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能源互联网需要信息技术的支撑 大规模储能必不可少

北极星智能电网在线  来源:科技前哨    2018/6/1 14:58:56  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:在物联网概念已被炒得火热的今天,大家似乎很少提到一个已经存在了上百年,并且已经深深嵌入城市和家庭每个角落的大网——电网。这个网络不仅将所有的发电及用电设备连接起来,还须保证发电量和用电量时刻保持平衡。这就意味着,像打开一盏灯这样的一个简单动作,也可能引发千里之外电网发电端的一次微小调整。

这个网络之所以让大家觉得很遥远,是因为在大多数情况下,它都是单向的:我们只是电力的纯消费者,电网与人们的联系好像只有每月的电费账单,而电网背后的复杂运行机制和普通消费者并没有直接联系。而这一切即将被蓬勃发展的新能源产业以及随之而来的能源行业的变革所打破。

新能源和传统能源相比,除了大家已经熟知的绿色无污染的优点外,还具备另外两大特征:分散性和不稳定性。在新能源的发展先驱地德国,随处可见的屋顶光伏发电设备和分散在田间路旁的风力发电机所输出的电力,就像无数的涓涓细流一样汇入广阔的电网。2016年,以风能和太阳能为代表的新能源发电在德国电力的生产比例已经超过30%。

与传统能源主要被大型发电集团控制不同,德国大部分的新能源发电设备都属于个人或小业主。对于电网来说,这一变化所带来的影响是革命性的。前面已经提到,为了维持电网的稳定,发电量和用电量必须保持平衡。过去,这种平衡主要是通过调节发电端的发电量来实现的,而当分散在全国各个角落且不可控的新能源发电所占的比例越来越高的时候,这一调节方式就越来越难以为继了。

2016年5月8日,德国出现了历史性的一刻,在几个小时的时间里,德国的新能源发电总量(主要是风能和太阳能)居然达到接近其用电总量95%的高峰,这就意味着,整个德国在这几个小时里几乎全由风能和太阳能驱动!

当然,这一现象具有一定的偶然性:首先是天气的完美配合,即德国北部(风电集中)的强劲风力和德国南部(太阳能集中)的充沛阳光同时出现;其次,当天是一个周日,德国的整体用电量相比工作日来说有所降低。而对于整个能源市场来说,这一偶然事件所引发的连锁反应却几乎颠覆了整个市场结构,即电价由正常的3欧分/千瓦时跌至最低–32欧分/千瓦时,这就意味着在这几个小时内,用电居然还可以赚钱!

导致这一不可思议的现象发生的原因是:在德国,虽然能源的交易已经全面市场化,但由于德国能源法保障可再生能源必须全额上网,因此新能源的发电量越大,留给其他传统能源的份额就越小。电作为商品的特殊性就在于其生产和消费必须即时进行,存储的代价极大。而传统能源由于设备运转的需求,发电量有一个最低极限值,所以当传统能源的发电份额被新能源挤到低于其最低发电量时,就必须通过补贴的方式,将多余的发电量卖出去,以免威胁电网的稳定,这才造就了这一“负电价”现象。

能源行业的变革需要信息技术的支撑

从上面这个德国电力市场负电价的例子可以看出,虽然从全年来看,新能源发电量只占发电总量的1/3,但由于新能源发电的不稳定性,在某些时间点,新能源的发电量将可能远远超出平均水平,这将给电网和电力市场带来巨大冲击。如果不能解决这一问题,新能源的进一步发展将受到极大的限制,而这正是信息技术可以大显身手的痛点。

首先是解决由新能源的分散性所带来的发电量的不可控问题。正如叫车软件滴滴打车将在路上盲目“扫街”的出租车司机有序地组织起来一样,利用信息技术同样可以将分散的新能源发电单元协调组织起来,形成一个大型的虚拟电场。这一领域已经涌现了很多初创公司,代表企业是德国的NextKraftwerke公司,其目前已经接入4000多个新能源发电单元,总体发电功率已经达到2.7吉瓦(GW),相当于一个大型火电站的发电能力。它的运行模式是在每个发电单元安装一个叫作“NextBox”(下一个盒子)的通信和控制组件,NextBox通过一个专门的加密GPRS(通用分组无线服务)信道与中央服务器相连,一方面将发电单元的实时数据传送到中央服务器,另一方面接收服务器的控制指令,这样就可以对电网以及电力市场进行实时响应。它的商业模式是:一方面可以将小型发电单元打包成大型发电厂,从而直接进入电力市场进行交易,获得更高的电价;另一方面可以利用自己的快速响应能力,为电网提供调峰服务,从而获得进一步的收益。

其次是解决新能源发电不稳定的问题,基本可以分为三个技术方向。第一个方向是运用信息技术对新能源的发电量进行预测,从而通过电力市场机制提前对未来新能源的发电量做出相应反应,避免电网出现大的波动。欧洲电力市场根据交易与实际电力交付的时差可分为远期(Future)市场、日前(Day-ahead)市场、日间(Intra-day)市场以及平衡(Balancing)市场。远期市场可以交易未来数月甚至数年的电力,日前市场是在实际电力交付前一天进行交易,日间市场则是在当天提前数小时进行交易,而平衡市场是为了维持电网的稳定以15分钟为单位进行的交易。

针对欧洲电力市场的要求,法国初创公司Steadysun根据不同的预测周期和精度为太阳能发电量预测提供了一个三级系统,它们分别是:SteadyMet、SteadySat和SteadyEye。第一级系统SteadyMet主要基于气象模型和太阳能发电单元的历史运行数据,并综合运用智能学习算法,提供未来几天的太阳能发电量预测,主要可用于日前市场交易。第二级系统SteadySat在此基础上加入了每小时更新1~4次的实时卫星图片信息,从而能够比较准确地预测太阳能发电单元被云层遮盖的程度,可以提供对最多6小时后的太阳能发电量的更精确预测,主要可用于日间市场交易,并及时对第一级系统的预测误差进行修正,从而减少损失。第三级系统SteadyEye则可以提供对未来15分钟发电量的精确预测,它通过在太阳能发电单元附近加装一个观察云层运动的摄像头,捕捉云层的运动轨迹,再通过对云层运动的物理建模,实现对云层遮盖非常精确的预测,主要用于实时电网的稳定控制。

在风能发电量预测方面,比较有特色的是德国的初创公司Ener,它开发了基于云端智能算法的发电量预测服务。预测算法可以分为两个部分。第一部分是对气象参数的预测。由于影响风力发电机发电量的气象参数非常多,如风速、风向、空气密度、湿度、气压等,为了综合各气象模型和气象信息,Ener推出了ensembleengine(集成引擎),它将各种不同的气象信息和模型融合起来,并根据特定风电场的历史观测数据,通过自学习算法来设定它们的权重,从而获得最优的预测效果。第二部分是基于气象参数的发电量预测。对于风能发电来说,不仅是众多的气象参数,甚至周围的地形和附近的其他风力发电机都会对发电量产生不同程度的影响,因此用传统的物理建模预测方法很难进行精确预测。Ener公司推出了基于人工神经网络的风力发电量预测算法,它首先使用历史数据(包含气象参数和特定风力发电机的发电量),对人工神经网络进行训练,然后再由人工神经网络基于第一部分的气象参数预测得到发电量预测,并且在运行过程中持续地将实测数据反馈回神经网络以进行迭代训练,从而不断提升预测精度以及持续跟踪风力发电机本身运行状态的变化。

对于前面提到的像NextKraftwerke公司这样的虚拟电厂运营商来说,由于电力交易需要提前进行,新能源发电量的预测服务是不可或缺的。甚至对于传统能源发电企业来说,新能源发电量的预测服务也越来越重要——它不仅可以避免前文提到的负电价的出现,而且根据预测,如果未来几天的电价由于新能源电力的大量涌入而降到成本以下,那么传统能源发电企业就可以提前适当减少发电量以避免亏损。

第二个技术方向是通过用电端的主动调整来适应新能源的不确定性。在工业用电方面,有很多工业流程是可以在一定范围内灵活调整对电力的使用而并不影响最终产品质量的。在挖掘这方面的潜力上,比利时的初创公司REstore在冶金、造纸、化工等很多工业领域已经获得了上百家客户。REstore的商业模式从对每个客户的用电特性进行分析开始,据此量身定制电力调节方案,比如在哪些时间段可以减少多大比例的用电量。当这些工业企业在电网发电端供应不足时(如新能源发电量较低时),便会在REstore信息系统的指挥下,调低相应的用电负荷。而当电网发电端供应过大时,则开足用电负荷。在整个过程中,REstore不收取任何费用,只通过参与电网稳定控制[也就是前文提到的电力平衡(Balancing)市场交易],从客户获得的额外收益中抽取一定比例的佣金。对电网来说,主动参与电网稳定控制的用电企业越多,需要准备的备用发电能力就越少,相应的整体发电成本也会随之降低。可以说,REstore塑造了一个多赢的格局。

第三个技术方向是通过储能设备在新能源发电量大的时候储存电力,在发电量小的时候输出电力。这是补偿新能源不稳定性最有效的方式,随着新能源发电份额的不断上升,大规模储能将不可或缺。

2017年2月15日,澳大利亚南澳地区发生的大停电事故,部分原因就是新能源发电量低于预期,同时电网又缺乏足够的储备发电能力,而这已经是南澳地区在几个月内发生的第三起大停电事故了。针对这一挑战,特斯拉创始人埃隆˙马斯克在社交媒体推特(Twitter)上公开宣称,他们有能力在100天的时间内安装100兆瓦时(Mwh)的电池储能设备,从而完全解决南澳地区的电网稳定性问题,并许诺如果不能在100天内完成,将免费提供所有电池储能设备。这个听上去有些自信心爆棚的宣言引起了澳大利亚官方的积极回应,并最终促成了澳大利亚总理马尔科姆˙特恩布尔(MalcolmTurnbull)和马斯克的会面。马斯克的底气来自2017年1月在美国加州落成的特斯拉电池储能项目,它用3个月时间建成了可以为15000个家庭提供数小时电能的电能存储设备。加州阳光充沛,白天的光伏发电充足,甚至常常超过需求,但到了晚上仍需要用传统的燃气发电来补充电力供应。2015年加州发生的燃气泄漏事故,不断加强的环保要求,以及即将关停核电站的计划,都促使政府不得不寻求另外的解决方案,而电池储能可以很好地满足这一需求,即可以将白天富余的太阳能电力存储起来以便夜间使用。

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