電壓等級的配電網絡和終端用電系統。鼓勵專業(yè)化能源服務公司與用戶合作或以“合同能源管理”模式建設分布式電源。
發(fā)展改革委在召開的全國電力體制改革工作電視電話會議指出，貫徹落實《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，要確保正確的改革方向，做到改革不走樣，有實效。要通過電網企業(yè)功能定位的調整，從內在機制上確保電網對可再生能源的公平開放，推進可再生能源的開發(fā)利用。要通過改革加強輸配電網的規(guī)劃落實，及時協調輸變電設施建設中存在的問題，推進城鄉(xiāng)電網改造、優(yōu)化配電網布局。
5. 新電改形勢下分布式光伏電源接入新方案
新電改方案支持企業(yè)、機構、社區(qū)甚至家庭建設分布式電源，也準許接入終端用電系統，特別是鼓勵專業(yè)化能源服務公司與用戶合作。一方面對投資壓小，另一方面對接入電網也提倡在380V用戶端。也就是說，大微網不好弄，可從小微網先搞起來。這與國外微網建設概念、智能電網概念相符。
新電改形勢下，分布式光伏電源接入新方案，降低準許接入電網的門檻。這里所說的降低門檻，并不是指降低接入電網的技術指標，而是指簡化接入電網的程序。一種方式是電網側、太陽能發(fā)電側通過技術手段監(jiān)測，只要滿足GBT19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統技術規(guī)定》，太陽能光伏發(fā)電電源就可以直接接入電網，而不需要通過多項審批、驗收等監(jiān)管手段；另一種方式通過智能化手段控制，太陽能光伏發(fā)電電源總是與電網脫網運行，其多余的電力通過其自身的儲能設備消化，實現最大效益，因為不接入主電網，且家庭太陽能也不占用公用土地，也就不需要多方政府部門的監(jiān)管，程序極至簡化，這也是充分利用太陽能光伏發(fā)電的新途徑，類似于太陽能熱水器的發(fā)展。
前一種方案需要通過技術監(jiān)測手段，達到接入電網準入條件，但由于光伏發(fā)電及家庭負荷的波動性，光有監(jiān)測手段是遠遠達不到目的，還需要采用智能化調節(jié)控制手段，以使家庭微網在并網、離網運行時能夠達到配網用戶的用電質量。這兩種方案，都需要采用智能化控制手段，前一種方案是采用微網方案，后一種方案采用主動配電網方案。
基于目前的分布式能源接入電網相關標準、規(guī)范要求，為簡化接入，推動分布式電源的發(fā)展，近階段一定時間內，采用主動配電網的非網絡解決方案應該是比較好的選擇。主動配電網的非網絡解決方案是指不調整電網或增加電網設備的解決方案，主要通過發(fā)電調度、需求響應、無功功率管理的控制以及網絡重構等協調用戶配電與主電網的接入。本文推薦通過智能化調節(jié)控制手段來實現發(fā)電調度、需求響應、無功功率管理的控制以及網絡重構，協調發(fā)用電供需平衡，而又滿足主電網的接入要求。
6. 家庭式智能微網構架方案
通過前面的分析，為推廣當前階段分布式能源的發(fā)展，吸取國外的經驗、借薦太陽能熱水器的發(fā)展模式，適合的智能微網構架如下圖所示
圖6-1 家庭式智能微網組成及結構框架圖
其主要特點是：根據可預測未來8小時內家庭太陽能光伏、風電等分布式電源的發(fā)電量，以及家庭用電負荷的需求、可調節(jié)錯峰能力，通過家庭智能電網量測設備、網絡通信手段，借助專家分析系統，實現家庭負荷無功功率管理的控制，并通過控制二選一智能電子開關進行網絡重構，協調發(fā)用電供需平衡，將家庭負荷以恰當的時間接入家庭自建分布能源網、或者接入電力系統主電網。因為家庭負荷本身就滿足電網的接入條件，所以幾乎沒有準入門檻，只需要供電部門審核批準家庭網絡構架方案即可，即保證分布式能源與主電網不同時并網。
可以設想，當太陽能充足天氣炎熱時，即可啟用家庭空調，用自家產的電量來調節(jié)周圍環(huán)境。且不說舒適的環(huán)境帶來的愉悅之感，而且?guī)缀醪恍杌ㄙM購電成本，它好像本身就是一種大自然的循環(huán)調節(jié)組成部分，是一種與自然和諧相處享受生活的好方式。
在網絡構架中，儲能設備具有雙重作用，太陽能充足、家庭用電需求少時，作為負荷進行充電；當夜晚或陰雨天氣太陽能不充足時，作為電源工作于放電狀態(tài)。當儲能設備電量不足而又不能滿足家庭用電需求時，通過智能控制技術可將一部分家庭用電負荷切入到主電網，來調節(jié)供配電的平衡。家用電動汽車、家用電瓶助動車，不作為儲能設備，僅作為用電負荷，它是一種具有可調節(jié)手段的接入負荷。比如上下班用的電動汽車，可準備兩套充電電池，一方面互相備用，另一方面可在白天上班時，通過家庭太陽能的充足電量對另一套充電，當太陽光不充足時，而又需要第二天更換電池時通過家用智能控制裝置控制其用市電充電。
當一個小區(qū)或者一個社區(qū)以這樣的模式建立起一定的規(guī)模，形成較大的分布式太陽能源時，可以將以家庭為單元的小智能微網集合成一個大型的小區(qū)或者社區(qū)微電網，這樣就帶動了全社會的微網發(fā)展。這種集合方式的主要好處是在更大一個層次面上實現能源優(yōu)化，能源互濟。不僅僅是電源容量增大，可調節(jié)手段多；另一方面因為用電負荷的不同時段需求、負荷特性多樣化，對用電需求調節(jié)控制的手段也更靈活；還有，儲能設備的集合，其充放電控制手段也更具有可調性，效益更高。這種集合所花費的成本也較低，僅需建立一個智能微網控制主站，通過網絡通信手段，協調控制每一個家庭單元已建的智能微網控制裝置，將智能微網控制裝置作為主站下面掛設的一個子站運行。
7. 結語
通過分析當前分布式能源接入主電網的前置流程、國內外分布能源建設的現狀、微電網的發(fā)展存在的受限問題，提出了一種適用于當前階段的微電網發(fā)展模式---家庭式智能微網。并且，通過集合式家庭式智能微電網的發(fā)展，將家庭式智能微網引入一個更寬泛的概念，將家庭式微網的建設歸結為分布式能源的建設；將家庭式微電網中的分布式能源拓展為包括家居分布、樓宇分布或者小區(qū)/園區(qū)分布、小型個體企業(yè)自建的所有分布式清潔能源?；谶@種模式的微電網建設，不僅促進了微網發(fā)展的新時代，同時也極大地響應了國家電力改革的政策，通過這種理念，不僅可以充分利用分布式清潔能源，而且通過用電優(yōu)化對就地負荷調配，還能極大地節(jié)約能源，提高能源的利用效益。
