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行业新闻

微电网 不应该是一场能源变革的“大秀”

文字:[大][中][小] 2019-2-25    浏览次数:46    

微电网 不应该是一场能源变革的“大秀”

美国能源类咨询公司Navigant Research的一份新报告研究了全球六大区域、七种微电网细分市场的最新进展数据。这七种细分市场包括:工商业用户、社区、公用事业配电网、机构/校园、军事、远距离孤岛和直流微电网。报告统计了已知微电网从规划、设计和实施等各个阶段的详细数据。

自2018年第二季度以来,Navigant Research又研究了超过240个新的微电网项目,总发电容量超过1,239兆瓦。截至2018年第四季度,全球范围内,Navigant已识别了2,258个微电网项目,共计19,575.0兆瓦的规划和装机容量。

Navigant Research的研究分析师Johnathon de Villier说:“最新一版[第15版]微电网部署报告显示北美在微电网装机总容量方面的领先全球市场,其次是亚太地区、中东和非洲。它揭示了光伏和储能在现代微电网系统中占据重要地位,特别是农村电气化和能源接入计划推动了偏远地区微电网的增长。”

根据该报告,偏远地区的微电网[供电孤岛]占全球所有微电网容量近40%,总计7,604.4兆瓦。按容量划分的下一个最大客户群是工商业(C / I)和公用事业配电网,分别为5,542.9兆瓦和2,307.9兆瓦。在最新版的报告种,偏远地区的孤岛微电网部分在新增容量方面继续领先市场,67个新项目总安装容量达到415.4兆瓦。

中国微电网的最新进展

T&D World网站和本公众号曾经报道了全球不同区域的微电网实践,最近我们有幸参观了中国苏州同里小镇,那里展示了一个使用众多先进技术的微电网社区。

项目的规划者试图向人们展示未来能源利用的创新模式。在这个微电网示范项目中,发电设施采用了多种形式的屋顶光伏、高温相变光热发电系统以及具有发电能力的“电子公路”;微电网的核心是一个被称为“微网路由器”的多端口直流变流器,在项目中体现灵活组网、交直流混联的新概念;在用电侧,展示了多种形式的电动汽车充电设施、电动汽车换电设施;储能方面,强调了电动汽车退役电池的处理和梯级利用;智慧建筑领域,展示了一种被称为“无源房”的建筑物节能技术。项目宣传中,将Passive House翻译为“被动房”,这一点可能容易引起歧义。

在项目一个角落,安装了上面这个高温相变光热发电设施,据说有几个kW的发电能力。光热是一种最近流行的清洁能源利用方式,他不需要制造高耗能的硅片来转换太阳能,而是利用高温熔盐储热,加热蒸汽锅炉驱动汽轮机发电。它的优点除了设备制造时的低能耗外,最重要的是改变光伏发电间歇性的特性,至少在一定的时间段内可以做到均匀出力。同时,相变的媒介具有能量储存的特性,可以将太阳能发电的输出特性向傍晚的负荷高峰期转移。“相变”听起来是一个很专业的词汇,实际上在冷热存储中,相变材料起到了很重要的作用,例如,冷库中用来应急的低温相变材料,可以在冷库断电时,吸收热量,保持冷库的温度。

电力电子变压器应该是这个项目的绝对核心内容。一个采用阀塔式结构的多端口柔直系统将不同的交流、直流系统连接起来,但现场没有更多的介绍。它可能采用了MMC结构,电源端有直流的光伏系统,用电侧有直流充电桩,似乎是一个很好的“需求响应”模型,但在众多眼花缭乱的展示中,这个智能电网的核心设备却略显“落寞”。

最令人惊奇的应该算这个“三合一”电子公路了。“三合一”应该是指光伏发电、无线充电和(导航或车联网?)三合一。听起来不错把?但是据当前所具备的技术,无线充电的车载接收设备标准在3kW到7kW范围;光伏发电的效率每平方米小于300W,即使我们按照较小的车流量估算,无论能源供给、传输还是最终利用似乎这种“三合一”只能是一个美好的想象,但在这个项目中它足够吸引眼球。

节能建筑“无源房”并不在参观路线之中,因此总结同里小镇微网“秀”有以下特点:

创新的概念,炫酷的展示

多种技术的集合

使用电力电子变压器作为微网能源路由器

建筑物节能与智能用能体验(未列入参观)

全球范围内,对比其它公用事业公司的微网项目,如果能够:1)更突出交直流混联、直流配电网与需求响应、电动汽车充电与储能的结合、剔除一些已经验证的无法发展的技术,如,公交车换电(换电最可能在某些特定场景、特殊工程车上使用);2)重点落脚在配网,如,光热在大规模利用是可行的,但是否能成为分布式发电设施?3)不仅仅是科普,还可以开放科学研究。解决上述3个问题,那么参观者的疑惑会少一些。

我们需要什么样的能源转型研究?

科学家和工程师们正在设计和规划明天的电网,使其能够提供更强大的功能,从而可以实现一些非常雄心勃勃的目标:

确保更高水平的电力安全性、质量、可靠性和可用性(SQRA)

提高经济生产力和生活质量

提高电力系统的效率和资产利用率

减少环境影响,促进可再生资源和可变需求负荷的整合

给客户更多的选择和控制

同时,确保安全。

实现这一愿景需要谨慎地制定政策并加快基础设施投资。它还需要更多地致力于公共/私人研究、开发和示范(RD&D),以解决主要的技术障碍和消除不稳定因素。这些研发和示范是实质性的,它将要求广泛的组织和机构参与。同时,包括多年来的主要承诺,即支持信息系统和控制系统的开发,将动态输电和配电以及分布式能源(DER)技术集成到系统规划和运营中。

正如一些世界上执行力最强大的公用事业公司所提出的,未来电网的目标依赖于“技术推动”。公用事业及其监管机构正面临着“电力公司保持高增长的售电量,同时也需要满足终端用户分布式发电”的政策要求,并且稳步推进部署清洁低碳的能源。技术是实现这些目标的关键推动因素。

只有公用事业继续投资于其自身不断演变的关键系统目标满足以下全社会期望的愿景,则未来电网可以获得更高的效率。

其中一些目标如下:

支持消费者的积极参与

智能电网应该吸引客户和日益智能的能源技术在他们的家庭和企业中使用。互联网上随时可用的最佳、最便宜、最独特、最与客户相关的产品和服务,已经产生了越来越多的客户期望。电力行业不能脱离于这些趋势。智能电网客户希望技术能够有效地管理他们的舒适度和能源选择,了解并体验减少服务中断的发生率,并为控制和修改他们使用和购买电力的方式提供选择。他们越来越期望并且在采用智能设备和修改他们的购买模式和行为方面有选择、激励或社交媒体互动。

支持新产品,服务和市场

智能电网应该能够支持一种市场体系,通过创造竞争与服务的机会,为消费者提供有意义的成本 - 收益均衡。监管机构、系统集成商和运营商以及消费者可以尽可能地修改业务规则,以便根据市场条件创造机会。灵活,坚固的电力市场基础设施可提供不同的电力可靠性和质量服务水平,以满足客户的个性化需求。对于一些消费者而言,这可能需要确保持续的电力服务和可靠性,同时还为市场参与者提供收入或成本降低的机会。

适应和优化驻留在电网中不同点的智能设备的使用

虽然未来的电网可能包含数十亿个智能设备,但是控制或协调这些设备的操作与系统架构其可靠性的一致性尚不确定。一些集中式的发电和电网设备很可能继续集中调度。可以将对其他设备和最终用户的控制调度交给变电站和微电网,以解决市场结构、可靠性或延迟问题。其他设备和最终用户可以彼此直接交易,通过本地化市场或所谓的主控制器创建分布式协调形式。这些控制器将通过彼此通信以及与电网通信来控制建筑物、校园或工业园区中的本地分布式能源(DER)和利用。

适当使用开放标准

标准对于确保维护电网所需的不同电力和信息系统的互操作性至关重要。领导和影响标准制定的持续能力将成为公司参与并从大规模全球计划中获益的一个主要因素,以建立现代化的电力系统。

整合新旧技术

智能电网将随着时间的推移而演变。它需要一个清晰的路线图和未来的过渡路径。在整个过程中的每一个阶段,下一代系统都必须与旧系统进行互操作。

为数字经济提供更高的电力质量

从本质上讲,智能电网必须继续提供可靠的电力,“清洁”,干扰最小。全球竞争力要求数字设备相对无故障运行,以提高21世纪经济的生产力。需要系统模型来支持DER的集成 - 如果没有计划,它将永远不会被集成。

电力公用事业客户以及公用事业本身,一定意义上,是新技术的赞助者。那么,为什么这些相同的公用事业不更多地提供足够的研发和示范(RD&D)资金呢?

就其性质而言,电力设施有时会抵抗快速变化。输电系统(即电网)是庞大而复杂的网络。它由一系列资产组成,包括输电线路、变电站、配电馈线和相关设备,代表了任何行业最大的资本投资之一。

所有权很复杂,由各种结构组成,具有同样复杂和保守的治理体系。在这些实体受到监管的情况下,它们通常受制于国家监管制度,其中投资可以理解地进行审查,并且必须被认为是谨慎的,并且满足该公用事业客户的需求时表现为“使用和有用”。在此测试下,研发和示范通常必须经受住为公用事业客户提供特定利益的考验,或承担不允许投资的风险。例如,美国有超过2700个单独的公用事业公司,每个公司都不愿意独自承担开发的负担。

电气设备制造商是智能电网领域研发和试点的另一个可能的赞助商,因为它提供了更多的产品供他们销售。他们确实进行了一些自己的研发和试点。然而,出于上述原因,智能电网技术的市场难以导航。在控制中心的计算机等重要技术仅面向数百名潜在买家的市场时,尤其如此,制造商投资的动力不足。更大的智能电网技术 - 如那些体现先进电力电子设备的技术 - 大多数公用事业公司缺乏规模、财务实力和承担新技术研究,开发和示范的任务。此外,他们不再能够维持装备精良的实验室或测试设施。虽然美国有电力研究所(EPRI)开展协同研究,但EPRI的行业资金是来自行业的自愿捐助,自20世纪90年代初以来,EPRI的研究支出急剧下降。

全球各地的公用事业公司面临着保护电力系统免受网络和物理攻击的成本;为现有发电机组增加新的污染控制设备;保持系统稳定性和可靠性,同时取代老化资产,面对经济结构性转变带来的收入增长潜在下降,提高终端能源效率,以及强调减少需求资源价值的监管和市场创新。

如何教育政策制定者、监管者和投资者了解在公用事业规模和直接在消费者场所研究发电和输电、配电、储能和使用先进技术的可能性?一个关键是市场参与者之间的对话,以促进共同标准和架构的发展,这些标准和架构可以加速经济高效的电网现代化,确保安全性并实现互操作性。虽然智能电力系统的开发将涉及成千上万的市场参与者(从公用事业到最终用户)的投资决策,但它将受到技术发展的影响。通过政府监管机构和决策者提供的激励措施,改变的另一个主要催化剂是市场手段——经济性来“指导”。

现在是时候开始教育决策者了解能力(通过概念证明项目和对有前景的技术的投资)和赞助接口标准,以实现智能电网中部署的技术之间的互动。公用事业、监管机构和政策制定者在指导电网发展的过程中需要支持许多领域,包括在以下五个方面提供支持:

1.表征不断变化的物理拓扑对电力系统的影响,包括集中式发电设施的各种配置,大容量发电、输电和配电规划和运行的集成,输电和配电拓扑的动态控制,分布式能源技术(包括分布式发电,需求响应和储能)和微电网。这包括评估大规模使用间歇式资源(包括风能和太阳能发电)对电力系统可靠性和温室气体减排的影响和效益。

2.开发,演示和部署传感器、通信、保护、控制、数据管理和信息系统,以管理更加动态的电网和分布式能源技术的集成。

3.开发和演示新的计算能力,利用高性能计算技术和运营分析的新算法。

4.开发和识别各种先进技术的应用,这些技术有望增强电网的功能和性能。

5.审查和报告潜在的网络和物理安全威胁,以及安全性改进建议。

研发和示范结果对解决电力行业挑战至关重要。通过确保稳定可靠的通信,适当应用关键学习和部署成熟技术对于解决电力行业的关键长期和近期挑战至关重要;继续保证长期可靠性;确保物理和网络安全;并以综合方式利用新的供应,存储和最终用途资源。

任何示范都需要包含以下内容:

自然灾害影响

人们越来越担心电力基础设施容易受到自然灾害造成的大规模停电的影响。最近的例子包括超级风暴桑迪、卡特里娜飓风、美国东北部2011年10月的风暴,以及日本的海啸和由此造成的福岛第一核电站灾难。在每种情况下,电力基础设施遭受了相当大的破坏,使公民无电,往往没有干净的水、食物和燃料供暖或运输。作为数字时代的另一个后果,现在通常由手机技术提供的通信也失败了,因为许多手机信号塔都没有电源,而电话用户基本上没有电力给他们的手机充电(除了一些太阳能充电器) 。

投资效率

智能电网策略可能能够显着提高公用事业负载因素和资产利用率。但是,需要更多的研究来显示潜在的改进。这可以在帮助公用事业管理新的投资需求方面发挥关键作用。在过去十年中,美国的平均发电容量系数一直低于50%。许多输配电设施的平均使用率甚至更低。为了在满足消费者需求的同时实现更大的供应可变性,需要创新技术以使消费者及其能源技术对电力系统条件做出更大的响应。在电力行业,州监管机构一直不愿意让消费者接受动态定价(由于政治原因),从而限制了消费者在高峰需求时保存的倾向。

网络安全

美国国家科学院的一份重要报告(“恐怖主义与电力输送系统,国家研究委员会”,2012年)确定了保护电力系统免受网络或网络和物理攻击的影响。本报告建议采取措施,包括使用传感器和开发微电网,以减少电网的脆弱性。虽然微电网本身可以为网络攻击提供足够的“防火墙”是值得怀疑的,但智能电网的工作已经帮助引领了将网络安全纳入流程和网格技术以及开发全面的网络安全架构的方式。

集成的分布式能源(包括大规模的电动汽车)和碳交易政策的适应性

欧盟估计,达到目前的欧洲目标可能导致到2050年温室气体排放量减少80%(“2050年从欧洲委员会转向2050年的低碳经济路线图”)。这可能需要在很短的时间内满足重要的新负荷,同时在很大程度上使电气部门脱碳。

为了支持这一点,电力公用事业公司需要基础设施来支持就地化的分布式电源,并最终大规模采用分布式能源和电动汽车。这些要求可能比根据历史经验预期的要快得多。例如,麦肯锡的一项研究发现,完全安装的住宅太阳能光伏系统的成本可能会从2008年的每瓦峰值4美元以上降至2020年的每瓦峰值1美元。智能电网技术将提高电网“消纳”能力,通过提供管理更复杂系统所需的可见性和控制,来增分布式能源的使用。然而,我们必须理解,传统的输电和配电必须适应这些分布式能源,无论其处于高峰还是低谷。

集成需求响应的负荷

智能设备,例如自动化客户对节约和舒适的偏好的恒温器,智能设备以及建筑和家庭能源管理系统,将充分利用数据分析的进步和数字技术的成本下降来提供更广泛和更深层次的需求参与。谷歌以32亿美元收购Nest,而苹果公司宣布其HomeKit能源应用平台只是不断增长的供应商基础的一部分。做到这一点,需要公用事业和能源服务公司、技术和控制公司、有线和电信提供商、大型零售商和一系列初创企业。对于大多数电力用途,智能设备利用热能的惯性,如,建筑物制热制冷、热水、冰箱以及负荷的时间特性,如,循环泵、批量处理、洗碗机和充电电动车辆和其他设备,来预测和控制需求。使用电力市场或系统运营的设备集成能源的自动选择引擎可以确定使用电力的最便宜时间,实施节约策略,并匹配个人对舒适性和服务的偏好。

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