微電網構建分布式能源多樣化應用場景

文 | 于洋 楊驛昉

無論是在離岸的海島、偏遠的邊疆無人地區，抑或是在人群密集的都市樓宇、社區、工廠，人們越來越多的看到分布式能源應用的場景。例如，分布式光伏、風力發電搭配柴油發電機組成的微電網，保障遙遠小島上漁民的全部用能需求；又如，天然氣冷熱電三聯供（CCHP）、分布式可再生能源技術被集成到城市社區微電網系統中，為居民和企業提供本地生產經濟高效的電力、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，它使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。

“微電網”，是相對傳統“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。按照是否與大電網聯接，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，聯網運行也可以改善系統的經濟效益。

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地的自然資源，其中發電系統主要由分布式光伏、小型風力發電和水力發電設施組成，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70千瓦的柴油發電機，以備不時之需。

微電網建成之前，居民靠自家的柴油發電機供電，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代生活的電力需求。

分布式能源在偏遠區域微電網的應用

除了可以改善現有的供電系統外，離網型微電網還是無電地區實現電力普及的重要一環。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電機，這使得該區域對柴油特別依賴，提高了用能成本并造成了空氣污染。

以光伏為主、柴油發電機作為備用的分布式能源系統可以解決這些偏遠地區的用電問題。印度理工學院的研究人員為農村家庭開發了光伏微電網，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。整套系統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，分布式光伏、儲能電池與已有的柴油發電機構成微電網系統，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的經濟性更加出眾。

分布式能源在城市社區微電網中的應用

并網型微電網滿足了美國最大的居民住宅——紐約聯合公寓城（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冷、熱、電三聯供（CCHP）的燃氣輪機、蒸汽輪機以及控制系統。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，聯合公寓城的微電網持續供能，6萬名住戶未受影響。除公寓城外，處于颶風登陸區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了微電網系統的穩定性。

歸功于先進的微電網系統，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的“智能化”大腦——西門子Spectrum Power分布式能源微網系統管理平臺（MGMS），該系統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據點，可以監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，但發電功率略低于校園的峰值負荷。在需要進行獨立運行時，控制系統將識別并削減不必要的負荷，使微電網平穩過渡到孤島模式。另一方面，控制系統還會根據能源市場的價格波動，調節校園內的供電比例。當地電力市場的電價每小時都會發生變化，控制系統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能技術，亞崗昆學院每年節約的運營成本高達320萬美元。