中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：無(wú)論是在離岸的海島、偏遠(yuǎn)的邊疆無(wú)人地區(qū),抑或是在人群密集的都市樓宇、社區(qū)、工廠,人們?cè)絹?lái)越多地看到分布式能源應(yīng)用的場(chǎng)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(duì)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(hù)側(cè)的位置來(lái)建立分布式的能源供應(yīng)系統(tǒng)。
“微電網(wǎng)”,是相對(duì)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(hù)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(lèi)的能源之間能夠協(xié)同互補(bǔ);在用電側(cè),系統(tǒng)對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(lèi)。離網(wǎng)型微電網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景包括解決海島和偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問(wèn)題,并網(wǎng)型則為用戶(hù)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(guó)蘇格蘭的埃格島(IsleofEigg)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(chēng)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(zhǎng)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(lái)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(kāi)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(lái)源。埃格島微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)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(hù)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(guò)90%的電力消費(fèi)都來(lái)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(wàn)英鎊,而跨海架設(shè)電網(wǎng)的成本則高達(dá)400多萬(wàn);目前,埃格島的電力價(jià)格仍高于英國(guó)的平均水平,但已經(jīng)比過(guò)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(wú)電地區(qū)實(shí)現(xiàn)電力普及的重要一環(huán)。國(guó)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(wú)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(guó)電氣化計(jì)劃帶來(lái)不小的技術(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(wú)電可用,其中超過(guò)一半的家庭沒(méi)有接入電網(wǎng);其他所謂的“通電”家庭則依賴(lài)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(lài),提高了用能成本并造成了空氣污染。
以光伏為主、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(wèn)題。印度理工學(xué)院的研究人員為農(nóng)村家庭開(kāi)發(fā)了光伏微電網(wǎng),包括一塊125瓦的太陽(yáng)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(hù)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(lái)的困擾。同時(shí),研究人員也開(kāi)發(fā)了覆蓋多戶(hù)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(guò)4000戶(hù)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(hù)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(wú)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(shuō)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(kāi)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(kāi),保障區(qū)域內(nèi)用戶(hù)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(guò)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(guó)最大的居民住宅——紐約聯(lián)合公寓城(Co-OpCity)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(mén)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(wàn)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(guó)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(wàn)名住戶(hù)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(kāi)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。
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(AlgonquinCollege)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(mén)子SpectrumPower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(wàn)條數(shù)據(jù)點(diǎn),可以監(jiān)測(cè)并記錄校內(nèi)建筑的能源消耗,并對(duì)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(chē)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(guò)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(chǎng)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?chǎng)的電價(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(cè)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(guò)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(yíng)成本高達(dá)320萬(wàn)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(duì)電網(wǎng)電力的需求,從而獲得電力公司的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。借助微電網(wǎng),亞崗昆學(xué)院將變得更加高效、經(jīng)濟(jì)和清潔。
