分布式能源多樣化在微電網中的應用場景分析

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，人們越來越多地看到分布式能源應用的場景。例如，分布式光伏、風力發(fā)電搭配柴油發(fā)電機組成的微電網，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被集成到城市社區(qū)微電網系統(tǒng)中，為居民和企業(yè)提供本地生產的且經濟高效的電力、熱水以及制冷服務。而這一切很大程度上需要歸功于微電網技術，正是因為微電網的興起，人們選擇的用能服務不再局限于市政電網集中供能的模式。這也使得那些建立在市政電網范圍之外的遙遠海島、邊疆區(qū)域，以及對經濟性、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的位置來建立分布式的能源供應系統(tǒng)。

“微電網”，是相對傳統(tǒng)“大電網”而言的一個概念，是指采用先進的控制技術以及電力電子裝置，把分布式能源和它所供能的負荷以及儲能等設備連接形成一個微型的完整電網。這種“微型”的電網是從發(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絡，以不干擾輸配電系統(tǒng)的方式“孤網運行”；也可以通過一個公共連接點與市政電網并網連接：當微電網電源功能不足時可以通過大電網補充缺額，發(fā)電量大時可以將多余電量饋送回大電網。必要時，兩種模式間可以進行切換，這充分維護了微電網和大電網的安全穩(wěn)定運行。

作為多種分布式能源的集大成者，“微電網”技術具有廣闊的發(fā)展空間和應用場景。在一套完整的微電網系統(tǒng)中，分布式能源作為發(fā)電側的供能主體，不同品類的能源之間能夠協(xié)同互補；在用電側，系統(tǒng)對用電負荷進行監(jiān)測和控制；在控制系統(tǒng)層面，微電網需要進行內部調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兼具安全性以及靈活性。按照是否與大電網聯(lián)接，微電網可以分為離網型和并網型兩類。離網型微電網的應用場景包括解決海島和偏遠地區(qū)的用電問題，并網型則為用戶的供能安全添加了一份保障，聯(lián)網運行也可以改善系統(tǒng)的經濟效益。

01分布式能源在離岸海島微電網的應用

英國蘇格蘭的埃格島（Isle of Eigg）是海島離網型微電網成功應用的典范。因地制宜的微電網充分利用了當?shù)氐淖匀毁Y源，其中發(fā)電系統(tǒng)主要由分布式光伏、小型風力發(fā)電和水力發(fā)電設施組成，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。

微電網中，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。埃格島微電網的控制系統(tǒng)可以監(jiān)測發(fā)電設施的運行，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。

微電網極大地提升了埃格島的電力消費品質。微電網建成之前，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險。如今，微電網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，島上的微電網展示了出色的經濟性。整個項目的設計和建設成本約為166萬英鎊，而跨海架設電網的成本則高達400多萬；目前，埃格島的電力價格仍高于英國的平均水平，但已經比過去降低了60%。風、光、水、儲的有效整合使居民擺脫了化石能源的限制，埃格島的經驗也證明，離網型海島微電網可以滿足現(xiàn)代生活的電力需求。

02分布式能源在偏遠區(qū)域微電網的應用

除了可以改善現(xiàn)有的供電系統(tǒng)外，離網型微電網還是無電地區(qū)實現(xiàn)電力普及的重要一環(huán)。國際能源署（IEA）的數(shù)據顯示，截至2014年，全球仍有12億人缺乏電力供應。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和經濟性挑戰(zhàn)。比哈爾邦（Bihar）是印度電力缺口最大的邦之一，全邦79%的農村家庭無電可用，其中超過一半的家庭沒有接入電網；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)域對柴油特別依賴，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。印度理工學院的研究人員為農村家庭開發(fā)了光伏微電網，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，這套戶用微網以直流電運行，避免了光伏、電池和家電之間交直流轉換引起的能量損失。整套系統(tǒng)的成本比架設電網的方式更低，供電也更加可靠。已經接入市政電網的家庭也可以將其作為優(yōu)質的備用電源，免除電網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。目前，這套系統(tǒng)已經為超過4000戶的農村家庭提供了電力。在比哈爾邦的農村社區(qū)，分布式光伏、儲能電池與已有的柴油發(fā)電機構成微電網系統(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)的經濟性更加出眾。目前，印度大多數(shù)的微電網和獨立供電系統(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、風電設施正逐漸凸顯出經濟和環(huán)境效益，這在農村地區(qū)顯得尤為重要。離網型微電網將在印度的電氣化進程中起到關鍵作用，這項技術也值得向全球的其他無電地區(qū)推廣。

03分布式能源在城市社區(qū)微電網中的應用

如果說離網型微電網是海島和偏遠地區(qū)實現(xiàn)電力普及的必選項，那么在可靠電網覆蓋的城市開發(fā)微電網系統(tǒng)則將起到錦上添花的作用。并網型微電網可以在聯(lián)網和獨立運行兩種狀態(tài)之間自由切換。當大電網出現(xiàn)故障時，微電網可以選擇與大電網斷開，保障區(qū)域內用戶的供能安全；當選擇聯(lián)網運行時，微電網也可以通過出售多余電力和需求響應等方式獲得額外的經濟收益。

并網型微電網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。該項目的核心設備是西門子公司生產的能夠實現(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。2012年10月，颶風“桑迪”席卷美國東海岸并造成大面積斷電期間，聯(lián)合公寓城的微電網持續(xù)供能，6萬名住戶未受影響。除公寓城外，處于颶風登陸區(qū)域的紐約大學和普林斯頓大學也配備了以天然氣分布式能源站為主的微電網，兩所大學與大電網斷開并切換至“孤島模式”，保證了市政電網斷電期間校園的能源供應。這些案例都充分體現(xiàn)了微電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

歸功于先進的微電網系統(tǒng)，加拿大渥太華的亞崗昆學院（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系統(tǒng)的“智能化”大腦——西門子Spectrum Power分布式能源微網系統(tǒng)管理平臺（MGMS），該系統(tǒng)集成建筑自動化和負荷管理技術，擁有最大容量超千萬條數(shù)據點，可以監(jiān)測并記錄校內建筑的能源消耗，并對暖通、空調、照明等設施進行遠程控制，在不影響正常教學的前提下提高建筑的能源效率。校內微電網主要由容量為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，使微電網平穩(wěn)過渡到孤島模式。另一方面，控制系統(tǒng)還會根據能源市場的價格波動，調節(jié)校園內的供電比例。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)的算法可以預測微電網的用電負荷，比較CCHP機組和電網供電的綜合成本，并最終選擇最為經濟可靠的方案。通過微電網和其他節(jié)能技術，亞崗昆學院每年節(jié)約的運營成本高達320萬美元。除此之外，微電網的獨立性可以使學校參與電力公司的需求響應項目，在電網供電緊張的時段主動提升能源自給的比例，降低校園對電網電力的需求，從而獲得電力公司的經濟激勵。借助微電網，亞崗昆學院將變得更加高效、經濟和清潔。