中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：微電網(wǎng)構(gòu)建分布式能源多樣化應(yīng)用場景
無論是在離岸的海島、偏遠(yuǎn)的邊疆無人地區(qū)，抑或是在人群密集的都市樓宇、社區(qū)、工廠，人們越來越多的看到分布式能源應(yīng)用的場景。例如，分布式光伏、風(fēng)力發(fā)電搭配柴油發(fā)電機(jī)組成的微電網(wǎng)，保障遙遠(yuǎn)小島上漁民的全部用能需求；又如，天然氣冷熱電三聯(lián)供（CCHP）、分布式可再生能源技術(shù)被集成到城市社區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，為居民和企業(yè)提供本地生產(chǎn)的且經(jīng)濟(jì)高效的電力、熱水以及制冷服務(wù)。而這一切很大程度上需要?dú)w功于微電網(wǎng)技術(shù)，正是因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的興起，人們選擇的用能服務(wù)不再局限于市政電網(wǎng)集中供能的模式。這也使得那些建立在市政電網(wǎng)范圍之外的遙遠(yuǎn)海島、邊疆區(qū)域，以及對經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性有特殊要求的用能單位，可以按照其各自的需求在靠近用戶側(cè)的位置來建立分布式的能源供應(yīng)系統(tǒng)。
“微電網(wǎng)”，是相對傳統(tǒng)“大電網(wǎng)”而言的一個(gè)概念，是指采用先進(jìn)的控制技術(shù)以及電力電子裝置，把分布式能源和它所供能的負(fù)荷以及儲(chǔ)能等設(shè)備連接形成一個(gè)微型的完整電網(wǎng)。這種“微型”的電網(wǎng)是從發(fā)電、輸變電，直到終端用戶的完整電力系統(tǒng)，既可以自身形成一個(gè)功能齊全的局域性能源網(wǎng)絡(luò)，以不干擾輸配電系統(tǒng)的方式“孤網(wǎng)運(yùn)行”；也可以通過一個(gè)公共連接點(diǎn)與市政電網(wǎng)并網(wǎng)連接：當(dāng)微電網(wǎng)電源功能不足時(shí)可以通過大電網(wǎng)補(bǔ)充缺額，發(fā)電量大時(shí)可以將多余電量饋送回大電網(wǎng)。必要時(shí)，兩種模式間可以進(jìn)行切換，這充分維護(hù)了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
作為多種分布式能源的集大成者，“微電網(wǎng)”技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用場景。在一套完整的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式能源作為發(fā)電側(cè)的供能主體，不同品類的能源之間能夠協(xié)同互補(bǔ)；在用電側(cè)，系統(tǒng)對用電負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測和控制；在控制系統(tǒng)層面，微電網(wǎng)需要進(jìn)行內(nèi)部調(diào)度以及與外部的溝通，實(shí)現(xiàn)高度自治；蓄冷、蓄熱和電儲(chǔ)能使得微電網(wǎng)兼具安全性以及靈活性。按照是否與大電網(wǎng)聯(lián)接，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。離網(wǎng)型微電網(wǎng)的應(yīng)用場景包括解決海島和偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題，并網(wǎng)型則為用戶的供能安全添加了一份保障，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行也可以改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。
分布式能源在離岸海島微電網(wǎng)的應(yīng)用
英國蘇格蘭的埃格島（Isle of Eigg）是海島離網(wǎng)型微電網(wǎng)成功應(yīng)用的典范。因地制宜的微電網(wǎng)充分利用了當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，其中發(fā)電系統(tǒng)主要由分布式光伏、小型風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電設(shè)施組成，總裝機(jī)容量為184千瓦。多余的可再生電力被儲(chǔ)存到電池陣列中，天氣條件不佳的情況下，電池組可以為全島提供一整天的電力。微電網(wǎng)中還包括兩臺(tái)70千瓦的柴油發(fā)電機(jī)，以備不時(shí)之需。整個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量雖不算大，但足以滿足近百名居民的電力需求，可以稱得上是“小而美”的海島微電網(wǎng)。
微電網(wǎng)中，各種能源在不同季節(jié)、不同時(shí)段中協(xié)同運(yùn)行，多能互補(bǔ)也成為埃格島電力系統(tǒng)的最佳配置。得益于較高的緯度，夏季的埃格島可以享受較長時(shí)間的日照，再加上夏季雨水較少，光伏系統(tǒng)的利用率也隨之提高。受天氣影響，風(fēng)電和水電在夏季的出力狀況不甚理想，居民全天的電力消費(fèi)都來自光伏和儲(chǔ)能電池，只有在游客增多等少數(shù)情況下，備用的柴油發(fā)電機(jī)才開始供電。到了冬季，島上降雨增多，三臺(tái)小型水力發(fā)電機(jī)成為主要的電力來源。埃格島微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)可以監(jiān)測發(fā)電設(shè)施的運(yùn)行，優(yōu)化電池的充放電循環(huán)，并且在電力短缺時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。
微電網(wǎng)極大地提升了埃格島的電力消費(fèi)品質(zhì)。微電網(wǎng)建成之前，居民靠自家的柴油發(fā)電機(jī)供電，在支付高昂成本的同時(shí)，還要忍受設(shè)備的噪音和空氣污染。島上的柴油依靠渡輪運(yùn)輸，儲(chǔ)備有限的住戶會(huì)面臨斷電的風(fēng)險(xiǎn)。如今，微電網(wǎng)保證了埃格島的不間斷供電，每年超過90%的電力消費(fèi)都來自可再生能源，二氧化碳的排放量也降低了接近一半。另一方面，島上的微電網(wǎng)展示了出色的經(jīng)濟(jì)性。整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)成本約為166萬英鎊，而跨海架設(shè)電網(wǎng)的成本則高達(dá)400多萬；目前，埃格島的電力價(jià)格仍高于英國的平均水平，但已經(jīng)比過去降低了60%。風(fēng)、光、水、儲(chǔ)的有效整合使居民擺脫了化石能源的限制，埃格島的經(jīng)驗(yàn)也證明，離網(wǎng)型海島微電網(wǎng)可以滿足現(xiàn)代生活的電力需求。
分布式能源在偏遠(yuǎn)區(qū)域微電網(wǎng)的應(yīng)用
除了可以改善現(xiàn)有的供電系統(tǒng)外，離網(wǎng)型微電網(wǎng)還是無電地區(qū)實(shí)現(xiàn)電力普及的重要一環(huán)。國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，截至2014年，全球仍有12億人缺乏電力供應(yīng)。在印度，無電人口的數(shù)量達(dá)到2.4億，約占印度人口總數(shù)的20%，其中絕大部分人生活在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，這給印度政府的全國電氣化計(jì)劃帶來不小的的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。比哈爾邦（Bihar）是印度電力缺口最大的邦之一，全邦79%的農(nóng)村家庭無電可用，其中超過一半的家庭沒有接入電網(wǎng)；其他所謂的“通電”家庭則依賴于單一的柴油發(fā)電機(jī)，這使得該區(qū)域?qū)Σ裼吞貏e依賴，提高了用能成本并造成了空氣污染。
以光伏作為主、柴油發(fā)電機(jī)作為備用的分布式能源系統(tǒng)可以解決這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。研究人員為農(nóng)村家庭開發(fā)了光伏微電網(wǎng)，包括一塊125瓦的太陽能電池板、1千瓦時(shí)的儲(chǔ)能電池、控制箱和直流家電。不同于普通的交流用電，這套戶用微網(wǎng)以直流電運(yùn)行，避免了光伏、電池和家電之間交直流轉(zhuǎn)換引起的能量損失。整套系統(tǒng)的成本比架設(shè)電網(wǎng)的方式更低，供電也更加可靠。已經(jīng)接入市政電網(wǎng)的家庭也可以將其作為優(yōu)質(zhì)的備用電源，免除電網(wǎng)頻繁斷電帶來的困擾。同時(shí)，研究人員也開發(fā)了覆蓋多戶家庭的500瓦和7.5千瓦的微電網(wǎng)。目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)為超過4000戶的農(nóng)村家庭提供了電力。在比哈爾邦的農(nóng)村社區(qū)，分布式光伏、儲(chǔ)能電池與已有的柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，為用戶提供可靠電力的同時(shí)也降低了用電成本，在柴油價(jià)格走高之時(shí)，光伏的替代作用使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更加出眾。目前，印度大多數(shù)的微電網(wǎng)和獨(dú)立供電系統(tǒng)仍采用柴油發(fā)電機(jī)，但成本日趨下降的分布式光伏和因地制宜的小型水電、風(fēng)電設(shè)施正逐漸凸顯出經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，這在農(nóng)村地區(qū)顯得尤為重要。離網(wǎng)型微電網(wǎng)將在印度的電氣化進(jìn)程中起到關(guān)鍵作用，這項(xiàng)技術(shù)也值得向全球的其他無電地區(qū)推廣。
分布式能源在城市社區(qū)微電網(wǎng)中的應(yīng)用
如果說離網(wǎng)型微電網(wǎng)是海島和偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)電力普及的必選項(xiàng)，那么在可靠電網(wǎng)覆蓋的城市開發(fā)微電網(wǎng)系統(tǒng)則將起到錦上添花的作用。并網(wǎng)型微電網(wǎng)可以在聯(lián)網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行兩種狀態(tài)之間自由切換。當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微電網(wǎng)可以選擇與大電網(wǎng)斷開，保障區(qū)域內(nèi)用戶的供能安全；當(dāng)選擇聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)也可以通過出售多余電力和需求響應(yīng)等方式獲得額外的經(jīng)濟(jì)收益。
并網(wǎng)型微電網(wǎng)滿足了美國最大的居民住宅——紐約聯(lián)合公寓城（Co-Op City）的能源需求，并且在極端天氣的情況下保障系統(tǒng)的供能安全。該項(xiàng)目的核心設(shè)備是西門子公司生產(chǎn)的能夠?qū)崿F(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供（CCHP）的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)以及控制系統(tǒng)。該能源站總裝機(jī)容量達(dá)到40兆瓦，可以滿足全部6萬名居民24兆瓦的用電負(fù)荷峰值需求，其余16兆瓦容量發(fā)出的電力被出售給大電網(wǎng)。2012年10月，颶風(fēng)“桑迪”席卷美國東海岸并造成大面積斷電期間，聯(lián)合公寓城的微電網(wǎng)持續(xù)供能，6萬名住戶未受影響。除公寓城外，處于颶風(fēng)登陸區(qū)域的紐約大學(xué)和普林斯頓大學(xué)也配備了以天然氣分布式能源站為主的微電網(wǎng)，兩所大學(xué)與大電網(wǎng)斷開并切換至“孤島模式”，保證了市政電網(wǎng)斷電期間校園的能源供應(yīng)。這些案例都充分體現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖片來自西門子《分布式能源系統(tǒng)白皮書》
歸功于先進(jìn)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，加拿大渥太華的亞崗昆學(xué)院（Algonquin College）得以大幅降低校園的用能成本。值得一提的是該微電網(wǎng)系統(tǒng)的“智能化”大腦——西門子Spectrum Power分布式能源微網(wǎng)系統(tǒng)管理平臺(tái)（MGMS），該系統(tǒng)集成建筑自動(dòng)化和負(fù)荷管理技術(shù)，擁有最大容量超千萬條數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以監(jiān)測并記錄校內(nèi)建筑的能源消耗，并對暖通、空調(diào)、照明等設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在不影響正常教學(xué)的前提下提高建筑的能源效率。校內(nèi)微電網(wǎng)主要由容量為4兆瓦的天然氣CCHP機(jī)組供能，以及分布式光伏、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電站等系統(tǒng)，但發(fā)電功率略低于校園的峰值負(fù)荷。在需要進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)將識(shí)別并削減不必要的負(fù)荷，使微電網(wǎng)平穩(wěn)過渡到孤島模式。另一方面，控制系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)能源市場的價(jià)格波動(dòng)，調(diào)節(jié)校園內(nèi)的供電比例。當(dāng)?shù)仉娏κ袌龅碾妰r(jià)每小時(shí)都會(huì)發(fā)生變化，控制系統(tǒng)的算法可以預(yù)測微電網(wǎng)的用電負(fù)荷，比較CCHP機(jī)組和電網(wǎng)供電的綜合成本，并最終選擇最為經(jīng)濟(jì)可靠的方案。通過微電網(wǎng)和其他節(jié)能技術(shù)，亞崗昆學(xué)院每年節(jié)約的運(yùn)營成本高達(dá)320萬美元。除此之外，微電網(wǎng)的獨(dú)立性可以使學(xué)校參與電力公司的需求響應(yīng)項(xiàng)目，在電網(wǎng)供電緊張的時(shí)段主動(dòng)提升能源自給的比例，降低校園對電網(wǎng)電力的需求，從而獲得電力公司的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。
