西门子:探究未来智能电网之路(组图)_8

2019-09-11 15:12

  在爱尔兰根,西门子研究人员正在研制未来的智能电网。这种电网不仅能将各种类型的用电设备和供电设施连接起来,而且可以整合楼宇系统组件。其思路是将所有能源系统合并起来,使之以尽可能高效的方式,供应电能、暖气、冷气和饮用水。

  西门子开发工程师SebastianNielebock正在他的便携式电脑上查看一长串数值。他说:这些是光伏逆变器的参数。我们正在优化这些参数,以确保不论在任何负载条件下,我们的小型电网都能保持稳定,并实现最优运行。这个小型电网由一个机柜大小的电池和配备了用于将组件连接至电网的逆变器的控制机柜构成。这些组件包括蓄电装置以及光伏发电设备和风电机组。换句话说,这个小型电网代表了向购物中心、医院和酒店等输送电能的典型配置哪怕并未连接至电网。取决于日照强度,电池既可以临时储存过剩电能,也可以在需要的时候向独立电网输送电能。如果需求大幅增长,还可以快速启用柴油发电机。

西门子智能电网

  RolfHellinger博士(左)和SebastianNielebock(右)率领的西门子智能电网团队,可以建造几乎任何类型的智能电网。

  即便此刻太阳躲在云层背后,柴油发电机也并未运行,这个小型电网依然在起劲地工作。这是因为它并非一座大城市的电网,而是设置在位于德国爱尔兰根的西门子分布式多联产发电系统开发中心。在这里,来自西门子中央研究院(CT)的研究人员可以在实验室条件下,对未来的智能电网进行试验。在面积达170平方米的实验大厅里,实验室的专家们可以创建几乎任何类型的智能电网。除电池机柜、热电联产装置、应急发电机、地方电网调压变压器、各式各样的电力负载和数十个逆变器之外,这座设施还包含了两台制冷设备和一套饮用水净化系统。由于应用场合各不相同,这个实验室的20名员工中包含了热动力学专家和过程自动化专家,他们与电气工程师和计算机科学家并肩合作。

  目标是将多种不同类型的能源资源合并起来,确保以高效、环保的方式,供应电能、暖气、冷气和饮用水。

  利用实验室的众多设备,研究小组可以复制出各种类型的小规模智能电网。譬如,柴油发电机可以扮演热电联产发电装置或生物质反应堆的角色。重要的是,波动型电能和常规电能的比例,与所要模拟的实际电网情况相对应。短短几年之内,这样的智能电网将变得非常普遍。这是因为,随着电网从波动型发电设施吸纳越来越多的电能,将需要借助智能控制系统来确保分布式供电设施之间实现完美的交互作用。不然的话,则会发生可能导致严重损害的断电事件。

  而这正是Nielebock想要防止的。现在,他正在模拟在强烈的日照下,光伏发电设备的逆变器生产了大量电能的情况。Nielebock解释道:如果这导致电网中的电能过剩,结果将是电压和频率升高。我正在调节逆变器参数,以确保其有助于维持电网稳定,而不只是盲目地以最大输出功率工作。尽管如此,如果发生断电,那么分布式供电设备,如电池和光伏发电装置,必须能够启动电网并恢复运行。

西门子智能电网

西门子智能电网

  听起来容易做起来难,因为所谓的黑启动要求将所有组件同步,实现同相运行,逐步将电网电压提高至预设值。必须均衡地将来自不同发电设施的电能输送给各个负载。Nielebock解释道:如果内置控制器设置适当,那么逆变器可以利用电压和频率数据自动完成同步,从而确保稳定运行。就像乐团中的各种乐器在指挥家的指挥下实现同步一样,逆变器在智能电网中确立了秩序因此,柴油发电机生产的交流电能,与逆变器输出的电能,完全协调一致。

  像这样的研究以富于前瞻性的眼光,审视了在朝着可再生能源和分布式发电设施过渡的进程中,电网运营商将要面临的挑战。供电企业需要将不计其数的光伏发电设施、风电机组和生物质反应堆与常规电厂和蓄电装置等连接起来,以建立一个稳定的电网。为了确定这种系统的实际运行情况,自2011年起一直到2013年秋季,西门子在德国南部Allgau地区的一座拥有2500人口的Wildpoldsried镇,对当地电网进行了细致深入的研究。镇上的几乎每幢房屋都在屋顶安装了一个太阳能电池板。除这些太阳能发电装置之外,这座小镇的电力系统还包括了以生物质反应堆生产的燃气为燃料的热电联产装置,以及5台风电机组。总体来讲,现在Wildpoldsried镇的发电量是其耗电量的5倍以上。

  尽管这听起来是件好事,但对于地方电网运营商AW公司而言,却是个严重问题,因为过剩电能造成了电力线不稳定。于是,AW联合西门子、亚琛工业大学和肯普滕应用技术大学,共同发起了IRENE(可再生能源发电系统与电动交通系统整合)项目,对大型智能电网进行测试。自项目启动以来,约200个测量装置一直在提供关于电网总体运行情况的数据,而地方电网调压变压器、蓄电装置和远程控制光伏逆变器等确保了电网稳定。

  这个系统的核心组件是SOEASY西门子提供的自组织电力自动化系统。SOEASY可以平衡供需。在这个系统中,各个供电设施和用电设备均分别由一个个人能源代理(PEA)来代表。譬如,系统软件知道某台光伏发电装置的业主愿意接受的最低电价。然后,软件将报价提交给代表电网运营商的平衡大师(BalanceMaster),后者将决定是否接受PEA的报价。

  在Allgau地区进行试验之前,在位于爱尔兰根的开发中心,研究人员搭建了一个自有电网,以研究电池、光伏发电装置和地方电网调压变压器之间的交互作用。现在,研究人员正在分析更为复杂的智能电网。RolfHellinger教授是开发中心所隶属的能量转换技术领域的负责人,他表示:第一阶段,我们仅连接了用电设备和发电装置。下一步,是整合楼宇系统组件,如空调系统使用的压缩式制冷机。这能提高智能电网的灵活性,因为智能控制楼宇可以在需求较低时吸纳过剩电能。

西门子智能电网

  废热驱动蒸发和冷凝过程,生产出饮用水。

  利用废热生产纯净水。西门子研究人员的长远目标是将多种不同类型的能源资源合并起来,如石油、天然气、风电、太阳能、生物质和废热等,以确保这些能源资源以尽可能高效、环保的方式,生产出电能、暖气、冷气和饮用水。他们也想将这些能源资源整合到多模态能源系统中。

  热转换和分布式电力系统研究小组组长JochenSchafer博士说:在此之前,大多数时候仅仅审视了这种系统的某一个侧面,譬如,将利用可再生能源生产的电能输送到电网的方法。与之相反的是,现在我们研究的是由众多组件构成的电网。我们也在研究这些组件相互之间的交互作用方式,以及其对电网的总体稳定性的影响。换句话说,我们感兴趣的是系统集成,以及所有系统组件之间的最优相互作用。

  譬如,研究人员尤为感兴趣的是充分利用机器及其他工业设备产生的废热。如今,人们很少以经济可行的方式对废热,特别是低温废热,加以利用。然而,这种热能包含了宝贵的能量,譬如,可以用于回收处理废水,生产出饮用水。为此,爱尔兰根的西门子研究人员开发了EvaCon(蒸发和冷凝)系统,利用温度在70到120摄氏度之间的废热来蒸发废水。所得到的蒸汽流被输送到冷凝机中,通过凝结作用,生产出纯净水和一些浓缩废水。然后再处理这些废水。

  在开发中心,矗立着高5.5米的EvaCon原型机。废水经隔热管道从右上方流入,再流经若干换热器。在这里,废热被用来升高水温。然后,废水缓缓流过蒸发器,变成水蒸气。风扇产生气流,携带水蒸气向上运动。在安装了冷凝器的右侧,水蒸气再次凝结。这听起来可能很简单,但细节却颇为复杂。环境技术研究小组组长ManfredBaldauf博士说:我们想使用最少量的电能来输送尽可能最多的水蒸气。为此,我们需要精确调节温度分布和气量。下一步是建造一座纯净水产能达25立方米/小时的试验设施。这足以处理饮料行业装瓶过程产生的废水。此外,EvaCon也可用于净化酿造工艺和石油钻探作业等产生的废水。

  然而,针对某些情况还没有经济划算地利用低温废热的技术。为此,研究人员制作了一个可将废热加热至140摄氏度的热泵相比之下,以往最高只能加热至90摄氏度。Schafer解释道:从根本上讲,热泵原理是相同的,但我们的热循环采用了一种特殊的工艺油。这种工艺油适用于更高温度,并且对环境无害,绝对安全。譬如,这种新热泵可以将温度在70到90摄氏度之间的工业废热或地热,加热至130摄氏度达到集中供暖系统的标准温度。这些热能可用于为建筑物供暖。结合EvaCon及开发中心的其他设备,新的热泵有助于研究人员朝着保证不浪费任何能源资源的梦想更进一步。

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