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美國芝加哥正在建設中的太陽能電動汽車智能充電站。新華社發(fā)(蔣新彤
攝） |
作為應對全球變暖的對策之一，世界各國對智能電網(wǎng)均充滿期待。智能電網(wǎng)的構建，將使傳統(tǒng)電力基礎設施發(fā)生根本性變化，從而產(chǎn)生新的商機。氣候組織2008年的一項研究數(shù)據(jù)指出，“到2020年，智能電網(wǎng)的應用可以減少全球電力系統(tǒng)二氧化碳排放量的14%。”英國能源及氣候變化部也預測，未來五年內(nèi)全球智能電網(wǎng)市場規(guī)模將達270億英鎊。本文作者對美國當前發(fā)展智能電網(wǎng)可能遇到的障礙和亟須發(fā)展的關鍵技術進行了研究，提出智能電網(wǎng)應上升至國家戰(zhàn)略進行頂層設計，充分利用和整合我國現(xiàn)有的基礎，網(wǎng)絡“堅強”和智能并重，政府必須履行監(jiān)管責任，把握好智能電網(wǎng)投資建設節(jié)奏……
美國智能電網(wǎng)：新技術帶來的潛在效益
美國皮尤研究中心(PEW research centre)發(fā)布的名為“智能電網(wǎng)”的報告，對美國當前發(fā)展智能電網(wǎng)需要處理好的多方面產(chǎn)業(yè)關系和亟需發(fā)展的關鍵技術進行了研究，在全景式展示的基礎上，提出了有借鑒意義的政策建議。
現(xiàn)有電網(wǎng)存在的問題
美國電網(wǎng)是一個龐大和極復雜的系統(tǒng)，包括集中電廠、輸電線路和配電網(wǎng)絡，承載和持續(xù)保持著8500億瓦電力的供求平衡。它的運行可靠性達到了99.97%，每年停運的時間約為160分鐘。
然而，傳統(tǒng)電網(wǎng)的設計沒有采用最新技術，不能為提高能源效率、節(jié)能和實現(xiàn)低碳經(jīng)濟目標提供保障。
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。
首先，電力中斷和電能儲運損失耗資每年超過1500億美元。對消費者而言，每年平均有2.5小時的電力中斷，這是相當大的經(jīng)濟損失。對于普通消費者，電力質(zhì)量干擾可能只是燈光閃爍或燈光變暗，但對于依賴高品質(zhì)電力(如通信網(wǎng)絡和管線)的高科技制造業(yè)和關鍵基礎設施來說，這些事件則會破壞運營和花費數(shù)百萬的經(jīng)費。
其次，對電網(wǎng)峰負荷管理效率低。峰負荷是指一天、一季或一年之內(nèi)最高的電力需求時段。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，因此電力供應必須不斷跟蹤需求進行調(diào)整。此外，電網(wǎng)必須不斷保持超額供應的緩沖儲備，從而導致效率低、排放高和更高的成本。
第三，難以管理和處理復雜的信息。例如，接到消費者電話通知發(fā)電企業(yè)才能發(fā)現(xiàn)停電狀況。此外，消費者很少了解電力如何定價以及他們正在使用的能源在不同時段具有不同價格等方面的信息。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)電由于其特點會產(chǎn)生比較大的波動(如風能和太陽能)。現(xiàn)有電網(wǎng)對可再生能源發(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計，因此為支持小型分布式發(fā)電，它必須升級到支持雙向電流的設計。添加如屋頂太陽能或微型風力發(fā)電等分布式發(fā)電單元，對現(xiàn)有的電網(wǎng)來說，都會使管理更為困難。
第六，插件式混合動力車的部署對電網(wǎng)壓力大。在未來幾十年，插件式混合動力車的部署是電力系統(tǒng)面臨的主要壓力。由于插件式混合動力車周期充電的特性，對現(xiàn)有的電網(wǎng)來說，不僅成本高昂而且技術實現(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)字技術應用到電力部門，即運用IT技術自動控制電力供求平衡的第二代供電網(wǎng)。智能電網(wǎng)并非一項具體的技術，相反，它由一系列提高電網(wǎng)性能、可靠性和可控性的技術組成。其中許多技術已在其他經(jīng)濟部門應用，比如電信業(yè)和制造業(yè)，它們運用數(shù)字技術進行現(xiàn)代化，提高了效率，產(chǎn)生新機會和獲得更強的生產(chǎn)力。相比這些經(jīng)濟部門，電力行業(yè)已然落后，許多發(fā)電廠仍然在應用20世紀60年代和70年代的設計。
智能電網(wǎng)技術提供了以下幾方面潛在的經(jīng)濟效益和環(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力車和可再生能源的應用；減少發(fā)電企業(yè)的運營成本；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力汽車應用等三個方面的效益為：
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：通過對分布式系統(tǒng)更好地管理減少傳輸損耗；實時設備監(jiān)控，通過對設備情況更好的把握，發(fā)電企業(yè)能夠使設備的重要部分保持高效率運作；通過需求反饋管理高峰負荷，從而代替常規(guī)的旋轉(zhuǎn)備用；提高電力價格的透明度，幫助客戶了解電力的真實成本。為消費者提供持續(xù)的電力使用直接反饋看似簡單，但如果消費者根據(jù)價格和消費信息及時作出調(diào)整，到2030年預計可以減少每年3100萬噸到1.14億噸的二氧化碳排放量。
可再生能源集成。
美國電力科學研究院估計，通過智能電網(wǎng)應用增加的可再生能源產(chǎn)生的電能，在2030年可以減少相當于每年1900萬噸到3700萬噸二氧化碳的溫室氣體排放。兩個獨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)。智能電表能夠更準確地計算分布式發(fā)電，使得網(wǎng)絡計量更具吸引力。
對不穩(wěn)定的可再生能源電力具備全網(wǎng)響應能力。需求響應資源能夠緩沖電力供應的變化。提供插件式混合動力汽車分布式能源存儲和配套服務。更好的定價機制和需求方管理，可以減少輸電阻塞，使更多規(guī)模發(fā)電企業(yè)的可再生能源項目接入電網(wǎng)。
插件式混合動力電動汽車得以應用。汽車尾氣是美國溫室氣體最大的排放源之一。插件式混合動力汽車的排放要比應用汽油內(nèi)燃發(fā)動機的傳統(tǒng)汽車低。美國電力科學研究院估計，通過啟用智能電網(wǎng)應用插件式混合動力汽車，在2030年可以減少相當于每年1000萬噸到6000萬噸二氧化碳的溫室氣體排放，而對智能電網(wǎng)本身不會造成過大的壓力。
智能充電。通過實時價格和全系統(tǒng)范圍的價格信號，插件式混合動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)電廠峰谷時的負擔。
單車到電網(wǎng)。插件式混合動力汽車的應用可以起到調(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)技術的五個關鍵領域
解決現(xiàn)有電網(wǎng)缺點的智能電網(wǎng)技術，就是提供可控智能和加強管理能力，來提高運營效率和性能。這些技術現(xiàn)都已開始應用，包括Xcel能源、太平洋煤氣和電力和美國電力公司等特大型發(fā)電企業(yè)，已采取措施予以實現(xiàn)。根據(jù)美國能源技術實驗室的研究，智能電網(wǎng)技術包含五個關鍵技術領域：
通信集成。在所有電網(wǎng)組件中實現(xiàn)高速、規(guī)范、雙向的信息交流，是實時信息反饋和決策的必要條件。一些現(xiàn)有的技術，包括廣域無線互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡，可以提供所需的通信基礎設施。
傳感與度量。傳感和度量裝置讓發(fā)電企業(yè)和消費者能夠了解并對電網(wǎng)實時狀態(tài)作出反應。例如，住戶可以通過鏈接電網(wǎng)中智能設備和具備顯示裝置的智能電表，監(jiān)測其能源需求和現(xiàn)時電價。
先進功能組件。先進的功能組件，如全球定位系統(tǒng)、限流導體、先進能源存儲和電力電子學的發(fā)展將提高電廠發(fā)電、輸電和配電的能力以及運營的智能水平。
先進控制。隨著提供給電網(wǎng)控制器的信息越來越多和響應時間要求越來越快，電網(wǎng)管理的任務變得更為復雜。需要先進的控制系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)和處理重要信息，使業(yè)務精簡并向操作人員提供明確的指令。
改進接口和決策支持。新的工具，如任何尺度(從個人鄰里到整個國家電網(wǎng))的可視化軟件，為操作人員提供更多的態(tài)勢感知和診斷，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)形成促進智能技術的應用平臺：
自動抄表允許發(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表。自動抄表的下一步，就是增加雙向通信，允許發(fā)電廠根據(jù)電表信息，采取實時調(diào)整價格和及時應對停電或電能質(zhì)量等方面的事項。
實時定價是指動態(tài)地改變電力價格以反映電力市場的真實需求，優(yōu)于以往的峰谷定價機制。成功的實時定價取決于電力的價格需求彈性，讓市場信號明確并為消費者提供合理的價格區(qū)間。智能電網(wǎng)讓消費者區(qū)分電力使用的優(yōu)先次序和監(jiān)測其用電，能夠有效節(jié)約成本和形成更經(jīng)濟有效的電力市場。
需求響應允許發(fā)電廠降低峰谷負荷時段的需求，從而避免高成本的發(fā)電機組經(jīng)常處在最低效的情況。需求響應可以顯著區(qū)分有價值和低優(yōu)先級的電力使用，例如，在不影響關鍵電力服務的條件下，減弱燈光和調(diào)整空調(diào)溫度。
插件式混合動力車和電動汽車會大大增加電網(wǎng)負荷。一輛插件式混合動力車可能比一個普通家庭的耗電還要多。智能充電設備通過發(fā)電廠的信息，使插件式混合動力車在低價格、對電網(wǎng)低影響以及低排放(使用可再生能源發(fā)電時)時段充電。單車到電網(wǎng)概念，則是更進一步允許插件式混合動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，減少對旋轉(zhuǎn)備用和監(jiān)管服務的需要，從而避免發(fā)電機組由于提供這些服務而產(chǎn)生的排放。
自動化配電系統(tǒng)可以在故障發(fā)生時重新配置電力，將問題限制到一個較小的區(qū)域。這就降低了備用發(fā)電機運行的數(shù)量和減少了總的停運時間。
通過提供更大的容錯性和孤島檢測，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、風力集成系統(tǒng)等，提供更安全和更可靠的接入。
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美國智能電網(wǎng)進一步發(fā)展的障礙
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