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微型電網：通往電力自給自足的道路

與利用可再生能源的發(fā)電設施不同的是，常規(guī)電廠供應的不只是電能，它們還提供從源頭確保電網可靠運行的系統(tǒng)服務。因此，如果到2050年，可再生能源發(fā)電量能占到德國總發(fā)電量的80%，那么，就必須開發(fā)出相應的新型解決方案。西門子領導下的一個研究小組所開發(fā)的微型電網等解決方案，便是適用于此的可選方案之一，它們最終將能在世界其他地區(qū)發(fā)揮重要作用。

IREN2項目的研究人員正在Wildpoldsried開發(fā)適合可再生能源并網發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展電網。為此，他們將建造并分析具備獨立操作能力的微型電網原型，以及拓撲電廠原型。

德國正在全力推進可再生能源的經濟轉型?？稍偕茉凑嫉聡茉礃嫵傻谋戎匾堰_25%左右。然而，如果德國要實現(xiàn)到2050年，將可再生能源發(fā)電比例提高至80%的能源轉型目標，那么，將需要向電網輸送更多利用可再生能源生產的電能。事實上，屆時可再生能源的發(fā)電量，甚至需要超過當前德國高峰時段的用電總量。

時至今日，德國可再生能源發(fā)電設施的裝機容量，已令其電網瀕臨崩潰。必須建設智能電網，以保證即使發(fā)電量隨天氣而波動，分布式發(fā)電系統(tǒng)也能持續(xù)不斷地為電力用戶提供充足的電能。與當今電網不同的是，智能網絡不僅能平衡電能的生產和消耗，而且可以分配電能，其調控范圍直達最終用電環(huán)節(jié)。

為了保證這種方法的有效性，從2011年到2013年，作為德國開展的IRENE（可再生能源與電動交通系統(tǒng)集成）計劃的一部分，西門子領導下的一個研究小組，在德國南部Allgäu地區(qū)的Wildpoldsried市，建造了一個智能電網，并進行了試驗。在IRENE研究項目中，Michael Metzger博士是西門子派出的項目經理。他解釋說，Wildpoldsried是這個項目的理想啟動地點。他說：“早在2010年，Wildpoldsried利用風電、太陽能發(fā)電和生物質發(fā)電設施生產的電能，就已達到其用電量的兩倍左右。換句話說，它已經具備我們預期未來將在整個德國看到的條件。”

重疊系統(tǒng)

如今，Wildpoldsried的智能電網已經能夠靈活地平衡當?shù)夭▌硬欢ǖ碾娔芄陀秒娦枨?，從而維持電網穩(wěn)定。有許多技術幫助實現(xiàn)了這一點，包括兩個可控制配電變壓器和一個蓄電池組裝置。當?shù)氐闹悄茈娋W還配備了一個*的測定系統(tǒng)、一套技術*的通信基礎設施，以及分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏發(fā)電和沼氣發(fā)電設施。有了這些系統(tǒng)和智能電網，如今，Wildpoldsried的發(fā)電量已達到其居民用電量的五倍以上，大大超過這個只有2,500人的小型社區(qū)高峰時段的需求量。這樣一來，IRENE計劃的合作伙伴便能創(chuàng)造理想的技術條件，朝著實現(xiàn)德國2050能源轉型目標跨進一步。

不過，相比Wildpoldsried而言，在全國范圍內實現(xiàn)這個目標的挑戰(zhàn)要艱巨得多。來自德國亞琛工業(yè)大學的Torsten Sowa，是IRENE計劃的合作伙伴之一。他表示，“就當前的技術水平而言，我們仍面臨著一個重大挑戰(zhàn)。因為當今的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，尚不能提供所謂的系統(tǒng)服務，如提供無功功率，以維持多電源電網的電壓。換句話說，要想實現(xiàn)2050目標，我們需要一個新型解決方案。”

取代常規(guī)電廠

于是，IREN2計劃應運而生。由德國聯(lián)邦經濟和能源部出資開展的這個計劃，為期三年。其目標是使用分布式發(fā)電系統(tǒng)和組件，如蓄電池組、熱電聯(lián)產系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機等來改造Allgäu地區(qū)現(xiàn)有的電網，使之能夠提供常規(guī)電廠如今提供的系統(tǒng)服務。

在Wildpoldsried，西門子安裝了一臺調壓變壓器，以消除電壓波動的影響——這種裝置是高壓電網上的標配設備，但用在電壓較低的配電網中

這一轉變將主要涉及兩個概念：

首先，參與研究的計劃伙伴將研究如何將Wildpoldsried的電網轉變成微型電網。當上一級主電網發(fā)生故障時，Wildpoldsried微型電網應當能自動與之脫離，并繼續(xù)作為一個獨立網絡向當?shù)毓娔?。Metzger解釋說：“這種微型電網的分散性質，使之能夠以經濟劃算的方式，幫助保障供電，哪怕它繼續(xù)吸納高比例的可再生能源發(fā)電。”

第二步涉及考察微型電網作為所謂的拓撲電廠，能夠以什么方式運行。拓撲電廠是指，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與附加組件交互作用，從而像如今的常規(guī)電廠那樣調節(jié)電網的某個網段。

開路先鋒

Sowa說：“一旦我們能夠證明這種拓撲電廠的可行性和經濟性，我們就能朝著實現(xiàn)能源轉型邁出又一個重要步伐。然后，我們必須確定需要創(chuàng)造什么樣的條件，以及必須將哪些影響因素納入考慮，才能在德國其他地區(qū)推廣我們的模式。我們希望我們的研究結果起到開路先鋒的作用，而不只是一個實踐示例。”

從紅色到綠色到藍色：IREN2計劃的研究人員將逐步在Wilpoldsried擴展其試驗電網

Sowa口中的“我們”，是指IRENE計劃的所有合作伙伴。包括位于Allgäu的肯普滕應用技術大學。這所大學與亞琛工業(yè)大學共同負責IREN2計劃的科學研究工作，以及建造和調試微型電網。另一個合作伙伴是Allgäu的AÜW供電公司，與IRENE一期計劃一樣，AÜW供電公司提供用于研究的電網。AÜW供電公司希望藉此進一步發(fā)展其電網技術，以應對能源轉型挑戰(zhàn)，從而從中受益。同在IRENE計劃中一樣，西門子將利用IREN2計劃的研究成果，進一步發(fā)展其面向德國及國際市場的智能電網解決方案。此外，來自肯普滕的IT服務提供商IDKOM Networks也作為AÜW公司的IT服務提供商，間接參與了IRENE計劃。為了便于公司根據(jù)新興智能電網市場的需求，來調整其產品組合，IDKOM側重于滿足在智能電網中使用數(shù)據(jù)解決方案的技術要求。

適于全球推廣的模式？

IREN2研究人員所設想的獨立網絡類型不僅對能源轉型有重要意義；同時，它也是適合在電網覆蓋不全的地區(qū)使用的解決方案。因此，德國經濟合作和發(fā)展部已明確表示，它對IREN2計劃的研究成果十分感興趣。如果Wildpoldsried的研究人員取得成功，那么，德國經濟合作和發(fā)展部可能將獨立網絡解決方案與分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的組合，視為解決全球許多區(qū)域的能源短缺問題的有效手段。譬如，在非洲，仍有約5億人尚未通電。從這個意義上講，對于許多比德國更迫切地需要進行能源轉型的國家，Wildpoldsried有點像個實驗室。