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美國(guó)芝加哥正在建設(shè)中的太陽能電動(dòng)汽車智能充電站。新華社發(fā)(蔣新彤
攝） |
作為應(yīng)對(duì)全球變暖的對(duì)策之一，世界各國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)均充滿期待。智能電網(wǎng)的構(gòu)建，將使傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生根本性變化，從而產(chǎn)生新的商機(jī)。氣候組織2008年的一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)指出，“到2020年，智能電網(wǎng)的應(yīng)用可以減少全球電力系統(tǒng)二氧化碳排放量的14%。”英國(guó)能源及氣候變化部也預(yù)測(cè)，未來五年內(nèi)全球智能電網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)270億英鎊。本文作者對(duì)美國(guó)當(dāng)前發(fā)展智能電網(wǎng)可能遇到的障礙和亟須發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出智能電網(wǎng)應(yīng)上升至國(guó)家戰(zhàn)略進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，充分利用和整合我國(guó)現(xiàn)有的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)“堅(jiān)強(qiáng)”和智能并重，政府必須履行監(jiān)管責(zé)任，把握好智能電網(wǎng)投資建設(shè)節(jié)奏……
美國(guó)智能電網(wǎng)：新技術(shù)帶來的潛在效益
美國(guó)皮尤研究中心(PEW research centre)發(fā)布的名為“智能電網(wǎng)”的報(bào)告，對(duì)美國(guó)當(dāng)前發(fā)展智能電網(wǎng)需要處理好的多方面產(chǎn)業(yè)關(guān)系和亟需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，在全景式展示的基礎(chǔ)上，提出了有借鑒意義的政策建議。
現(xiàn)有電網(wǎng)存在的問題
美國(guó)電網(wǎng)是一個(gè)龐大和極復(fù)雜的系統(tǒng)，包括集中電廠、輸電線路和配電網(wǎng)絡(luò)，承載和持續(xù)保持著8500億瓦電力的供求平衡。它的運(yùn)行可靠性達(dá)到了99.97%，每年停運(yùn)的時(shí)間約為160分鐘。
然而，傳統(tǒng)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)沒有采用最新技術(shù)，不能為提高能源效率、節(jié)能和實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)提供保障。
智能電網(wǎng)可以處理以下問題，但這些問題同溫室氣體減排并不直接相關(guān)。
首先，電力中斷和電能儲(chǔ)運(yùn)損失耗資每年超過1500億美元。對(duì)消費(fèi)者而言，每年平均有2.5小時(shí)的電力中斷，這是相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于普通消費(fèi)者，電力質(zhì)量干擾可能只是燈光閃爍或燈光變暗，但對(duì)于依賴高品質(zhì)電力(如通信網(wǎng)絡(luò)和管線)的高科技制造業(yè)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施來說，這些事件則會(huì)破壞運(yùn)營(yíng)和花費(fèi)數(shù)百萬的經(jīng)費(fèi)。
其次，對(duì)電網(wǎng)峰負(fù)荷管理效率低。峰負(fù)荷是指一天、一季或一年之內(nèi)最高的電力需求時(shí)段。電力需求表現(xiàn)為周期性和多變性，為滿足這種需求的變化，電力成本也不斷變化。但由于發(fā)電企業(yè)需求管理的工具有限，因此電力供應(yīng)必須不斷跟蹤需求進(jìn)行調(diào)整。此外，電網(wǎng)必須不斷保持超額供應(yīng)的緩沖儲(chǔ)備，從而導(dǎo)致效率低、排放高和更高的成本。
第三，難以管理和處理復(fù)雜的信息。例如，接到消費(fèi)者電話通知發(fā)電企業(yè)才能發(fā)現(xiàn)停電狀況。此外，消費(fèi)者很少了解電力如何定價(jià)以及他們正在使用的能源在不同時(shí)段具有不同價(jià)格等方面的信息。這些也是限制提高效率、節(jié)約能源和需求響應(yīng)的因素。
第四，使用可再生能源的挑戰(zhàn)。可再生能源發(fā)電由于其特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生比較大的波動(dòng)(如風(fēng)能和太陽能)。現(xiàn)有電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的支持水平，使超過大約20%的能量難以確定。
第五，對(duì)分布式發(fā)電支持不足。由于現(xiàn)有電網(wǎng)是以發(fā)電站為中心，輸送電流到最終用戶的單向設(shè)計(jì)，因此為支持小型分布式發(fā)電，它必須升級(jí)到支持雙向電流的設(shè)計(jì)。添加如屋頂太陽能或微型風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電單元，對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)來說，都會(huì)使管理更為困難。
第六，插件式混合動(dòng)力車的部署對(duì)電網(wǎng)壓力大。在未來幾十年，插件式混合動(dòng)力車的部署是電力系統(tǒng)面臨的主要壓力。由于插件式混合動(dòng)力車周期充電的特性，對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)來說，不僅成本高昂而且技術(shù)實(shí)現(xiàn)也比較困難。
智能電網(wǎng)的潛在效益
智能電網(wǎng)的概念指的是將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到電力部門，即運(yùn)用IT技術(shù)自動(dòng)控制電力供求平衡的第二代供電網(wǎng)。智能電網(wǎng)并非一項(xiàng)具體的技術(shù)，相反，它由一系列提高電網(wǎng)性能、可靠性和可控性的技術(shù)組成。其中許多技術(shù)已在其他經(jīng)濟(jì)部門應(yīng)用，比如電信業(yè)和制造業(yè)，它們運(yùn)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化，提高了效率，產(chǎn)生新機(jī)會(huì)和獲得更強(qiáng)的生產(chǎn)力。相比這些經(jīng)濟(jì)部門，電力行業(yè)已然落后，許多發(fā)電廠仍然在應(yīng)用20世紀(jì)60年代和70年代的設(shè)計(jì)。
智能電網(wǎng)技術(shù)提供了以下幾方面潛在的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益：
增加可靠性；提高資產(chǎn)利用率；更好地集成插件式混合動(dòng)力車和可再生能源的應(yīng)用；減少發(fā)電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本；減少家庭和企業(yè)的用電支出；提高效率和效用；支持新的組件和應(yīng)用；降低溫室氣體和其他排放。
在提高效率和效用、可再生能源集成和插件式混合動(dòng)力汽車應(yīng)用等三個(gè)方面的效益為：
提高效率和效用。
智能電網(wǎng)通過提高能源效率和儲(chǔ)能措施能夠使?jié)撛诘臏厥覛怏w排放量減少一半以上，比如：通過對(duì)分布式系統(tǒng)更好地管理減少傳輸損耗；實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)控，通過對(duì)設(shè)備情況更好的把握，發(fā)電企業(yè)能夠使設(shè)備的重要部分保持高效率運(yùn)作；通過需求反饋管理高峰負(fù)荷，從而代替常規(guī)的旋轉(zhuǎn)備用；提高電力價(jià)格的透明度，幫助客戶了解電力的真實(shí)成本。為消費(fèi)者提供持續(xù)的電力使用直接反饋看似簡(jiǎn)單，但如果消費(fèi)者根據(jù)價(jià)格和消費(fèi)信息及時(shí)作出調(diào)整，到2030年預(yù)計(jì)可以減少每年3100萬噸到1.14億噸的二氧化碳排放量。
可再生能源集成。
美國(guó)電力科學(xué)研究院估計(jì)，通過智能電網(wǎng)應(yīng)用增加的可再生能源產(chǎn)生的電能，在2030年可以減少相當(dāng)于每年1900萬噸到3700萬噸二氧化碳的溫室氣體排放。兩個(gè)獨(dú)立的組件可以更好地集成可再生能源：
支持分布式發(fā)電。控制技術(shù)使分布式可再生能源發(fā)電的集成更安全和更可靠(例如，屋頂?shù)奶柲苎b置)。智能電表能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算分布式發(fā)電，使得網(wǎng)絡(luò)計(jì)量更具吸引力。
對(duì)不穩(wěn)定的可再生能源電力具備全網(wǎng)響應(yīng)能力。需求響應(yīng)資源能夠緩沖電力供應(yīng)的變化。提供插件式混合動(dòng)力汽車分布式能源存儲(chǔ)和配套服務(wù)。更好的定價(jià)機(jī)制和需求方管理，可以減少輸電阻塞，使更多規(guī)模發(fā)電企業(yè)的可再生能源項(xiàng)目接入電網(wǎng)。
插件式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車得以應(yīng)用。汽車尾氣是美國(guó)溫室氣體最大的排放源之一。插件式混合動(dòng)力汽車的排放要比應(yīng)用汽油內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)汽車低。美國(guó)電力科學(xué)研究院估計(jì)，通過啟用智能電網(wǎng)應(yīng)用插件式混合動(dòng)力汽車，在2030年可以減少相當(dāng)于每年1000萬噸到6000萬噸二氧化碳的溫室氣體排放，而對(duì)智能電網(wǎng)本身不會(huì)造成過大的壓力。
智能充電。通過實(shí)時(shí)價(jià)格和全系統(tǒng)范圍的價(jià)格信號(hào)，插件式混合動(dòng)力汽車可以做到主要在非高峰期充電，避免昂貴的使用成本和減少發(fā)電廠峰谷時(shí)的負(fù)擔(dān)。
單車到電網(wǎng)。插件式混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用可以起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電力的功能，且部分替代依賴化石燃料發(fā)電。
智能電網(wǎng)技術(shù)的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域
解決現(xiàn)有電網(wǎng)缺點(diǎn)的智能電網(wǎng)技術(shù)，就是提供可控智能和加強(qiáng)管理能力，來提高運(yùn)營(yíng)效率和性能。這些技術(shù)現(xiàn)都已開始應(yīng)用，包括Xcel能源、太平洋煤氣和電力和美國(guó)電力公司等特大型發(fā)電企業(yè)，已采取措施予以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)美國(guó)能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究，智能電網(wǎng)技術(shù)包含五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：
通信集成。在所有電網(wǎng)組件中實(shí)現(xiàn)高速、規(guī)范、雙向的信息交流，是實(shí)時(shí)信息反饋和決策的必要條件。一些現(xiàn)有的技術(shù)，包括廣域無線互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可以提供所需的通信基礎(chǔ)設(shè)施。
傳感與度量。傳感和度量裝置讓發(fā)電企業(yè)和消費(fèi)者能夠了解并對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)作出反應(yīng)。例如，住戶可以通過鏈接電網(wǎng)中智能設(shè)備和具備顯示裝置的智能電表，監(jiān)測(cè)其能源需求和現(xiàn)時(shí)電價(jià)。
先進(jìn)功能組件。先進(jìn)的功能組件，如全球定位系統(tǒng)、限流導(dǎo)體、先進(jìn)能源存儲(chǔ)和電力電子學(xué)的發(fā)展將提高電廠發(fā)電、輸電和配電的能力以及運(yùn)營(yíng)的智能水平。
先進(jìn)控制。隨著提供給電網(wǎng)控制器的信息越來越多和響應(yīng)時(shí)間要求越來越快，電網(wǎng)管理的任務(wù)變得更為復(fù)雜。需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)和處理重要信息，使業(yè)務(wù)精簡(jiǎn)并向操作人員提供明確的指令。
改進(jìn)接口和決策支持。新的工具，如任何尺度(從個(gè)人鄰里到整個(gè)國(guó)家電網(wǎng))的可視化軟件，為操作人員提供更多的態(tài)勢(shì)感知和診斷，從而使規(guī)劃者、操作者和決策者作出明智的決定。
智能電網(wǎng)形成促進(jìn)智能技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)：
自動(dòng)抄表允許發(fā)電企業(yè)直接閱讀用電、用水、用煤氣的電子數(shù)據(jù)，而不需要每家每月報(bào)表。自動(dòng)抄表的下一步，就是增加雙向通信，允許發(fā)電廠根據(jù)電表信息，采取實(shí)時(shí)調(diào)整價(jià)格和及時(shí)應(yīng)對(duì)停電或電能質(zhì)量等方面的事項(xiàng)。
實(shí)時(shí)定價(jià)是指動(dòng)態(tài)地改變電力價(jià)格以反映電力市場(chǎng)的真實(shí)需求，優(yōu)于以往的峰谷定價(jià)機(jī)制。成功的實(shí)時(shí)定價(jià)取決于電力的價(jià)格需求彈性，讓市場(chǎng)信號(hào)明確并為消費(fèi)者提供合理的價(jià)格區(qū)間。智能電網(wǎng)讓消費(fèi)者區(qū)分電力使用的優(yōu)先次序和監(jiān)測(cè)其用電，能夠有效節(jié)約成本和形成更經(jīng)濟(jì)有效的電力市場(chǎng)。
需求響應(yīng)允許發(fā)電廠降低峰谷負(fù)荷時(shí)段的需求，從而避免高成本的發(fā)電機(jī)組經(jīng)常處在最低效的情況。需求響應(yīng)可以顯著區(qū)分有價(jià)值和低優(yōu)先級(jí)的電力使用，例如，在不影響關(guān)鍵電力服務(wù)的條件下，減弱燈光和調(diào)整空調(diào)溫度。
插件式混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車會(huì)大大增加電網(wǎng)負(fù)荷。一輛插件式混合動(dòng)力車可能比一個(gè)普通家庭的耗電還要多。智能充電設(shè)備通過發(fā)電廠的信息，使插件式混合動(dòng)力車在低價(jià)格、對(duì)電網(wǎng)低影響以及低排放(使用可再生能源發(fā)電時(shí))時(shí)段充電。單車到電網(wǎng)概念，則是更進(jìn)一步允許插件式混合動(dòng)力車將他們的電能回饋到電網(wǎng)，來幫助穩(wěn)定電壓和頻率，減少對(duì)旋轉(zhuǎn)備用和監(jiān)管服務(wù)的需要，從而避免發(fā)電機(jī)組由于提供這些服務(wù)而產(chǎn)生的排放。
自動(dòng)化配電系統(tǒng)可以在故障發(fā)生時(shí)重新配置電力，將問題限制到一個(gè)較小的區(qū)域。這就降低了備用發(fā)電機(jī)運(yùn)行的數(shù)量和減少了總的停運(yùn)時(shí)間。
通過提供更大的容錯(cuò)性和孤島檢測(cè)，智能電網(wǎng)為分布式發(fā)電單元，如屋頂太陽能裝置、為商業(yè)樓宇供熱電的小型天然氣渦輪機(jī)、風(fēng)力集成系統(tǒng)等，提供更安全和更可靠的接入。
鏈接：
美國(guó)智能電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的障礙
美國(guó)：政策傾斜為智能電網(wǎng)開道
中國(guó)：進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)不可簡(jiǎn)單復(fù)制