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以需求控制确保可再生能源电能质量

2013/8/27 23:05:11 作者：UPS应用来源：UPS应用
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　　德国及美国加利福尼亚州提出了使可再生能源利用比例超过30%的高目标。关于大量采用风力发电及太阳能发电，一直以来普遍观点认为，为了使输出功率变动保持稳定状态，必须设置大量蓄电池，然而如今已经通过实证研究证实，利用与电力市场联动自动控制需求方的设备，可大幅减少蓄电池需求量。

　　德国及美国加利福尼亚州提出了使可再生能源利用比例超过30%的高目标。关于大量采用风力发电及太阳能发电，一直以来普遍观点认为，为了使输出功率变动保持稳定状态，必须设置大量蓄电池，然而如今已经通过实证研究证实，利用与电力市场联动自动控制需求方的设备，可大幅减少蓄电池需求量。
　　
　　目前在欧美，除了全球变暖对策，从能源安全及确保地区居民就业等角度出发，以较高比例利用可再生能源的趋势日益高涨。在某些城市，可再生能源在电力中所占的比率已经接近100%。
　　
　　日经BP清洁技术研究所2013年6月28日发行的《新一代社会创造项目总览》中记载，瑞典韦克舍市(人口约8万人)及丹麦洛兰岛(人口为6.5万人)等都已宣布，已经基本实现由可再生能源满足全部电力消费需求。韦克舍是利用林业废材进行生物质发电，洛兰岛是进行陆地及海上风力发电。
　　
　　其中，生物质发电与以往的火力发电相同，可根据电力需求供应电力，因此即使以较高比率进行利用，电能质量也没有任何问题。不过，如果以受天气影响输出变动较大的太阳能和风力发电为主体，要使可再生能源比率达到100%并不容易。在丹麦洛兰岛，全年风力发电量已经超过全岛需求的电力，不过该岛已通过海底电缆与全欧洲的电网相连，因此在风量较大时向岛外输出电力，在风量较少时从岛外输入电力。
　　
　　蓄能设备在美国需求高涨
　　
　　要使电能质量保持稳定，需要使电力需求和供给随时保持一致。据称一般情况下，如果风力和太阳能发电在并网的电力源中所占的比例提高到20～30%，就会对电能质量产生影响。而在洛兰岛，即使风力发电量在瞬间超过了电力需求总量，也能确保电能质量。之所以能够如此，可以说是得益于全欧洲庞大的电网，因为可再生能源在其中所占比率还不到20%。
　　
　　不过，今后在欧美，利用风力和太阳能发电的规模将进一步扩大。欧盟(EU)规定，各国到2020年要使可再生能源比率达到20%。该比例是以一次能源为分母。由于在相当长的一段时期内汽车燃料难以实现完全不使用化石燃料，因此，各国政府的基本战略是，使电力领域可再生能源比率提高到50%左右，从而使其在一次能源中所占的比例达到20%。
　　
　　在美国，有多个州政府实行“可再生能源配额标准制度”(RPS，RenewablePortfolioStandard)，规定电力公司必须采用一定量的可再生能源所发电力进行供电。例如，加利福尼亚州要求各电力公司“到2020年，要供应33%”的可再生能源电力。
　　
　　欧盟和美国加利福尼亚州设想将可再生能源在供电中所占的比率提高到30%以上，期待其中大部分由开发空间较大的风力及太阳能发电满足。要在大量采用输出功率变动较大的风力及太阳能的同时，实现供求平衡，就需要配备可调节风力和太阳能输出功率变动的备用电源，和在风力发电量超过需求时存储电力的“蓄能设备”。
　　
　　这种备用电源被称为“辅助电源”，一般使用易于在短时间内改变功率输出的燃气火力及水力发电。在蓄能方面，抽蓄发电及大型蓄电池备受期待。
　　
　　利用火口湖实现100%风力发电
　　
　　实际上，目前有些地区已经实现了无需输出及输入电力、百分之百利用风力。例如位于非洲大陆西北沿岸附近大西洋海域的厄尔耶罗岛。该岛是海拔1501米的火山岛，山顶有火口湖。沿着海岸人工建设蓄水池，使用风力所发电力向火口湖汲水，利用与下方蓄水池之间的落差进行发电，向约1万名居民供应电力。
　　
　　蓄水池水量为15万立方米。风力发电输出功率为11.5兆瓦，利用这些电力旋转抽水泵。抽蓄发电的额定输出功率为11.3兆瓦。计划风力所发电力全部用于抽水，利用抽蓄发电进行供电，作为例外，利用原有的柴油发电设备。
　　
　　厄尔耶罗岛之所以能够仅利用风力实现电力自给自足，是因为可利用天然火口湖这一成本相对较低的“蓄能设备”。不过，在因地形因素无法利用抽蓄发电的地区，随着风力发电设备的增建，为了调整输出功率变动，就需要新的辅助电源及蓄能设备。
　　
　　“需求灵活化”验证取得进展
　　
　　在美国西弗吉尼亚州劳雷尔山，沿着山脊设置有61座风力发电设备，占地长约20公里。这是2011年10月启动的98兆瓦风电场。在该风电场，作为并网设备设置有美国最大级别的32兆瓦锂离子电池。设置并运用该蓄电池的是AESEnergyStorage公司。通过与蓄电池充放电联动，随时调整随着风力状况时刻变动的风力发电输出，从而维持了电力公司要求的电能质量，将电力输入电网。
　　
　　AESEnergyStorage自2007年创立以来，包括在建设施在内，在美国的5个供电运用辖区等共设置及运营着多达76兆瓦的系统蓄电池。相关需求非常大，该公司目前正在开发500兆瓦的蓄电池系统。
　　
　　在美国，随着风力发电及太阳能发电的增加，用于吸收其变动的辅助用途燃气发电站及蓄能设备需求日益增大，这一趋势已经凸显。AESEnergytorage的业务日益扩大，就是一个例证。除了蓄电池，还有将成本更低的飞轮及压缩空气用作能源储存手段的尝试。
　　
　　不过，增设辅助电源及蓄能设备，需要在电网上配备开工率较低的设备。这样会使得电力系统整体运营成本提高，最终导致电价上升。因此，在欧美智能电网实证试验中，优先进行的尝试是根据供电实现“需求灵活化”，也就是从技术及制度角度验证控制用电方拥有的电力设备。
　　
　　高速ADR备受期待
　　
　　在北美，“需求响应”(DR)正日益普及，具体内容是，如果预计电力供求会出现紧张，就在1天前通知用电大户等，请其抑制电力需求，并支付相应费用。
　　
　　还有将这一体制应用于增加风力及太阳能发电可并网量的尝试。并不是在1天前要求抑制电力需求，而是根据天气变化进行灵活应对，以分钟为单位事先提出要求，委托用电方抑制电力需求。这样一来，如果手动操作电力设备就会来不及，因此在调节电力需求方面需要实现需求响应自动化。一旦接到需求响应指令，按照事先设定的程序，计算机就会自动控制电力设备，迅速削减电力需求。这称为“高速自动需求响应”(自动需求响应：AutomatedDR，ADR)。
　　
　　加拿大的EnbalaPowerNetworks公司目前正在向电力公司提供利用高速自动需求响应控制废水处理设施泵的“Gridbalance”服务。由于吸收了输出变动，也会向废水处理设施支付相应费用，因此具备一定的经济价值。
　　
　　美国劳伦斯伯克利国家研究室2012年7月公布了以“高速自动需求响应与可再生能源整合”为题的报告。据该报告推算，如果以整个加利福尼亚州的商业及产业设施中可调节输出功率的电力设备为对象实施高速自动需求响应，就可抑制0.18～0.9吉瓦的电力需求(表1)。
　　
　　如果针对高速自动需求响应进行适量投资，可进行调节的电力需求就会增加至0.42～2.07吉瓦。设想可进行高速自动需求响应的设备为空调、照明、冰柜及冰箱等。据称利用高速自动需求响应调节电力需求所需的成本仅为使用蓄电池的10分之1。不过，要达到加利福尼亚州“占电源构成33%”的采用可再生能源目标，需要进行3～5吉瓦的供求调节。还需要用于补充高速自动需求响应、以天然气火力发电及蓄能设备为基础的辅助服务。
　　
　　利用“虚拟发电站”调节供求
　　
　　在加紧利用可再生能源取代化石燃料的德国，也在实施名为“E能源”的大规模实证项目，积极开展配合风力及太阳能输出功率变动的需求控制。德国在2012年已经能够利用可再生能源满足约17%的电力需求。该国政府提出了到2020年和2050年，将这一比例提高到35%和80%的目标。目前已经有调查结果显示，在今后10年内可能提高到40%。
　　
　　E能源项目的目的在于，验证能够实现高比率利用可再生能源和以低成本稳定供电的技术及制度。在6个地区，总共有约5000个住宅和企业参加。
　　
　　在库克斯哈文市，为了应对风力发电产生的电力变动，实际验证了利用商用冷库及市营游泳池等的大型压缩机调节电力需求。尝试使冷库等与电力交易市场联动，在风力发电量较多、电力价格较低时启动压缩机，为冷库内进行充分制冷，在电价上升时停止买电，自动停运压缩机等。
　　
　　结果显示，即使将用于吸收风力发电输出功率变动的火力发电站的使用率减少15%，也能维持地区的供需平衡，同时，冷库运营商还削减了6～8%的电费。并且，参加实证的工厂中设置有热电联产系统，能够在充分考虑风力发电运转状况及电力市场价格的同时，优化控制热电联产系统的运转，从而使电费削减了16%。
　　
　　直方柱表示冷库耗电量，实线曲线表示风力发电量，浅色虚线表示电力现货价格，深色虚线表示事先预测的负载分配。可通过在启动风力发电时进行冷却，在电价较高时段抑制运转，享受成本价值。
　　
　　E能源项目还在哈尔茨地区对家电自动控制进行了实际验证。在该地区，以风力为主体，可再生能源电力在系统电力中所占的比例已经达到30%，但风力依然存在较大的开发空间，预计太阳能发电也会继续增长。
　　
　　该地区的实证项目力争通过创设名为“虚拟发电站哈尔茨”、可监控可再生能源并与电力交易市场实现联动的机构，增加变动较大的风力发电并网量。“虚拟发电站”的任务是，事先预测风力和太阳能发电量以及电力和热需求负荷，为了填补其缺口，委托生物燃气发电站及热电联产设施等分布型能源运营商调节供给，同时与电力交易所联动，针对电力需求调节，确定合适的费用。
　　
　　在住宅方面，由住宅能源管理系统根据电力价格自动控制部分家电，对电力消费量进行调节。实证实验的结果证实，今后，作为在增加风力发电的同时实现供求一致的方法，与增建辅助火力发电设备及采用蓄能设备相比，以风力发电量预测为基础，适当改变电力的市场价格以调整电力需求的手法，可大幅降低成本。
　　
　　“实时电力市场”开始进行实际验证
　　
　　以上述成果为基础，在丹麦的Bornholm岛，由欧洲10国组成的EcoGridEU联盟开始实施“EcoGridEU项目”。利用可再生能源在供给电力中所占比例已经超过50%的电源构成，作为使变动的需求与供给实现平衡的手法，创设“实时电力市场”。实际验证根据电力供求改变电力价格，以激活电力交易，由此以电力市场为基础保持供需平衡的机制。通过住宅内的智能网关及控制器，实时收集以分为单位变化的市场价格信息并作出判断，控制器将根据价格自动控制家电(热泵和电热设备)的运转状态。
　　
　　这一机制可以说是与北美的高速自动需求响应相近的概念。北美的自动需求响应是由电力公司及从电力公司承包了需求响应业务的系统集成商发出需求响应指令，根据其指令对家电进行控制。而EcoGridEU项目除了利用系统集成商的系统，还参考德国哈尔茨地区的实证，根据市场价格信息，由各个家庭的控制器自动判断并发出家电控制指令。预定对这2种方式进行实际验证。
　　
　　关于用电方设备的自动控制，作为标准规格，美国确定了“OpenADR”和“SEP”，欧洲确定了“EEBus”和“KNX”。OpenADR和EEBus是从供电方向住宅方的通信规格，SEP和KNX是家电通信规格。使用上述通信规格控制电力需求的技术实证，和与电力市场联动的制度建设，都在稳步取得进展。
　　
　　在日本，为了应对风力发电和太阳能发电的增长，一直以设置蓄电池为前提对成本进行了探讨，而欧美却从在不增设蓄电池和辅助电源的条件下，如何大量采用风力发电和太阳能发电的角度出发，进行实际验证，并不断取得成果。
　　
　　如果日本继续推进“蓄电池并设型可再生能源利用”，欧美继续进行“需求控制型可再生能源利用”，双方在电力系统设备利用率方面就会出现很大差距，在电力基础设施资产效率较低的日本，用电方将继续背负高额电价。在终于决定进行发供电分离的日本，关于进行与电力市场联动自动控制需求的实证实验，甚至都没有进行探讨。日本与欧美存在着非常大的差距。
　　
　　（nero）

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