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，人們越來越多的得看到分布式能源應(yīng)用的場景。例如，分布式光伏、風(fēng)力發(fā)電搭配柴油發(fā)電機組成的微電網(wǎng)，保障遙遠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歸功于微電網(wǎng)技術(shù)，正是因為微電網(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)范圍之外的遙遠海島、邊疆區(qū)域，以及對經(jīng)濟性、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)”而言的一個概念，是指采用先進的控制技術(shù)以及電力電子裝置，把分布式能源和它所供能的負荷以及儲能等設(shè)備連接形成一個微型的完整電網(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)運行”;也可以通過一個公共連接點與市政電網(wǎng)并網(wǎng)連接：當微電網(wǎng)電源功能不足時可以通過大電網(wǎng)補充缺額，發(fā)電量大時可以將多余電量饋送回大電網(wǎng)。必要時，兩種模式間可以進行切換，這充分維護了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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;在用電側(cè)，系統(tǒng)對用電負荷進行監(jiān)測和控制;在控制系統(tǒng)層面，微電網(wǎng)需要進行內(nèi)部調(diào)度以及與外部的溝通，實現(xiàn)高度自治;蓄冷、蓄熱和電儲能使得微電網(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)運行也可以改善系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

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?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，總裝機容量為184千瓦。多余的可再生電力被儲存到電池陣列中，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70千瓦的柴油發(fā)電機，以備不時之需。整個系統(tǒng)的裝機容量雖不算大，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)、不同時段中協(xié)同運行，多能互補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都來自光伏和儲能電池，只有在游客增多等少數(shù)情況下，備用的柴油發(fā)電機才開始供電。到了冬季，島上降雨增多，三臺小型水力發(fā)電機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)施的運行，優(yōu)化電池的充放電循環(huán)，并且在電力短缺時自動啟動柴油發(fā)電機。

微電網(wǎng)極大地提升了埃格島的電力消費品質(zhì)。微電網(wǎng)建成之前，居民靠自家的柴油發(fā)電機供電，在支付高昂成本的同時，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輸，儲備有限的住戶會面臨斷電的風(fēng)險。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)濟性。整個項目的設(shè)計和建設(shè)成本約為166萬英鎊，而跨海架設(shè)電網(wǎng)的成本則高達400多萬;目前，埃格島的電力價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的農(nóng)村地區(qū)，這給印度政府的全國電氣化計劃帶來不小的的技術(shù)和經(jīng)濟性挑戰(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，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)電機作為備用的分布式能源系統(tǒng)可以解決這些偏遠地區(qū)的用電問題。印度理工學(xué)院的研究人員為農(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、1千瓦時的儲能電池、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，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、儲能電池與已有的柴油發(fā)電機構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，為用戶提供可靠電力的同時也降低了用電成本，在柴油價格走高之時，光伏的替代作用使系統(tǒng)的經(jīng)濟性更加出眾。目前，印度大多數(shù)的微電網(wǎng)和獨立供電系統(tǒng)仍采用柴油發(fā)電機，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程中起到關(guān)鍵作用，這項技術(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)是海島和偏遠地區(qū)實現(xiàn)電力普及的必選項，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)和獨立運行兩種狀態(tài)之間自由切換。當大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，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;當選擇聯(lián)網(wǎng)運行時，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)的燃氣輪機、蒸汽輪機以及控制系統(tǒng)。該能源站總裝機容量達到40兆瓦，可以滿足全部6萬名居民24兆瓦的用電負荷峰值需求，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(MGMS)，該系統(tǒng)集成建筑自動化和負荷管理技術(shù)，擁有最大容量超千萬條數(shù)據(jù)點，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)施進行遠程控制，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機組供能，以及分布式光伏、儲能和電動汽車充電站等系統(tǒng)，但發(fā)電功率略低于校園的峰值負荷。在需要進行獨立運行時，控制系統(tǒng)將識別并削減不必要的負荷，使微電網(wǎng)平穩(wěn)過渡到孤島模式。另一方面，控制系統(tǒng)還會根據(jù)能源市場的價格波動，調(diào)節(jié)校園內(nèi)的供電比例。當?shù)仉娏κ袌龅碾妰r每小時都會發(fā)生變化，控制系統(tǒng)的算法可以預(yù)測微電網(wǎng)的用電負荷，比較CCHP機組和電網(wǎng)供電的綜合成本，并最終選擇最為經(jīng)濟可靠的方案。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)約的運營成本高達320萬美元。除此之外，微電網(wǎng)的獨立性可以使學(xué)校參與電力公司的需求響應(yīng)項目，在電網(wǎng)供電緊張的時段主動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)濟激勵。借助微電網(wǎng)，亞崗昆學(xué)院將變得更加高效、經(jīng)濟和清潔。