中國儲能網訊：微型電網由分布式電源、用電負荷、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，微型電網充分利用風力、太陽能等產生的清潔電力，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、經濟環(huán)保、能效較高。當前全球約有21000個微型電網為4800萬人服務，到2030年被服務人口將擴大到5億，屆時需要部署217000個微型電網，其中大部分是太陽能微型電網，可以避免15億噸二氧化碳排放[1]，各地用于構建微型電網的儲能裝機容量將達到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，紛紛制定政策和法規(guī)來促進微型電網的建設與應用，賦能加速電力行業(yè)能源轉型。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方面的部署情況和典型案例，總結了微型電網發(fā)展的重點方向和關鍵技術，以供決策參考。
一、主要國家微型電網部署情況
1、美國
美國部署微型電網的重點主要集中在提高供電可靠性和實現(xiàn)電網智能化方面。2020年12月，美國能源部（DOE）開始制定“微型電網規(guī)劃戰(zhàn)略”（Microgrid Program Strategy）[3]，旨在到2035年，將微型電網打造成未來電力輸送系統(tǒng)的重要組成部分，構建韌性、零碳、可負擔的電力網絡，將微型電網從設計到調試階段的時間和成本分別降低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的新型交互式工具[4]，有助于電網安裝經驗交流和相關數(shù)據(jù)文件下載。2023年10月，DOE發(fā)布105億美元的“電網韌性與創(chuàng)新伙伴關系計劃”（GRIP）[5]，將在美國44個州部署400個獨立微型電網，增強電網系統(tǒng)韌性。目前，加利福尼亞州、密歇根州、佛羅里達州等地均部署有微型電網[6]，多由太陽能光伏和儲能系統(tǒng)組成。
歐盟微型電網建設主要集中于制定更先進的解決方案和示范項目部署。2022年4月，歐洲能源轉型智能網絡技術與創(chuàng)新平臺（ETIP SNET）公布《2022—2025年綜合能源系統(tǒng)研發(fā)實施計劃》重點資助項目[7]，包括支持孤島模式運行的微型電網。2022年5月，ETIP SNET發(fā)布2021—2025年將要實施的關鍵研究創(chuàng)新優(yōu)先事項及其預算[8]，包括開發(fā)和示范海洋能商業(yè)化部署的最佳應用，例如建立海島或孤島微型電網，借助最佳應用試點開發(fā)先進的解決方案。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》計劃利用已開發(fā)的解決方案高效集成微型電網[9]。
3、澳大利亞
澳大利亞微型電網建設致力于解決供電不穩(wěn)問題，2020年來較多關注原住民社區(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)域和偏遠社區(qū)構建微型電網[10]，建立可負擔、可靠的電力網絡。2020年10月，可再生能源署（ARENA）啟動“區(qū)域微型電網計劃”（Regional Microgrids Program）[11]，旨在支持澳大利亞各地可再生能源微型電網的開發(fā)和部署，包括研究項目可行性、提出技術解決方案、展示電網韌性和可靠性等。2021年5月，澳大利亞政府發(fā)布年度預算[12]，將撥款3000萬澳元用于凱瑟琳（Katherine）—達爾文（Darwin）的互聯(lián)系統(tǒng)大型電池項目和北領地的微型電網部署。2022年10月，工業(yè)、科學和資源部（DISR）啟動“澳大利亞供電計劃”（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)微型電網項目，保證能源供應安全性和可負擔性。2023年8月，ARENA通過“區(qū)域微型電網計劃”撥款1.25億澳元用于微型電網技術開發(fā)和應用[14]，5000萬澳元用于支持微型電網試點項目，7500萬澳元支持原住民社區(qū)微型電網項目。
4、加拿大
加拿大地域廣闊，其微型電網項目主要為遠離大型電網的偏遠社區(qū)供電，解決長距離輸電困難問題。2022年以來，加拿大政府累計為Lac Mégantic微型電網項目追加超過350萬美元[15],[16]，幫助當?shù)鼗A設施并入Lac Mégantic微型電網，促進微型電網知識傳播和技能培訓。2022年6月，加拿大政府資助薩斯喀徹溫省的Kinoosao微型電網項目[17]，試點研究太陽能微型電網可行性，預計項目建成后每年可節(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目[18]，其中，將研究蒙大拿州地區(qū)所有配電基礎設施并入微型電網的可能性。加拿大微型電網目前多用柴油發(fā)電，未來發(fā)展可能將轉向光伏、風力發(fā)電。
5、中國
我國微型電網起步較晚，2020年起，陸續(xù)發(fā)布多個推進微型電網部署的文件，加快電網布局建設。其中，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》要求加快智能微型電網建設，提升向邊遠地區(qū)輸配電的能力[19]，《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確微型電網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，實現(xiàn)與大電網的兼容互補[21]，《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則（試行）》表示要推進微型電網等新興市場主體參與交易[22]。然而，當前國內缺乏統(tǒng)一的微型電網體系規(guī)范文件和技術標準，成為微型電網進一步發(fā)展的主要障礙。
二、微型電網建設典型案例
微型電網建設項目主要分布在偏遠地區(qū)、城市公共機構和工商業(yè)區(qū)以及住宅區(qū)域[23],[24]：
（1）山區(qū)微型電網。湖南常德九嶺村的光儲一體微型電網由分布式光伏和儲能電池組成，同時，配套的新型臺區(qū)智能融合終端系統(tǒng)可以進行偏遠山區(qū)分布式資源狀態(tài)實時監(jiān)控，實現(xiàn)山區(qū)電力靈活保供。光儲微型電網的供電可靠性、電能質量相比于傳統(tǒng)電網將提高至99%。
（2）海島微型電網。英國埃格島離網型微型電網的發(fā)電系統(tǒng)由分布式光伏、小型風力發(fā)電和水力發(fā)電設施組成，同時普通儲能電池陣列，是風、光、水、儲有效整合的典型示范。埃格島系統(tǒng)總裝機容量約為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，埃格島微型電網還備有兩臺70千瓦的柴油發(fā)電機，用于應對不時之需。
（3）城市微型電網。深圳光明新區(qū)的欣旺達光儲微型電網包含460千瓦的光伏發(fā)電系統(tǒng)和662.4千瓦時的鋰電池儲能系統(tǒng)，用于照明、供暖、供電。欣旺達光儲微型電網由公共連接點斷路器控制，與園區(qū)電網相接，實現(xiàn)并網運行，光電富足時，由微型電網輸送多余電力到工業(yè)用電電網；光電短缺時，由民用電網輸送備用電力到微型電網。
（4）住宅微型電網。紐約聯(lián)合公寓城并網型微型電網由3個主要部分組成：燃氣輪機、蒸汽輪機以及控制系統(tǒng)。整個電力系統(tǒng)總裝機容量可以達到40兆瓦，能夠滿足區(qū)域內6萬名居民、24兆瓦的用電負荷峰值需求，剩余的16兆瓦發(fā)電力會被出售給大規(guī)模電網營利。
三、微型電網行業(yè)創(chuàng)新的前沿領域
微型電網具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ苍诮ㄔ斐杀?、項目選址、投資交付等方面面臨著各種挑戰(zhàn)[25]。擴大微型電網規(guī)模，需要構建10個模塊，這些模塊也代表著微型電網行業(yè)創(chuàng)新的10個前沿領域。
（1）太陽能微型電網。第三代微型電網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能源平準化成本，嘗試第三代電網與主電網互聯(lián)，統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)收集最終整合到微型電網程序。
（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電氣化規(guī)劃范圍，進而部署區(qū)域微型電網，同時數(shù)字化各電站屬性。這一方法可以大幅削減微型電網選址相關的投資前成本，也可以幫助識別潛在的生產型客戶促進電網營收。
（3）企業(yè)生存。隨著微型電網開始創(chuàng)造盈利，實現(xiàn)生產商與用戶雙贏，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)融資的關鍵風險，電網運營商需要根據(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)參與不足已經成為多數(shù)能源項目不能長期發(fā)展的主要制約，鼓勵社區(qū)參與可以刺激區(qū)域用戶對微型電網服務的需求，擴大聯(lián)網范圍，最終提高用電需求，同時用戶參與到電網系統(tǒng)的運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)公司提供電網服務。隨著微型電網數(shù)量和規(guī)模的增加，電網系統(tǒng)積累巨大利潤潛力，這就需要財政支持和責任分擔，例如爭取政府補貼和建立公私伙伴關系。其中，地方企業(yè)專注了解當?shù)匾?guī)章制度和協(xié)調服務客戶，國際企業(yè)適合跨國/地區(qū)復制電網項目，公用事業(yè)公司則由國家或城市財政投資。
（6）融資。微型電網融資規(guī)模已經從2000年的百萬美元增加到當前的數(shù)十億美元，大型項目更能夠吸引政府、金融機構、跨國企業(yè)參與。長遠來看，隨著私營資金的加入，公共資金投入比例應該逐漸減少，并針對不同開發(fā)商制定由股權、債務、補貼和風險分擔機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)擴大微型電網部署。開展針對主要利益相關者的培訓能更好地建立操作技術嫻熟、知識儲備充足的電網系統(tǒng)，快速擴大電網規(guī)模。
（8）多樣電網交付模式。微型電網交付模式多樣，需要協(xié)調政府、企業(yè)制定靈活的、避免重復監(jiān)督和角色沖突的體制框架，原則上可用于應對各種電網交付模式。
（9）優(yōu)化配置。隨著風、光、水、氫等可再生能源的發(fā)展，開發(fā)多種儲能方式至關重要，同時需求的多樣化也催促著微型電網行業(yè)積極響應電力調度要求，平衡供需關系，優(yōu)化配置、優(yōu)化運行。
（10）行業(yè)監(jiān)管。目前大部分國家/地區(qū)缺乏微型電網專用監(jiān)管框架，最佳框架應該以最低的成本回收費率促進運營商提供最好的服務，同時監(jiān)管框架應該靈活可預測，可以隨著市場變化而改變。
四、微型電網關鍵技術及創(chuàng)新方向
微型電網關鍵技術包括規(guī)劃設計、運行管理、保護控制、儲能技術等，充分發(fā)揮微型電網潛力，需要圍繞上述方面進行創(chuàng)新[26],[27]：
（1）規(guī)劃設計。項目的規(guī)劃設計需要進一步協(xié)調可再生能源、儲能系統(tǒng)、電力負載等，維持電力穩(wěn)定供應，還需構建可靠的通信基礎設施，保證多個電網之間的協(xié)調與協(xié)作以及平衡運行。同時，未來微型電網為了滿足用戶對電源、儲能系統(tǒng)、電力負載的“即插即用”要求，可能需要重新設計整個系統(tǒng)，最終實現(xiàn)自主運行。
（2）運行管理。發(fā)揮微型電網最大效益，需要識別不同電源和負載，差別制定運行管理機制，便于靈活應用于不同場景。為了保證電能質量和輸電效率，需要保持短期功率平衡，研發(fā)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置，保證系統(tǒng)穩(wěn)定供電。此外，孤島模式運行的微型電網需要配置專用控制裝置，避免發(fā)動機在啟動階段突發(fā)故障。
（3）保護控制。微型電網保護不能僅靠固定繼電器，還需進一步研究制定在所有模式和轉換過程中安全運行的保護策略。同時當微型電網組成元件具有不同特性時，獨立供電的電網需要配套有效控制系統(tǒng)參數(shù)的保護控制技術。實現(xiàn)微型電網智能化還需要集成智能電表與網絡控制。
（4）儲能技術。在微型電網中安裝儲能系統(tǒng)可以較好解決電網電力不穩(wěn)定和不連續(xù)問題。未來儲能技術研發(fā)仍需聚焦于延長電池壽命和存儲時間、降低電能自損耗和成本、提高響應速度和穩(wěn)定性等方面，同時更要注重新型電化學儲能材料研發(fā)，滿足高能密度、快充快放等要求，還要保證與微型電網系統(tǒng)的協(xié)同調度。
