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奈網格、微網格、大數據:電力網格的未來 Nanogrids, Microgrids, and Big Data: The Future of the Power Grid
2017/03/31
IEEE Spectrum
IEEE
http://spectrum.ieee.org/energy/renewables/nanogrids-microgrids-and-big-data-the-future-of-the-power-grid
電力網格聯網的技術、經濟和監管法規,大約在一個世紀前建立起來,自此以來的幾十年間,電網的變化已經很小。但現在這個行業卻面臨巨大變化。
大約一個世紀以來,經濟實惠的電氣化是以規模經濟為基礎,大型發電廠生產數百或數千兆瓦的電力,通過輸配電網發送給遙遠的用戶。今天,許多發展使這個簡單的模式複雜化。
隨者低成本天然氣和太陽能發電。這些發電資源可以更貼近客戶。所以我們現在處於擴展分散式發電的早期階段,這已經減少了昂貴的長途傳輸需求。反過來,這些新的電力來源與過去巨大的傳統發電廠正進行成本競爭。
分散式發電在技術上一直是可能的。現在的新情況是,我們也正在接近一個臨界點,超過此範圍,對於許多應用而言,分散式發電將是提供電力的最便宜的方式。
雖然這肯定有幫助,可再生能源和燃氣電力成本的下降並不是所有這一切都在推動這一變化。為了具有競爭力,整個分佈式系統將整體運行良好。相當多的技術進步匯集在一起,使之成為可能:先進的控制系統; 更緊湊,更智能,更高效的逆變器; 智能電錶和物聯網蓬勃發展; 以及從大數據中提取可操作信息的能力不斷增長。

首先要了解的是,權力下放既不簡單也不普遍。在某些地方,權力下放將占主導地位,大多數客戶通常來自太陽能光伏發電,大部分自己的電力。其他人可能會使用小型風力發電機。在陽光充足的地區,天然氣可能占主導地位。所有這些之間的交織在一起,不斷改進的繼承網格版本將在未來幾十年內生存下去。
根據美國能源信息管理局(EIA)的統計,2016年前11個月,全國生產的太陽能發電量達48.82 million megawatt-hours,比上年增長46%。然而,這仍然是一個很小的比例。根據環境影響評估報告,2016年,美國約1.4%的電力來自太陽,太陽能電池板包括公用事業規模的電廠和分佈式電廠。但太陽能由於其日益優越的經濟性而快速增長。
許多分析師預計,到十年底,並網分佈式太陽能發電將與傳統形式的發電完全具有成本競爭力。與此同時,一系列令人眼花繚亂的政府獎勵措施也不盡相同(即使在一個國家內),也正在幫助技術起飛。

美國能源部的SunShot計畫的目標是使太陽能發電成本具有競爭力 - 沒有補貼 - 到2030年(中國政府機構也有類似的議程)。具體來說,SunShot的目標是降低分散式住宅太陽能發電的成本到2030年,每千瓦時5美分; 今天花了大約18美分。今天,美國一個6 kW的屋頂住宅太陽能係統通常在15,000到20,000美元之間; 確切的數字取決於你住在哪裡。根據環境影響評估數據,美國電網交付的電力平均零售成本為每千瓦時(kilowatt-hour)12.5美分。所以在18美分,屋頂產生的太陽能平均來說還沒有與電網交付的電力競爭。但是,許多政府,例如美國州政府,補貼購買太陽能發電系統,使其具有競爭力。
分散式太陽能的一個挑戰就是儲存。大多數太陽能電池板所有者正在使用電網作為儲存的功能等級:他們可以從電網中出售多餘的電力,並從電網中回購以補償缺口。這通常是減少生產和消費差異的最簡單和最便宜的方法。
比較擴大使用太陽能發電的方案並不簡單,因為很大程度上取決於電網如何演變。例如,現在,電網無法處理100%的太陽能轉換(即使在有意義的地區,如美國西南部或北非沙漠)。我們今天所提供的電網是圍繞著源頭而設計的,其產出通常每天都變化不大。但美國能源部根據ENERGIZE計畫,正在努力在2030年之前開發所需的控制,保護和其他技術,以實現完全太陽能發電的電網。
電網也將以其他方式快速發展。已經很好的最重要的趨勢之一就是越來越多地使用微電網。微電網是一組連接的電源和負載。它可以像一個獨立的房子一樣小(通常被稱為納米格柵),或者像軍事基地或大學校園一樣大。微電網可以無限期地運行,如果擾動使其通常連接的較大電網不穩定,可以快速隔離。
停電很普遍,但是95%的停電是由於電網不到5%的損失造成的。電網有效地分配了只有適度的設備損壞的影響。

這種微電網的隔離能力也有助於增強網絡安全。這是因為微網格可以幫助本地化,使得網格對駭客來說不太吸引人。
災難發生時,無論其原因如何,微電網都可以限制其後果。如果沒有物理損壞,只要能夠獲得電力來源,無論是天然氣,太陽還是風,微電網都可以運行。
從長遠來看,隨著時間的推移和技術的經濟和法規有很大的關係,電網很可能演變成一系列相鄰的微電網。公用事業提出在芝加哥,匹茲堡和台灣等地建立這樣的微電網的“集群”,這是一個熱帶島嶼,那裡的網格容易受到風雨的傷害。這些相鄰的微電網將彼此分享電力,並與舊電網分享能源成本最小化並最大限度提高可用性。
在私營和經營的毗鄰微電網的時代,電力公司會變成什麼樣子?至少有兩種可能性。它可能只是為需要它的微電網供電,而不是為個人客戶提供電力。或者它可能會管理微網格及其與彼此之間的連接以及繼承網格。在美國,隨著競爭越來越激烈,一些公用事業的概念已經在一些地方重新發明。微電網將加速這一趨勢。
分佈式發電的傳播和微電網的興起也將受到兩個因素的影響:物聯網的擴張和大數據的影響力日益增加。
物聯網對於分佈式發電是一個福音,因為它正在產生大規模生產傳感器,微控制器,軟件和其他裝備的行業,這些產品將容易且便宜地適應未來的數據驅動網格和微電網使用。
根據易於使用的IoT組件設計一個可以與周圍房屋中的類似系統進行通信的控制系統將很容易。例如,這些系統將協同工作,使空調在時間表之前或之後開啟或關閉,或將其恆溫器改變一半程度,以適應間歇性,意想不到的容量不足。家庭在這個方案中被分組在一起的原因是在小組中,一些房主願意犧牲很多的舒適度,一些更少。但從公用事業的角度來看,這組房屋的電力需求將是相對可預測和可管理的。

電力公司也將開始更有效地利用大數據。擁有大量的負載使總體需求可預測和可管理。這個快樂的情況顯然是因為從房屋到企業與企業之間的關係很少。使用大數據工具,可能不再需要依賴消費者的行為只是鬆散相似。應該有可能了解如何調整生產和消費以增強系統行為。許多地方的公用事業已經開始採用這種方式,採用各種客戶獎勵措施,允許公用事業公司而不是消費者使用日常定價或某種其他形式的負載管理。大數據工具很快就會讓我們走上更大的步伐,可能有一天讓我們跑步。可能使用實時操作數據來優化大部分電網的性能並預測未來的性能。
林文鈴
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