2017年全球多地發(fā)生的前所未有的自然災(zāi)害正在引起人們對電網(wǎng)彈性系統(tǒng)重要性的更多關(guān)注。
根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局最近的數(shù)據(jù)，僅在去年，在美國發(fā)生的自然災(zāi)害就造成了306億美元的損失。雖然美國國和世界許多地區(qū)都受到影響，但像波多黎各這樣的島國尤其遭受重創(chuàng)，其基本和關(guān)鍵服務(wù)的電力供應(yīng)在颶風(fēng)過后幾個(gè)月后仍然沒有恢復(fù)正常。
因此，采用可再生能源和分布式能源(如柴油發(fā)電機(jī)組)的混合微電網(wǎng)是在這些極端天氣肆虐下的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力的一種最具成本效益和適應(yīng)性的選擇。雖然傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備繁多，復(fù)雜且效率低，前期成本高，但采用先進(jìn)的多端口電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以提供前所未有的靈活性和適應(yīng)性，滿足島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)特能源需求。最重要的是，當(dāng)關(guān)鍵設(shè)施(如學(xué)校，醫(yī)院和市政大樓)的電力中斷并需要快速供電時(shí)，具有無縫多端口電源轉(zhuǎn)換功能的混合微電網(wǎng)可以在暴風(fēng)雨或其他類型的災(zāi)難導(dǎo)致的電源中斷后有效地向社區(qū)提供電力。
Ideal Power公司和JLM能源公司共同建設(shè)的太陽能+儲(chǔ)能項(xiàng)目
與傳統(tǒng)電源整合的挑戰(zhàn)
在穩(wěn)定性、效率和靈活性方面，電源系統(tǒng)集成商和項(xiàng)目開發(fā)商歷來都面臨著采用電源轉(zhuǎn)換技術(shù)缺乏動(dòng)力的挑戰(zhàn)。數(shù)十年來，體積龐大且效率低下的組件一直是電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的主流產(chǎn)品。一個(gè)傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器可能重達(dá)700磅以上，并且室外安裝的兼容性有限，這種設(shè)備的體積和重量使得安裝成本非常高，而且工作量很大。
電力成本對島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)而言尤其是重要的障礙，因?yàn)橥ǔ５碾娏Τ杀据^高。加勒比群島的電力成本平均約為每千瓦時(shí)50美分(kWh)，約為美國大陸地區(qū)的三至五倍。如果項(xiàng)目開發(fā)人員沒有考慮采用具有成本效益的解決方案，并且沒有根據(jù)島嶼需求進(jìn)行調(diào)整，那么這將成為實(shí)施微電網(wǎng)項(xiàng)目最重要的障礙。
此外，繁瑣和復(fù)雜的設(shè)備也可能是一個(gè)主要障礙。傳統(tǒng)的太陽能+儲(chǔ)能微電網(wǎng)需要兩個(gè)獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換器，這使得硬件和軟件的管理和集成變得更加困難。連接多個(gè)資源可能需要采用大尺寸且難以放置的設(shè)備，這對具有空間限制的島嶼社區(qū)來說尤其具有挑戰(zhàn)性。需要多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的電網(wǎng)系統(tǒng)需要復(fù)雜和實(shí)時(shí)的嵌入式控制，這使得后續(xù)管理變得復(fù)雜化。此外，要確定集成商和項(xiàng)目經(jīng)理具備開發(fā)、部署、調(diào)試和管理這些控制系統(tǒng)的技術(shù)能力是很困難的。
對于任何包含儲(chǔ)能部署的系統(tǒng)，沒有適當(dāng)?shù)牟僮骺刂葡到y(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器可能會(huì)導(dǎo)致電池充放力能力的嚴(yán)重?fù)p耗。會(huì)對電池的應(yīng)用帶來更大的壓力，不僅效率低下，而且還縮短了系統(tǒng)的使用壽命。儲(chǔ)能效率是至關(guān)重要的，因?yàn)樘柲苁且环N間歇性資源，并不能依靠太陽能發(fā)電作為彈性電源。
尋找合適的技術(shù)
新興的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)允許采用直流電(DC)、交流電(AC)和混合微電網(wǎng)的太陽能加儲(chǔ)能系統(tǒng)，可將太陽能發(fā)電、柴油、儲(chǔ)能和其他分布式能源整合為單一混合動(dòng)力微網(wǎng)項(xiàng)目。每個(gè)系統(tǒng)都有自己的優(yōu)勢，但混合多端口電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是提供離網(wǎng)備用電源的解決方案。雖然混合微電網(wǎng)具有不同的規(guī)模和大小，但它們有自己的定義特征。
混合微電網(wǎng)包括太陽能+電池儲(chǔ)能，再加上策略性控制的柴油發(fā)電機(jī)組，可以在電網(wǎng)連接可用時(shí)以“孤島”和/或并網(wǎng)模式運(yùn)行。
多端口電源轉(zhuǎn)換允許通過單個(gè)電源處理階段集成多個(gè)電源輸入，以消除傳統(tǒng)單端口電源轉(zhuǎn)換器存在的冗余。緊湊型混合多端口電源轉(zhuǎn)換器可節(jié)省空間、減少重量，并大大簡化布線互連和安裝工作量。最有效的多端口電源轉(zhuǎn)換解決方案還包括嵌入式按鍵控制功能，進(jìn)一步簡化管理。
Ideal Power公司及其整合合作伙伴于2017年6月在美屬維爾京群島圣克羅伊島部署了混合微電網(wǎng)系統(tǒng)。在這個(gè)微電網(wǎng)中，六個(gè)Stabiliti 30C3多端口電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，將太陽能、電池儲(chǔ)能和柴油整合為一個(gè)容量為180kW混合動(dòng)力微電網(wǎng)設(shè)施。與加勒比地區(qū)的許多商業(yè)基地類似，這個(gè)設(shè)施從未連接到中央電網(wǎng)，并且在太陽能加儲(chǔ)能微電網(wǎng)實(shí)施之前，這個(gè)全天候的設(shè)施主要依靠柴油發(fā)電機(jī)滿足其電力需求。柴油發(fā)電機(jī)提供電力在海島地區(qū)很常見，并且采用不穩(wěn)定和成本高昂的電網(wǎng)供電，但這些發(fā)電機(jī)可與太陽能+電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配套使用，以創(chuàng)造更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的綠色微電網(wǎng)解決方案。
在客戶電力需求最高的傍晚時(shí)段，這個(gè)微電網(wǎng)將為高峰負(fù)荷提供電能，也將面臨最大的能源消耗。太陽能發(fā)電在電力高峰時(shí)段不能依靠提供足夠的電力，因此需要從全天候的柴油驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)轉(zhuǎn)換到全天候的太陽能+存儲(chǔ)微電網(wǎng)。而根據(jù)研究，將太陽能+電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)一起整合提供電力，每年將減少30%的柴油消耗，從而降低運(yùn)營成本和污染。
采用適當(dāng)?shù)亩喽丝陔娫崔D(zhuǎn)換系統(tǒng)通過將柴油發(fā)電機(jī)、太陽能和儲(chǔ)能整合成的一個(gè)緊湊的、模塊化解決方案可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
最后，六個(gè)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的冗余能力，如果一個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)生故障并脫機(jī)，其余五個(gè)系統(tǒng)將以無縫方式提供支持，從而使電力不間斷。
不幸的是，在圣克羅伊項(xiàng)目部署后不久，這個(gè)項(xiàng)目的地點(diǎn)就遭遇了瑪麗亞颶風(fēng)的影響。大部分屋頂太陽能電池板遭受風(fēng)暴的強(qiáng)風(fēng)侵襲而損毀，但電池、控制設(shè)備、發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器仍保持完好。技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用了可以抵御強(qiáng)風(fēng)的產(chǎn)品恢復(fù)和重建了屋頂太陽能陣列。在此期間，其電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將通過將電池與發(fā)電機(jī)并聯(lián)來繼續(xù)提供電力。其最終目標(biāo)是從深夜到清晨使用電池供電。此時(shí)將需要采用智能負(fù)載管理設(shè)備(如HVAC和照明控制)，確保在空閑時(shí)段將供電量降到最低。在考慮依賴柴油發(fā)電機(jī)的未來項(xiàng)目場地時(shí)，可以通過增加電池容量可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約60%的燃料甚至更多。
現(xiàn)有系統(tǒng)將在發(fā)生颶風(fēng)后維修時(shí)可以減少排放和能源成本。一旦太陽能電池板被更換并集成到系統(tǒng)中，Saint Croix發(fā)電系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)更高的效率。通過滿足獨(dú)特的島嶼社區(qū)的需求，圣克羅伊項(xiàng)目已經(jīng)證明，混合微網(wǎng)多端口電源轉(zhuǎn)換功能對于應(yīng)對毀滅性的風(fēng)暴的微電網(wǎng)系統(tǒng)來說是一個(gè)有效的解決方案。
電網(wǎng)彈性的關(guān)鍵因素
多端口的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可以支持有效的混合微電網(wǎng)，這反過來可以提高島嶼和孤立的社區(qū)電網(wǎng)的彈性和成本效益。隨著氣候的變化，混合型微電網(wǎng)將在島嶼、農(nóng)村和未來能源使用中發(fā)揮越來越大的作用。
