10.2 智慧微能源网及工程实践

电力工业是国家的经济命脉，随着通信、测量、计算机与控制等技术的发展及新的一次与二次设备在电力系统中的广泛使用，人们对当代和未来电力系统提出了更高的要求和期望。国内外学者先后提出了智能电力系统、智能电网、微电网等概念来描绘未来电力系统和电网的可能形态[1] 。文献 [1] 明确指出，智能电网即为 110 kV 及以下电压等级的智能电力系统。微电网是智能电网的分布式表现形态，属于智能电力系统范畴。智能电力系统的建设可有效提高电力系统运行的安全性，改善电能质量和降低能耗。

近年来日益严重的全球能源危机和环境污染问题，迫使人们在智能电力系统的基础上进一步思考能源利用方式。随着以清洁能源和能源网络互联为核心的“第三次工业革命”及互联网技术的逐步推动，综合利用风、光、水、气等清洁能源成为解决全球能源和环境问题的一项共识，能源互联网在此背景下应运而生[2] 。能源互联网是一个融合冷、热、气、电等不同能源网络，实现多能互补、用能效率提升的能量供应系统，其核心是电力系统，基础是智能电网，目的是最大程度地接纳可再生能源[3] 。

微能源网是能源互联网的一种分布式表现形态，是未来能源系统的发展趋势之一[4] 。具体而言，微能源网是由供电电源、分布式能源、储能元件、负荷等组成的，既可独立运行，又可接入公共能源网络的区域微型能源网络[5-6] 。微能源网将电力、燃气、热力等资源集成为整体资源，通过多能源间的转换交易，实现能源的统一调度和协调规划，从而提高资源利用率。我们可以从两个方面认识微能源网，一是将其视为微电网的扩展形式，即将规划、调度、传输及分配的对象，从电能拓展为多种能源的结合；二是将其视为分布式冷热电联供系统的深化形式，涉及的能源种类更为多样，且更加注重多能源的协同管理[7-9] 。

微能源网能量管理技术对于微能源网提高能源利用效率、减少碳排及最大限度地接纳新能源具有重要意义。类似于微电网分层能量管理体系[10-11] ，微能源网亦可采用分层控制架构，分别实现多能源生产单元及输出产品的控制、能量路由器的控制，以及微能源网与能源互联网间的联络线潮流控制。在微能源网分层能量管理架构中嵌入基于分布自治、集中协调的运行控制层[12] ，可实现微能源网多指标趋优运行和微能源网间的能量转换，进而构建智慧微能源网及智慧微能源网群。

智慧微能源网的多指标自趋优运行与微能源网间的能量交换依赖于高效的运行控制与优化决策方法。智慧微能源网是一个复杂的高度耦合随机系统，从横向角度看，它由电、气、热、冷等能源系统构成；从纵向角度看，它由生产商、调度中心和用户等多决策主体构成。因此，智慧微能源网的优化决策与运行控制面临巨大挑战。工程博弈论是在工程设计与试验中，应用博弈论的基本概念、建模与求解方法并考虑工程实际技术条件进行决策的理论[13-14] ，它被广泛应用于解决由不断开放的市场环境及大规模风光发电并网带来的不确定性所引发的智能电网规划、调度、控制及演化等问题[15-20] 。鉴于此，工程博弈论可为智慧微能源网（群）运行控制与优化决策提供建模工具与技术支撑，并指导构建智慧微能源试验系统。

在能源互联及智慧能源背景下，自 2014 年起，清华大学联合青海大学开展智慧微能源网工程示范研究，在青海大学建成了基于太阳能高效综合利用的智慧微能源网试验系统。青海大学智慧微能源网系统涵盖了太阳能光伏发电、光热复合压缩空气储能、热电光伏复合发电系统、热气流发电、光热利用等多种技术形式，并配有先进的监控与能量管理系统，可实现系统内部冷、热、电等多种形式能量的高效调度，显著降低系统运行成本，并实现零碳排。