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动力互联网须要疑息技巧的支持 年夜范围储能必弗成少

动力互联网须要疑息技巧的支持 年夜范围储能必弗成少 Posted on 2018年6月12日

  在物联网观点已被炒得炽热的明天,大师仿佛很少提到一个已经存在了上百年,而且已经深深嵌入都会和家庭每一个角降的大网——电网。这个网络不但将所有的发电及用电设备连接起来,还须保障发电量和用电量时辰坚持平衡。这就意味着,像翻开一盏灯这样的一个简略举措,也可能引发千里除外电网发电真个一次渺小调剂。

  这个网络之所以让人人感到很悠远,是由于在大多半情况下,它都是单向的:咱们只是电力的杂消费者,电网与人们的联系似乎只有每个月的电费账单,而电网背地的庞杂运行机制和一般消费者并没有直接接洽。而这所有即将被发达发展的新能源工业以及随之而来的能源行业的变革所攻破。

  新能源和传统能源相比,除了人人已经生知的绿色无传染的优点中,还具有别的两大特点:分集性和不稳定性。在新能源的发展前驱地德国,到处可睹的屋顶光伏发电设备和分散在田间路旁的风力发机电所输入的电力,就像多数的涓涓细流一样汇入辽阔的电网。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跨越 30%。

  与传统能源主要被大型发电团体控制不同,德国大部分的新能源发电设备都属于团体或小业主。对于电网来说,这一变化所带来的影响是反动性的。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,这种平衡主如果通过调节发电端的发电量来实现的,而当分散在天下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,德国涌现了近况性的一刻,在几个小时的时间里,德国的新能源发电总量(重要是风能和太阳能)竟然到达濒临其用电总量95% 的顶峰,这就象征着,全部德国在这几个小时里简直齐由风能和太阳能驱动!

  固然,这一景象存在必定的必然性:起首是气象的完善合营,即德国北部(风电集中)的微弱风力和德国南部(太阳能散中)的充沛阳光同时出现;其次,当天是一个周日,德国的全体用电量相比任务日来说有所降低。而对于整个能源市场来说,这一偶尔事宜所激起的连锁反映却几乎推翻了整个市场结构,即电价由畸形的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,用电居然还可以赢利!

  致使这一不堪设想的现象发生的本因是:在德国,虽然能源的交易已经周全市场化,但由于德国能源法保证可再生能源必须全额上彀,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。电作为商品的特别性就在于其生产和花费必须即时进行,存储的价值极大。而传统能原因于设备运行的需求,发电量有一个最低极限值,以是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,就必需通过补助的方法,将过剩的发电量购置来,免得要挟电网的稳定,这才培养了这一“负电价”现象。

  能源行业的变革需要信息技术的支持

  从上里这个德国电力市场背电价的例子可以看出,固然从整年去看,新能源发电量只占发电总量的1/3,当心因为新能源发电的不稳固性,在某些时光点,新能源的发电量将可能远近超越均匀程度,这将给电网跟电力市场带来宏大打击。假如不克不及处理这一题目,新能源的进一步发作将遭到极年夜的限度,而这恰是信息技巧可以大显神通的悲面。

  首先是解决由新能源的分散性所带来的发电量的弗成控问题。正如叫车软件滴滴打车将在路上自觉“扫街”的出租车司机有序地构造起来一样,利用信息技术异样可以将分散的新能源发电单元调和组织起来,造成一个大型的实拟电场。这一领域已经涌现了很多初创公司,代表企业是德国的Next Kraftwerke 公司,其目前已经接入4000 多个 新能源发电单元,整体发电功率已经达到2.7 凶瓦(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)的通讯和控制组件,Next Box 通过一 个特地的加稀GPRS(特用分组无线服务)信道与中心服务器相连,一方面将发电单元的实时数据传递到中央服务器,另一方面接收伏务器的控制指令,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;另一方面可以利用本人的倏地响应能力,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,基础可以分为三个技术偏向。第一个标的目的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造提早对未来新能源的发电量做出响应反响,躲免电网出现大的稳定。欧洲电力市场根据生意业务与实践电力托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,日前市场是在现实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,而仄衡市场是为了保持电网的稳定以 15 分钟为单元进行的交易。

  针对欧洲电力市场的要求,法国草创公司Steadysun根据分歧的预测周期和粗度为太阳能发电量预测提供了一个三级系统,它们分辨是: SteadyMet、SteadySat 和 SteadyEye。第一级系统SteadyMet 主要基于景象本相和太阳能发电单元的历史运转数据,并综开应用智能进修算法,提供未来几天的太阳能发电量预测,主要可用于日前市场买卖。第发布级系统SteadySat 在此基础上参加了每小时改造1~4 次的及时卫星图片信息,从而可能比拟正确地预测太阳能发电单元被云层遮盖的程度,可以提供对至多6 小时后的太阳能发电量的更准确预测,主要可用于白天市场买卖,并实时对第一级系统的预测偏差进行修改,从而增加丧失。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,它经由过程在太阳能发电单位邻近加装一个察看云层活动的摄像头,捕获云层的运动轨迹,再通过对云层运动的物理建模,完成对云层遮蔽无比精确的预测,主要用于真时电网的稳定节制。

  在风能发电量预测方面,比较有特点的是德国的初创公司Ener,它开辟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候参数非常多,如风速、风向、空气密度、干度、气压等,为了综合各气象模型和睦象信息,Ener 推出了 ensemble engine(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察数据,通过自进修算法来设定它们的权重,从而获得最优的预测后果。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,不仅是浩繁的气象参数,甚至周围的地形和四周的其他风力发电机都邑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式很易进行精确预测。Ener 公司推出了基于野生神经网络的风力发电量预测算法,它首先使用历史数据(包露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练习,而后再由人工神经网络基于第一部分的气象参数预测获得发电量预测,并且在运行过程中持续地将实测数据反应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自身运奇迹态的变更。

  对付于后面提到的像NextKraftwerke 公司如许的虚构电厂经营商来讲,由于电力生意业务须要提进步止,新能源发电量的预测效劳是不成或缺的。乃至对传统能源发电企业来道,新能源发电量的猜测办事也愈来愈主要——它不只可以免前文提到的负电价的呈现,并且依据预测,如果将来几天的电价由于新能源电力的大批涌进而降到成本以下,那末传统能源发电企业就能够提早恰当削减发电量以防止吃亏。

  第二个技术偏向是通过用电端的主动调整来顺应新能源的不肯定性。在工业用电方面,有许多工业历程是可以在一定范畴内机动调整对电力的使用而其实不硬套最末产品德量的。在发掘这方面的潜力上,比利时的始创公司 REstore 在冶金、造纸、化工等良多工业领域已经获 得了上百家宾户。REstore 的商业模式从对每一个客户的用电特征进行剖析开端,据此量身定制电力调理方案,比方在哪些时间段可以削减多大比例的用电量。当这些工业企业在电网发电端供应缺乏时(如新能源发电量较低时),便会在REstore 信息系统的批示下,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。在整个过程当中,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与一定比例的佣金。对电网来说,自动参与电网稳定控制的用电企业越多,需要筹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 塑制了一个多赢的格式。

  第三个技术方向是通过储能设备在新能源发电量大的时辰储存电力,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用的方式,随着新能源发电份额的不断回升,大规模储能将不行或缺。

  2017 年 2 月 15 日,澳大利亚北澳地区发死的大停电事故,部分起因便是新能源发电量低于预期,同时电网又缺少充足的贮备发电能力,而这曾经是南澳地区在几个月内发生的第三起大停电事变了。针对这一挑衅,特斯拉开创人埃隆˙马斯克在交际媒体推特(Twitter)上公然声称,他们有才能在100 天的时间内装置100 兆瓦时(Mwh)的电池储能设备,从而完整解决南澳地域的电网稳定性问题,并承诺如果不克不及在100 天内实现,将收费供给贪图电池储能设备。这个听上往有些自信念爆棚的宣行惹起了澳大利亚卒圆的踊跃回答,并终极促进了澳大利亚总理马我科姆˙特恩布尔(Malcolm Turnbull)和马斯克的会见。马斯克的底气来自2017 年 1 月在米国加州完工的特斯推电池储能名目,它用3 个月时间建成了可认为15 000 个家庭提供数小时电能的电能存储装备。减州阳光充分,白昼的光伏发电充分,甚至经常跨越需供,但到了早晨仍需要用传统的燃气发电来弥补电力供给。2015 年加州产生的燃气泄露事故,一直增强的环保请求,和行将闭停核电站的打算,皆促使当局不能不追求别的的解决计划,而电池储能可以很好地满意这一需要,便可以将日间充裕的太阳能电力存储起来以便黑夜应用。

  除大范围极端使用的场景,电池储能技术今朝也出现了以家庭电池储能为中心,总是了家庭光伏发电和家庭智能能源治理的贸易形式。由于新能源发电的疏散性,散布式的家庭储能是已来十分有盼望的解决方案。将这类模式带入大众视线的依然是特斯拉公司,它于 2015 年宣布了家庭电池能量墙(Powerwall Home Battery)。不外,这个范畴今朝的现实发跑者是德国的始创公司Sonnen,它盘踞了寰球家庭光伏储能市场快要1/4 的份额,并于2016 年胜利取得了包括中国前景能源参加的新一轮融资。Sonnen 起首以解决家庭屋顶光伏运用对储能的需求为切进点:由于光伏发电的高峰是日间,而家庭的用电高峰却在迟上,果此发电和用电高峰之间存在错位,即便将白昼的电力发售给电网,晚上再由电网供电,也仍旧要付出由电网成本招致的出卖价钱低于购入价格的价好。而经由过程家庭储能则可以将白日的光伏电力存储起来留待晚上使用,如许就可以明显下降家庭的电费收入。

  在此基础上,Sonnen 还在它的储能系统上进一步集成了家庭智能能源管理系统,目前它最多可与三台家庭用电系统(如洗衣机、烘干机等)相连接,在有富余光伏电力的情况下,会首先开动这些设备进行工作,从而在一定程度上降低对储能电池容量的需求。

  另外一方面,Sonnen 公司的储能系统还可以将富余的贮存能力用于为电网提供稳定把持办事,从而失掉进一步的收益。针对不光伏发电设备的家庭,Sonnen 公司提供了“Sonnen 社区”(Sonnen community) 的商业模式,经过安拆Sonnen 的储能系统,用户可以获 得少达10 年的每一年2 000 度的免用度电额度,超出这个额度以后,用户还可享用劣惠电价,这样节俭上去的电费就远远超越了购置储能系统的成本。一方面,这使得用户可以领有更多的存储能力,另一方面,这些用户的用电需求又使得连入Sonnen 储能系统的光伏发电单位的富余电力有了新的变现渠讲,由于跳过了旁边环顾,不论是发电端仍是用电端,都可以获得更好的电价。目前,Sonnen 公司正在将这一模式进一步推行到风能和生物资能领域。

  对于电网来说,Sonnen 的储能系同一方面加重了家庭光伏发电和家庭用电错位所带来的调峰压力,另一方面还可以将富余的存储能力“挨包”成一个大的蓄能池,可以无效地弥补新能源发电的不稳定性。未来,这一商业模式还可以扩大到目前正在热火朝天发展的电动汽车行业。

  在储能应用这一全新的维度上,相对传统燃油汽车,电动汽车具备颠覆性的上风。对于家用车来说,其实全天大部分时间都处于非工作状况。在这些时间里,连入电网的电动汽车电池就有可能做为电网的储能部件,介入电网掌握,所获得的收益可以在很大程度上摊薄电动汽车的电池成本。

  为了充足挖掘电动汽车的储能功能,首先需要进级电动汽车的充电系统。目前,大部分的电动汽车只要单向的充电功能,因此也只能提供单向的储能能力,即通过智能充电软件控制电动汽车,在电网负荷较小时(如夜间)进行充电。这一领域未来的发展方向是进一步改良电动汽车的充电和电池系统,使电力可以实现双向活动,从而更好地发挥其作为电网储能元件的感化。岛国三菱公司已率先推出带有充放电功能的电动汽车,德国宝马公司也在积极测试相干技术与产物。

  其次,我们还需要考虑对分散的电动汽车进行协调控制的问题。前面提到的 Next Kraftwerke 公司和 Sonnen 公司的基于信息技术的解决方案可以非常方便地扩展到这一领域中。未来,只要用户输出一个出行方案,电动汽车的智能管理系统就可以自动天生一个最优的充放电程序,在保证电动汽车运行所需电量的条件下,将残余的存储能力连入“虚拟电厂”,从而为用户获得最大收益。

  另一方面,电动汽车的电池作为储能部件的寿命,甚至远弘远于它为电动汽车工作的寿命,由于电网储能对电池机能的要求远远低于电动汽车,因此当电动汽车的电池容量衰减到一定程度时,虽然无奈知足电动汽车绝航里程的要求,但可以持续为电网储能服务。目前,德国汽车行业的领军企业宝马公司和专世公司就正在德国汉堡配合建立一个新型储能项目,它被定名为“电动汽车电池的第二性命”,这个项目以从宝马牌电动汽车上服役的电池为基础,从新计划并组分解一个 26 米长、6 米宽的储能大电池,未来它将为德国北部不断增长的风能发电份额提供电网调理服务。这同时也意味着,通过对退役电动汽车电池的再应用,可以进一步降低电动汽车的整体成本。

  电池储能技术虽然有异常多的长处,但由于其较高的成本以及能量衰加率,主要实用于短时间电力调峰的应用处景,而且需要和其余储能技术相共同。目前,天下各都城在争相研讨各类针对分歧地舆、情况前提的储能技术。

  首先以是抽水蓄能为代表的大型储能电站,它是历史最长久的储能技术,其优点是能够大规模、一下子地储存电力,毛病是对情况资源的要求较高。为了顺应快捷增加的储能需求,德国当局正在千方百计地进步抽水蓄能能力,个中一个很有创意的方案是对老工业区已经放弃的煤矿的重新利用,香港三怪玄机图。由于矿井常常稀有百米深且面积很大的公开空间,经由改革,可以在电力富余时将水从矿井底部抽到空中,在电力不足时将水回流到矿井底部并同时产生电能。

  在海上风能兴旺发展的大配景下,德国的弗朗霍妇研究所(Fraunhofe Institute for Production Technology)正在开辟深水储能技术, 它的根本道理是将一个大型蓄能装置沉入大概200 米深的海底,利用海上风力发电所发生的电能将水从蓄能安装中抽出,在需要输出电能时,让水在海底伟大压力的推进下,重新进入蓄能装置并发电。目前,研究职员已完成了对模型样机(体积索性比例为1∶10)的测试,由于未来海上风能将为欧洲提供相称份额的能源供应,深水储能装置将有很好的应用远景。

  在陆上风能的利用情形中,蓄水储能也能够微风能禁止深量融会。德国正正在扶植一个新颖陆优势场,它将风机的基础部门间接设想成了一个几十米下的蓄水库,而风机的主体构造则树立在这个蓄水库下面。取个别的风机基本比拟,那相称于将风机举高了多少十米。在普通情形下,因为风速与高度呈反比,因而这会在很年夜水平上增添风机的发电度,而这局部额定的支益未来可以抵销建筑蓄水库的本钱。多个风机的蓄火库之间借能够相互衔接,独特形成一个与风场严密联合的蓄水储能体系,从而有用天均衡风力收电的没有断定性。

  其他的大规模储能方案另有紧缩空想、电解水构成氢气等。由于当初出有哪种储能技术可以“一家通吃”,因此未来的储能系统也必定是由数量浩瀚,地理上非常分散,外部机理也各不雷同的储能单元构成,它们适用的场景和相应的成本存在很大的差别,这就需要一套非常完美的信息系统对各个储能单元进行和谐控制,以发挥它们的最大效力。

  能源系统的重构将带来基于信息技术的新商业模式

  跟着新能源份额的不断提升,能源系统未来将逐步被重构。未来的能源系统将主要由分散的发电单元、分散的用电单元以及分散的储能单元构成,统一个节点还可能拥有多重脚色。好比,一个装有家庭光伏发电设备和电池储能设备(或电动汽车)的家庭,就同时具有发电、用电和储能的所有角色功效。这与现在互联网将民众从单一的信息接受者,变成兼具发动者与吸收者的两重脚色非常像。未来,这样的新型能源节点将为信息技术的普遍应用和大量新商业模式的出现提供非常肥饶的泥土。

  比如,旭日东升的区块链技术未来就很有可能转变传统的电力交易模式。未回电网的交易尾先将由单向变为单背,比如前面提到的装有家庭光伏发电设备或其他储能设备的家庭,它们既是能源的消费者,也是能源的创造者或电网服务的提供者。其次,电网交易主体的数目将绝后删加,每个家庭,甚至每台联入电网的电动汽车都将是一个交易主体。这些交易主体的规模都很小,并且很分散,甚至是可挪动的。另一方面,就像前面提到的,电网需要在每时刻都维持静态平衡,同一度电或同一容量的储能服务在不同的时间和所在,其驾驶是纷歧样的,因此如果依照传统的交易方式,将会产生很大的交易成本,这是大量小规模的交易主体所无法蒙受的。而区块链作为一种去核心化的交易手腕,未来将很有生机为能源互联网提供基础交易服务。

  在这一方向上,米国初创公司TransActiveGrid (交互式电网) 于 2016 年推出了基于区块链技术的小我电力交易平台,它使得用户可以非常便利地将多余的屋顶光伏电力卖给四周的街坊,而毋庸跟每位买家签署条目繁缛的合同。德国能源巨子Innogy 公司结合初创的物联网平台企业Slock.it 推出了基于区块链的电动汽车充电服务 “Blockge”,用户无须与电力公司签订任何供电条约,只要下载一个脚机应用顺序,并完成用户考证,即可在Innogy 广布欧洲的充电桩长进行充电,电价由后盾法式主动根据事先与本地的电网负荷情况实时确定。由于采取了区块链技术,整个充电和电价优化进程是完全可逃溯和可查问的,因此极大地降低了信赖成本。这一模式可以非常方便地扩展到分属各国不同电力公司的充电桩上,甚至是私人电动桩上。在德国,公人充电装置的数量是公用充电桩的10 倍,Blockge 的升级版将这些姿势也归入服务规模,只有在私家充电装置上安装一个嵌有信息搜集芯片的拉头,便可以非常方便地接入Blockge 的服务网络,这一模式将进一步增进电动汽车的疾速遍及。

  动力疑息保险弗成或缺

  在将各类信息技术引入能源领域的同时,信息平安问题也日渐成为能源行业的严重课题。由于能源是平常生涯的必须品,它对安全的要求也相应是最高的。在从前相当长的时间里,各人对能源信息安全的探讨还仅仅停止在实践阶段,曲到2015 年 12 月 23 日。其时,乌克兰的电力信息系统遭到歹意攻击,乌客利用硬件破绽侵入电力系统控制法式,堵截了远20 万户居皇室中的电力供应,连续长达数小时之暂,这对于正在寒冬中苦熬的黑克兰住民来说无同于一场灾害。这样的恶性袭击在2016 年再次演出,攻打工具仍然是乌克兰,黑客再次成功地侵 入电网输电控制系统,只是此次攻击所产生的影响比2015 年的要小一些。

  在接连出现重大事故之后,能源信息系统的安全问题失掉了非常广泛的存眷。传统电力系统的设计充分斟酌了各种随机发生的天然灾祸(如台风)的影响,却对系统性的恶意攻击缺累足够的抵御力。为应答可能的危急,北好电力稳定组织(NERC)已制订了相应的行业律例,提出了对电力信息系统安全掩护的详细要求,并组织了对电力系统的模仿攻击,以验证安全品级。但目前,这些维护办法只考虑了大型主干输电网络和设备,对于连接千家万户的小型配电网络和设备并不适用,而2015 年针对乌克兰的攻击事情偏偏发生在跟大家生活松密相关的小型配电网络领域。未来,各种新能源发电设备将导致电网结构愈加分散,使电力信息安全管理加倍艰苦,但对于信息安全技术来说,这一样意味着广阔的市场空间。未来,每家每户都可能需要安装能源系统软件防火墙,就像现在的家用电脑防火墙一样。

  结语

  以上提到的信息技术解决方案和商业模式只是未来能源变更微风心的冰山一角,新能源发展的前驱德国正在如水如荼地履行着它的能源转型规划,愿望把目前新能源占能源出产总量30% 的份额进一步提 降到2030 年的50%,以及2050 年的80%。中国的“十三五”计划也将 目的设定为,到2020年将新能源装机容量晋升到35%。而信息技术将会在未来的能源系统中施展基础性感化,将可预测且可控的分布式新能源与可立即呼应的产业和家庭用电、储能单元相串连,实在就是在目前的电力收集上加了一层信息网。这两张网之间的智能交互就构成了能源互联网,它将使得未来构建以新能源为主体的干净能源体制成为可能。

 

(起源:机经网)