几十年来,关键任务设施一直依赖于公用事业公司拥有和运营的集中式发电厂。然而,传统模式正在发生变化。微电网形式的智能分布式发电系统正在为老化的电网提供急需的稳定性。设施的能源需求是微电网系统设计的关键。为了确保效率和弹性,微电网结合不同的组件来满足给定的需求,同时优化成本。
关键部件
通过组合不同的组件,可以根据每个客户的需求定制微电网,提供理想的技术和经济解决方案。这些系统旨在满足传统上由天然气或电力供应商支持的电能和/或热能需求。微电网最常以孤岛模式运行,但它也可以连接到电网。
孤岛电网组成
分布式能源
这些包括传统资源,如天然气或柴油发电机,它们通过机械方式转换燃料以产生电力和热能,以及利用自然资源的可再生系统,如太阳能和风能。
储能
能量被储备以根据需要调度以补充其他分布式资产。系统包括电化学(BESS)、机械(飞轮)、热(热水)和能量转换。这种能源可以来自可再生能源的过度生产,也可以在能源成本较低时储存/充电,以便在成本高峰期使用。
控制系统
智能控制用于优化可用资产,通过自动将供应分配给最高效的资源来提供最低的电力成本。例如,当两台发电机组以最高负载率运行时关闭一台发电机组以提高燃油效率。控制系统可以在有或没有动态控制(智能电网)的情况下运行。
成功的微电网解决方案提供模块化、可扩展性、能源调度、电力管理和资源平衡。无论是离网还是并网,这些强大可靠的分布式能源发电系统都可以在任何现场条件下提供高性能。
全球对新解决方案的需求
能源世界正在经历一场变革。各种因素正在推动能源需求的增长,并鼓励开发灵活、可持续、具有成本效益的能源解决方案,如微电网。因此,全球微电网的容量和收入持续增长。
微电网和储能的好处
通过结合可再生能源发电、电力存储和传统发电来满足能源需求,微电网可以提供成本节约、可靠性和可持续性。
○ 能源成本优化
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降低电费
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燃料和 O&M 成本降低
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独立于电价发展
○ 获得电力
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偏远地区的电力供应
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尽管电网限制,工业负荷仍增加
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城市地区的电动汽车充电
○ 供应质量和安全
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停电时备用
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电压和频率稳定
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减少燃料依赖
○ 积极的环境影响
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增加光伏和风能的能源使用:减少碳足迹
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激励措施、税收优惠、避免罚款
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名声
○ 新的收入来源
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电网服务和能源市场的收入
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提高可再生能源的适销性
实施挑战
每个微电网都是不同的。为了提供满足设施需求的正确能源组合,在设计阶段必须考虑几个关键参数。
○ 可靠和经济的运行
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独立运行模式下间歇性发电的高渗透率
○ 单位调度和调度
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供需不确定性和适当储备水平的确定
○ 需求侧管理 (DSM)
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设计适当的 DSM 方案,让客户对电网需求做出反应并推动供应
○ 配电级保护
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重新设计 DLP 方案以考虑双向功率流
○ 市场/商业模式设计
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新模式允许由节油驱动的间歇性能源竞争参与
○ 即插即用开发
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表现出 P&P 特征的市场和控制机制允许随着时间的推移无缝集成
○ 电压/频率控制
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开发控制技术以应对电力电子接口 DG 的增加
○ 网格代码
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解决微电网并网的电网合规问题
分布式发电的市场条件
经济增长和人口增长正在增加对电力的需求。脱碳压力越来越大,以及对更灵活、可持续、更具成本效益的能源解决方案的需求不断增长,正在引导政府和行业从煤炭和天然气等传统能源转向太阳能和风能等可再生能源。
四大趋势正在改变能源世界,引发对新解决方案的需求:
○ 全球化
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流动性和能源需求增加
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更高水平的价格竞争
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城市化
○ 脱碳
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电力下放
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能源转型
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波动性可再生能源增加
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环保意识
○ 电气化
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电力需求上升
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电力需求增加
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环保意识
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扇区耦合
○ 数字化
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新的商业模式
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提高计算性能
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服务的数据量和能源需求高
代价高昂的后果
系统必须到位,以确保在极端条件下为社区供电。过时且压力过大的电网使网络更容易受到中断的影响。例如,在 2019 年 7 月,仅提前 45 分钟通知,当其系统的一部分达到 12,063 兆瓦的最大容量时,联合爱迪生公司不得不关闭纽约市居民的电力供应。在北加州,PG&E 一直在通过轮流停电来主动关闭电力,以避免在一年中的高风险时期发生火灾。
2019 年,天气/气候事件 14 次造成超过 10 亿美元的损失。当年的总成本为 450 亿美元。2020 年,加州和太平洋西北部的野火摧毁了输电基础设施,扰乱了公共服务,并造成了巨大的经济损失。同样在 2020 年,爱荷华州的一场风暴使超过 400,000 人断电。农作物损失估计损失为 37 亿美元,家庭损失为 8200 万美元。对于数据中心来说,每发生一次中断就需要花费近 9,000 美元。医疗机构每次停电平均损失近 700,000 美元。
需要新的解决方案
以电网规模风能和太阳能形式出现的不可调度可再生能源发电量的增加增加了电网的整体不稳定性。太阳能、风能和其他可再生能源提供了主要优势,但也存在一些缺点,因为它们依赖于天气和一天中的时间,可能会受到输出波动的影响,并且通常需要大量的资本投资。智能微电网使用存储和/或互补发电技术来优化可再生能源的使用。
由于输配电网络的整体时代,电网升级变得越来越重要。美国能源部 (DOE) 报告称,70% 的电力变压器使用年限为 25 年或以上,60% 的断路器使用年限为 30 年或以上,70% 的输电线路使用年限为 25 年或以上。该国 40,000 英里输电线路的平均年龄为 52 年。对可靠、独立的电力供应的需求从未如此强烈。
客户、主要优势和配置
○ 电力
示例:电网系统运营商、公用事业公司、独立电力生产商
主要优势:新的收入来源、能源成本优化
典型配置:
○ 行业
示例:农业、制造业、采矿业、大宗商品
主要优势:能源成本优化、二氧化碳减排
典型配置:
社区
示例:偏远社区、市区/城镇解决方案
主要优势:能源成本优化、电力供应、二氧化碳减排
典型配置:
公共
示例:军事基地、医疗保健、机构、教育
主要优势:能源成本优化、供应质量和服务
典型配置:
效率和弹性的设计因素
在真正的微电网应用中,负载或能源需求是能源系统设计的关键。设计效率和弹性意味着平衡这些资产与运营成本、可用空间、燃料资源和政府法规。
分布式发电系统的生命周期成本
发电项目是一项大投资。然而,前期和其他固定成本只是整个生命周期成本的一小部分。燃料占生命周期成本的 70%。通过利用可再生能源和电池存储,微电网可以降低燃料消耗,降低总体运营成本,同时确保备用电力的可用性。
与传统的发电技术相比,分布式发电系统通常会降低运营成本。正确部署分布式发电系统需要分析现有的热力和电力系统,然后选择对持续运行至关重要的建筑系统。
二次燃料成本
许多微电网使用热电联产 (CHP) 模块,该模块可以从同一种燃料中产生电能和热能,从而使整体效率几乎翻倍。更高的运行效率使 CHP 系统能够消耗更少的燃料,同时产生与单独的热电系统相同的功率和有用的热能。与传统的发电和热能发电相比,CHP 模块可减少约 50% 的碳排放。
最大限度地提高热电联产应用效率的挑战是将热副产品的需求与电力需求相匹配。如果对电力的需求大于对热产品的需求,则必须将多余的热量排放到散热器或水冷却塔中,从而降低效率。如果热量需求超过发电机组输出(轻电需求或高热量需求),则需要按比例缩小以匹配发电机组或过程的热量输出,并增加来自锅炉的热量。
完美的平衡
在为任何应用设计微电网系统时,选择正确的组件组合以平衡弹性和效率非常重要。
● 燃料可用性和排放法规
由于分布网络广泛,天然气通常用于北美微电网系统。在可能无法获得管道天然气的拉丁美洲,通常会考虑其他选择。排放规则可以限制燃料类型。例如,柴油可能仅在某些地区用于备用,并且每年运行时间为 100 小时或更短。
○ 风力
强度:无需燃料
○ 太阳能
强度:无需燃料
○ 天然气 (CHP)
优势:使用沼气的机会
劣势:需要天然气管道或储存,某些区域需要排放控制
○ 柴油发电机
缺点:燃料运输/储存、二氧化碳排放量高、氮氧化物排放量高、运行时间有限
○ 储能
优势:实现可再生能源的整合,提高发电机组的灵活性
● 电网连接和许可
每个单独的公用事业公司都创建了一套规则来管理与其输配电系统并行运行的过程和成本。即使电力保持在电表后面,在电网并联中正常运行所需的成本和时间也会给项目增加额外的不可预见的成本。出口多余的能源更加昂贵和困难。必须分析任何分布式能源系统将如何影响与公用事业提供商的关系。
○ 风力
优势:无碳排放、联邦和地方激励措施
劣势:不可调度、视觉和噪音污染、资本成本
○ 太阳能
优势:无碳排放、联邦和地方激励措施
劣势:需要大空间(绿地)
○ 天然气 (CHP)
优势:使用沼气的机会,可调度
○ 柴油发电机
强度:可调度
缺点:高 CO2 排放、高 NOx 排放、有限的运行时间
○ 储能
优势:联邦和地方激励措施
● 环境条件和工厂运营
设施负载或需求将决定微电网的规模和形状。即使负载和设计相似,单独分析每个站点也很重要,因为位置会影响当地法规。此外,高海拔和高温等环境条件将影响分布式能源的性能。地方法规和标准是微电网设计的主要早期驱动因素之一。
○ 风力
弱:视天气情况而定
○ 太阳能
强度:可改装,例如在建筑物上
缺点:取决于天气条件和一天中的时间
○ 燃气 (CHP)
优势:电力供热和制冷、高效、经济的连续运行
○ 柴油发电机
强度:启动时间快(<20 秒)
缺点:运行和维护成本高
○ 储能
优势:灵活使用多种应用,低运维成本
劣势:电池容量随时间衰减
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