管理、轉(zhuǎn)換和存儲：向分布式電網(wǎng)轉(zhuǎn)型

時間：2025-01-15 18:02:24

關鍵字：電網(wǎng) 控制器逆變器

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[導讀]未來的幾十年，隨著全球人口持續(xù)上升以及各國的發(fā)展和經(jīng)濟增長，預計能源需求將會更加旺盛。在這一轉(zhuǎn)型過程中，為滿足日益增長的需求，同時解決氣候問題，加快清潔可再生能源的供應至關重要，因為能源獲取影響著全球經(jīng)濟以及所有人的福祉和安全。只有通過高效的能源管理、轉(zhuǎn)換和存儲，我們才能充分利用每一縷陽光或每一陣風，從而可靠地管理電網(wǎng)，推動經(jīng)濟增長，并幫助確保地球的健康。

未來的幾十年，隨著全球人口持續(xù)上升以及各國的發(fā)展和經(jīng)濟增長，預計能源需求將會更加旺盛。在這一轉(zhuǎn)型過程中，為滿足日益增長的需求，同時解決氣候問題，加快清潔可再生能源的供應至關重要，因為能源獲取影響著全球經(jīng)濟以及所有人的福祉和安全。只有通過高效的能源管理、轉(zhuǎn)換和存儲，我們才能充分利用每一縷陽光或每一陣風，從而可靠地管理電網(wǎng)，推動經(jīng)濟增長，并幫助確保地球的健康。

管理、轉(zhuǎn)換和存儲是支撐現(xiàn)代電網(wǎng)必然演進趨勢的基礎，而電氣化則基于現(xiàn)代電網(wǎng)來實現(xiàn)。打個比方，如果從金錢的角度來思考。人們需要對其進行管理：檢查、跟蹤和預測當前及未來的余額；進行轉(zhuǎn)換：旅行時，通過電子外匯，從瑞士法郎兌換成日元，再兌換成美元；以及存儲：存入儲蓄銀行，供日后收入下降、資金短缺或出現(xiàn)新需求時使用。與金錢一樣，管理、轉(zhuǎn)換和存儲的概念提供了可跟蹤性、靈活性和安全性。

集中式電網(wǎng)

100多年前1，電網(wǎng)發(fā)展為中心輻射模式。2在這種模式下，電力由大型集中式發(fā)電廠（通常使用化石燃料）的一些實體產(chǎn)生和控制。然后，電力通過輸電線路遠距離輸送到配電網(wǎng)絡。在該架構(gòu)中，能源向一個方向流動——從發(fā)電站到變電站和輸電線，最后輸送至最終用戶。該模式可實現(xiàn)一定的規(guī)模經(jīng)濟效益，但也面臨不少挑戰(zhàn)，例如效率不高，易受干擾，并且整合可再生能源的能力有限。

分布式電網(wǎng)

我們已從集中式發(fā)電站轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇稍偕茉础?這是一個深度互連的網(wǎng)絡，其特點是向配電網(wǎng)供電的發(fā)電機規(guī)模較小且分布廣泛。分布式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了雙向電力流動，其中，最終消費者成為產(chǎn)消者*，并將多余電力送回電網(wǎng)，因此有必要發(fā)展新能源市場。如果處理得當，分布式結(jié)構(gòu)可提高能源彈性4 ，并減少傳輸損耗。5這需要投資基礎設施，并在小型發(fā)電機之間協(xié)調(diào)。

由于分布式可再生能源日益普及，電能的高效管理、轉(zhuǎn)換和存儲對于電網(wǎng)的成功運營和實現(xiàn)社會的可持續(xù)電氣化發(fā)揮著更加重要的作用。

管理

“要增強電網(wǎng)智能、彈性和安全性，離不開能源管理?！薄狣ermot O'Keeffe，ADI智能電網(wǎng)解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

高效的電力管理確保優(yōu)化分配和利用電力資源。通過采用智能電網(wǎng)技術，電力公司可實時監(jiān)測和控制電流，從而減少浪費6 和停電7，同時有助于為工業(yè)流程、商業(yè)運營和日常生活提供更可靠的電力供應。實時數(shù)據(jù)以及從該數(shù)據(jù)中獲得的可行見解對于開發(fā)新系統(tǒng)和服務、培養(yǎng)能源市場至關重要。隨著能源、需求模式和新興技術越來越復雜并且不斷整合，高效管理至關重要。正確的電網(wǎng)管理能夠優(yōu)化電力分配，最大限度減少傳輸損耗并確保電力以經(jīng)濟高效的方式輸送給最終用戶。

轉(zhuǎn)換

“當電力流過電網(wǎng)時，從發(fā)電到輸電，到儲電，再到其目的地，比如電動汽車電機驅(qū)動器，電力多次從交流轉(zhuǎn)換為直流、從直流轉(zhuǎn)換為交流，并從直流轉(zhuǎn)換為直流?！薄猇italy Goltsberg，ADI能源轉(zhuǎn)換解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

太陽能板和風輪機等可再生能源產(chǎn)生直流電。因此，要促進可再生能源高效并入電網(wǎng)，將直流轉(zhuǎn)換為交流（然后再轉(zhuǎn)換回來）以及在直流電壓之間進行轉(zhuǎn)換的高效能源轉(zhuǎn)換技術至關重要。隨著越來越多的此類轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（稱為逆變器）投入使用，我們有機會開發(fā)更智能、對電網(wǎng)狀態(tài)的響應更靈敏的控制器。

各國的能源目標差異很大，美國設定的目標是，到2030年，80%的電力來自可再生能源8，由太陽能和風能等異步或基于逆變器的能源產(chǎn)生。針對基于逆變器的無縫資源采用混合動力系統(tǒng)，目前還沒有成熟經(jīng)驗。9ADI公司汽車電氣化和能源營銷總監(jiān)David Ryan表示：“這讓我們感受到我們所面臨的不確定性和挑戰(zhàn)。在這種情況下，我們必須依靠經(jīng)驗和技術專業(yè)知識來解決挑戰(zhàn)，并制定可行的解決方案?！?

存儲

“要向基于可再生能源的分布式電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，存儲技術需要實現(xiàn)巨大飛躍?！薄狢onnor Power，ADI儲能解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

儲能是未來電氣化格局的基石。借助電池和其他存儲技術，能夠做到在低需求時段捕獲和存儲多余電力，以備在高需求時段釋放。

儲能系統(tǒng)可避免電網(wǎng)過載和崩潰的風險，從而節(jié)省數(shù)十億美元。此外，通過提供電池——相當于燃料的儲氣罐或煤炭的儲存?zhèn)}庫——ESS可以輕松從容地應對需求突變。分布式發(fā)電站可將儲存的多余電力送回電網(wǎng)，從而實現(xiàn)新的能源交易商業(yè)模式。

電池管理系統(tǒng)(BMS)是ESS的基礎，為充分確保電池的健康狀況、延長壽命并實現(xiàn)電池的再利用和回收，了解電池的充電情況和完整生命周期至關重要。BMS可精確測量和監(jiān)控單個電池單元，提供有關電壓和電流的信息，從而提高系統(tǒng)的容量、能源利用率和生命周期價值。

電網(wǎng)對高級能源管理、轉(zhuǎn)換和存儲解決方案的需求不斷增長

美國國家可再生能源實驗室表示，“當今商業(yè)化技術所實現(xiàn)的可再生能源發(fā)電，再加上更靈活的電力系統(tǒng)，足以滿足2050年美國總發(fā)電量的80%（而不是現(xiàn)在的20%）?！?0屆時，電子（電力）將需要先進的方法和技術，以便在管理、轉(zhuǎn)換和存儲時實現(xiàn)更高的精度和可靠性。下面是主要示例。

監(jiān)控對于深入了解用電量模式和電網(wǎng)性能至關重要。通過持續(xù)監(jiān)控用電量（和發(fā)電量），電力公司可幫助識別高峰需求時段，檢測低效率，并制定數(shù)據(jù)驅(qū)動型決策，以幫助優(yōu)化電網(wǎng)運營并減少停電的可能性。11

智能計量通過提供實時數(shù)據(jù)并允許在個人消費者層面做出關于用電的決策，將監(jiān)控提升至全新的水平。智能計量有助于實現(xiàn)動態(tài)定價模型，鼓勵消費者將用電時間轉(zhuǎn)移到便宜的非高峰時段。通過精確監(jiān)控流入和流出電網(wǎng)的電力，可確保準確計費。12

因此，可以培養(yǎng)新市場，有助于實現(xiàn)可再生能源的順利整合。13這些市場成功的關鍵在于能源流動的實時透明度、準確測量和跟蹤——如果無法測量，就無法交易。

需求側(cè)管理策略使用分時定價、智能家電、電動汽車充電和其他節(jié)能技術來管理和幫助減少用電量。14

智能電網(wǎng)技術將先進的傳感、通信和控制系統(tǒng)集成在一起，以便監(jiān)控實時電網(wǎng)性能。該技術可實現(xiàn)高效的負載均衡、需求響應計劃和故障檢測，從而盡可能減少能源浪費并提高電網(wǎng)可靠性。

通過分布式電網(wǎng)各個組件之間的互連和通信，分布式能源資源(DER)、儲能系統(tǒng)和需求響應機制能夠協(xié)調(diào)工作，這有助于提高電網(wǎng)彈性、節(jié)省成本并提升能源效率。15–18

微電網(wǎng)是新興分布式電網(wǎng)模式的一部分。這些小規(guī)模清潔能源系統(tǒng)旨在發(fā)電、儲電和向特定區(qū)域或社區(qū)分配電力，它們可以獨立運行或聯(lián)合運行以向主電網(wǎng)供電。

對合作伙伴關系和透明度的需求

清潔能源行業(yè)需要各級合作，以減少效率低下的情況，同時增加數(shù)據(jù)收集點和數(shù)據(jù)收集頻率。首先實現(xiàn)整個電網(wǎng)基礎設施的透明度——從宏觀網(wǎng)絡層面，到覆蓋網(wǎng)絡的微節(jié)點，以及供應、需求和儲能路線中的實時能源流動。

透明度激活數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)賦予洞察力。通過調(diào)整管理、轉(zhuǎn)換和存儲技術，圍繞電網(wǎng)中各節(jié)點構(gòu)建信息生態(tài)系統(tǒng)對我們的能源未來至關重要。

加速轉(zhuǎn)型

許多幾十年前設計的輸配電系統(tǒng)已不再適合如今的分布式可再生能源。要想實現(xiàn)靈活的能源分配，優(yōu)化可再生能源并加速脫碳，利用智能電網(wǎng)技術對電網(wǎng)進行升級和現(xiàn)代化改造至關重要。這些技術還有助于提高運營效率，改善客戶服務并快速準確地檢測故障。19智能邊緣資產(chǎn)也必不可少，這些資產(chǎn)能夠自我優(yōu)化，更加自立，支持實時決策，旨在充分提高效率，減少電網(wǎng)故障/崩潰，并在所有點提供能源流動的透明度。

管理、轉(zhuǎn)換和存儲技術可提高能源效率，優(yōu)化能源利用率，實現(xiàn)可再生能源的無縫整合，并增強分布式電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性與可靠性。通過采用這些技術和進展，我們可以加速向可持續(xù)未來轉(zhuǎn)變，提高能源安全性，實現(xiàn)更清潔、更健康的世界。

參考文獻

*產(chǎn)消者：技術突破和用戶參與度的提高模糊了生產(chǎn)和消費活動之間的界限，消費者成為產(chǎn)消者。

1 James McBride和Anshu Siripurapu。“美國電網(wǎng)如何工作？”美國外交關系協(xié)會，2022年7月。

2 Ward Pincus?！叭ゼ谢亩喾N形式。”MAN Energy Solutions。

3 Sara Stefanini?！坝梅植际侥茉聪到y(tǒng)取代集中式電力需要新的政策和協(xié)調(diào)?！盓nergy Post，2022年1月。

4 Arnaud de Giovann和Ben Warren?！胺植际侥茉茨芊褡兊米銐蚝谩⒆銐蚩?？”Ernst & Young，2022年11月。

5 “分布式能源系統(tǒng)在風能政策中的潛力?！盓nergy5，2023年9月。

6 Marcin Fr?ckiewicz?！爸悄茈娋W(wǎng)在能源效率和節(jié)能方面的作用?！盩S2 Space，2023年4月。

7 “智能電表可縮短停電和恢復時間?！盢EMA。

8 H. J. Mai。“能源專家分享美國如何實現(xiàn)拜登的可再生能源目標?！泵绹鴩夜矎V播電臺，2023年2月。

9 “構(gòu)成電網(wǎng)的逆變器控制?！泵绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇?。

10 “關于可再生能源發(fā)電的未來的研究。”美國國家可再生能源實驗室。