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微平衡:德国能源互联网示范项目C-sells

作者:365手机版客户端 发布时间:2020-11-19 14:56 点击数:

  2016年2月份, 国家发改委、能源局、工信部联合发布的《关于推进“互联网 ”智慧能源发展的指导意见》提出了微平衡的理念:

  我们清华大学能源互联网创新研究院是该文件的重要支撑团队,我本人也参加了这个文件的起草工作。德国的C-sells示范项目,是继六个E-ENERGY灯塔项目的第二阶段能源互联网示范项目,该项目很好地体现了微电网群形态下的微平衡,特此与大家共享。

  今天在网上看到国家发改委和国家能源局发布的 发改能源[2017]1901号文件《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》明确了分布式发电就近交易的过网费政策,110千伏以下的50兆瓦以内的分布式发电项目的过网费大体会在5分钱左右。这对于微平衡系统的实现提供了关键的政策支撑。

  “C-sells”展现未来能源系统应该具备细胞般的自主性、分布式的参与性以及完整的多样性。能源网络和IT设施将分布式能源等能源生产者与能源用户连接起来,通过多能互补、进行灵活性的市场化交易,实现从一个细胞结构到跨区域的能源系统优化。

  德国一直是全球能源转型的先行者。2015年,德国可再生能源发电在总用电量中的比例已达32.5%。此外,2015年德国风光装机占比超过40%,而弃风弃光率仅为1%左右。德国能源转型已取得令人羡慕的阶段性成果。

  “C-sells”隶属于在2016年12月正式启动的SINTEG项目(Smart Energy Showcases – Digital Agenda for the Energy Transition),是德国继E-ENERGY六个示范项目后在能源互联网方面的进一步探索。E-Energy是2008年德国联邦经济与能源部在智能电网的基础上推出的一个为期4年的技术创新促进计划。它提出打造新型能源网络,在整个能源供应体系中实现综合数字化互联以及计算机控制和监测的目标。E-Energy充分利用信息和通信技术开发新的解决方案,以满足未来以分布式能源供应结构为特点的电力系统的需求。

  “C-sells”的目标是通过数字化基础设施(发电、配电、储能、地产)实现分散结构的大规模生产,从而实现生态进步和经济附加值。C-sell项目选址在德国南部的巴伐利亚州、巴登 - 符腾堡州和黑森州,覆盖了德国重要的工业负荷中心如斯图加特、莱茵-内卡区域、大慕尼黑地区,涵盖2602个城镇,3000万人口,80万个能源用户。目前,核电是该地区的能源供应的重要来源之一,约占30%。但是,根据德国政府的计划,要在2022年前关闭德国全部核反应堆。所以在这片区域内,如何将太阳能、生物质能和水力等清洁能源纳入到现有的能源系统中,是一个重要的课题。

  其次,德国南部光伏装机容量占全国总量的一半左右,在巴伐利亚州、巴登-符腾堡州和黑森州,超过76万消费者与能源公司合作。由于巴伐利亚州和巴登-符腾堡州的太阳能生产强劲,黑森州的风力发电,其复杂的网络结构拥有400多个分销网络,工业化城市中心与农村人口稀少的地区相结合并且其在欧洲网络的中心位置,德国南部为“智慧能源”发展提供了相当理想的条件。

  C-cells项目的标志向外传达了四个重要信息:示范、互联、交易和整合。

  正如标志所展示的,要构建多样化、类似于细胞一样组织结构的能源基础设施,从而实现安全和高效的能源互联。在我们未来的能源系统中,自主行动的个体在区域网络中如细胞一般相互作用。电力的使用和供应与热、气供应共同被优化,充分利用细胞内和细胞之间的灵活性。将各种容量大小、具备不同特征的能源网络和基础设施整合在一起,从物业小区,到区域网络直到跨区输电网络层面。

  在这系统中,电网公司、发电方、消费者都是“细胞”一样的存在。最终为所有互联的参与方提供一个稳定、高度灵活以及舒适的能源系统。

  这里“sells”也有一语双关的意思。发音除了“细胞”以外,也意味着,这个细胞结构的能源系统方案,需要具有市场化的能力、参与市场化交易才能成功推广。在c-sell项目里,为未来能源系统的市场机制、市场参与方扮演的角色下了定义,并希望实现项目经验的普遍推广,建立普遍适用的市场机制。在虚拟平台中不同的参与者能够自主且同时地行动。这带来了一种新的价值供应方式和商业模式。服务,解决方案和产品占据新的市场。

  C-sells项目实现的关键是构建具有细胞结构的能源系统。C-sells的“细胞”是能源系统中的最基本单元,它是一个多样化的、在空间上集成的能源基础设施,可以根据辅助性原则进行自我决策。其中,自治度受很多因素的影响,包括容量大小、系统结构等。一方面,这些基础单元是能源系统中的技术实现元素,包括新能源和传统能源设备,储能设施,能源网络等。另一方面,也是能源市场的组成基础。这些基础单元通过IIS基础设施信息系统实现互联。

  一个“细胞结构”的基本功能是为位于其中的用户供应能源,将来还需要进一步开发供能系统的灵活性。而多能互补(电,热,交通等)可以实现一个细胞结构内的整体优化。

  根据最新的“VDE-Zell-Studie”(德国VDE电力、电子与信息工程师协会在智能电网方面的研究课题)研究成果,尤其是其中关于能源网络设施的部分,电能的生产和消费应该尽可能在基础的配网层面实现动态平衡。(国家能源局的互联网 智慧能源的那个文件当中提到“微平衡”,与此基本一致。)

  为了实现上述目标,必须在每个细胞结构内实现成熟的数据管理和安全防护系统,对不同的信息、测量值、信号等进行优先排序和评估。如上图所示,每一个细胞都已经置身于能源市场中,在一个细胞里的所有互动都是符合市场规律的。每一个细胞都向市场提供整合的信息,例如,每一个细胞能向市场提供多大的灵活性,从而作为可以在系统辅助服务市场出售的产品。相应地,市场也会向每个细胞提供激励,例如通过价格信号。基于此,

  每个细胞都可以自我决策,决定如何参与市场,如何通过市场交易提供怎样的产品。

  同时,每个细胞也不停地与周围细胞以及市场环境发生相互作用。只有站在整个系统,或者是细胞集群的高度,才能实现最优。这个结论在C-cells项目中得到了验证。

  在任何情况下,细胞之间的能源或信息交换都按照辅助性原则进行。这样大大降低了交换的复杂程度。信息在传送之前必须进行预处理和整合,从而保证信息接收方不会过载。例如,对于一个输电网运营商而言,一个单独的变压站测量值是没有意义的。对于能源和功率交换也有类似的规则:并不是所有的功率峰值都要向邻近的细胞传递,而是应该尽可能降低功率梯度

  “C-sells”采用的是使能量系统更加灵活的蜂窝方式,加上各种智能属性,可以对不同的技术方案和商业模式进行测试,而不会危及区域互连系统的稳定性。

  例如,基于ICT的系统集成在所有终端能源类型和选定的基础设施服务上进行,比如说电动汽车。这就是所谓“细胞”的实现过程。另外,能源供应、使用、分配、存储和其他基础设施服务是在个别小区内执行的。房地产,区,市,按照辅助性原则自主优化。将网络连接到网络中还可以为安全和强大的能源基础设施采取联合行动。下图展示了“C-sells”项目从个体到社区再到区域的层次结构。

  在项目区域内的部分地区,现在已经出现了新能源发电量大于用户需求量的情况,例如,Vogelsbergkreis地区某时刻的新能源发电量相当于负荷的140%(黑森州的阴影区域),Rottal-Inn地区某时刻的新能源发电量相当于负荷的133%(拜仁州东部的阴影区域)。项目方希望能够解决新能源大量并网而出现的网络拥塞问题。

  在子项目“6-网络细胞”和“7-物业小区”是C-sells项目方案的核心。规划方希望,在43个细胞中降低复杂性,并且开发出清晰可见的、可复制的、辐射力强的样板。(图中展示了每个细胞层级中的示范项目)

  装机容量超过8 MWp的屋顶光伏设备通过智能测量系统(iMSYs)实现优化,通过直接参与市场的策略参与了区域的灵活性市场。

  = LocalGridCells(6.4)展示了如何在配网中大规模并入新能源,并且对系统的透明度、经济性进行了评估。例如在Ulm-Einsingen,有130栋居住建筑(1GWh的用电负荷,211MWh光伏发电量),项目组对其进行了可提供系统辅助服务潜力以及低压系统稳定性的评估。

  ÞFlexAnreize und Regionalzellen (6.3): 在区域能源网络运营商侧(例如Bayernwerk)进行的分布式发电,引起了较多的发电量过剩现象,在Ostbayern的细胞内,尝试着对灵活性进行了市场化的激励措施。这是通过将不同功能的储能设备连接在一起实现的,例如带有P2H的储热装置,不同容量的电池等。

  =不同输电网运营商(TenneT和TransNet BW)区域内的系统稳定性(6.2): 在输电网层级上,所有细胞和市场、能源网络都能实现和谐共处。如下图所示,在不同的电网层级上,输电网和配电网运营商将进行系统稳定性的调节,从而保证在新能源并网电量较大的情况下,不降低系统的稳定性。

  C-sells 的细胞结构使得风力发电的示范项目之间可以协调运行,实现互补。细胞结构自下而上的方案,可以实现从一个细胞基础单元,到全德国,全欧洲,甚至全世界范围的扩展。跨国公司,中小企业以及初创公司都可以参与到C-cells项目的国际合作中来,从而为技术产品、商业模式和科研圈的全球合作开辟了新的道路。

  最底层:中压/低压配网层面上,将发电设备和用户通过iMSys连接起来,再通过智能远程终端单元(RTUs)与配电网相连。配电网之间又通过a)不同级别的电网和b)智能电表网关管理员相连。而控制信号来自于a)系统辅助服务市场和b)电力市场,通过进行场外交易、现货交易、期货交易的系统集成商传递。

  ÞCase #2: 在系统出现特殊情况时,输电网与配电网运营商之间的互动 (红色)

  输电网运营商通过iMYS与配电网运营商、智能电表网关管理员协调,有针对性地关闭部分光伏发电设备,直到系统电压稳定为止。

  对于一个如此大型的项目,“C-sells”项目需要结构分散化,它被分成7大子项目,分别是:

  数字化浪潮已经席卷了工业界,“工业4.0”引领了智能制造的潮流。当IT技术的浪潮进入能源领域,德国也相应启动了“能源4.0”。“C-sells”是其中的重点项目,为全面推出智能电网奠定基础。当中国同样有着雄心勃勃的能源清洁转型目标的时候,智能电网的实现却似乎非常遥远。在利用清洁能源的问题上,中国面临比德国更加复杂的情况,“C-sells”对于中国的智能电网发展是否有重要意义我们不得而知,但至少“C-csells”告诉我们未来能源系统应该具备细胞般的自主性、分布式的参与性以及完整的多样性,这应该也是中国能源未来的方向。能源网络和IT设施将分布式能源等能源生产者与能源用户连接起来,通过多能互补、进行灵活性的市场化交易,实现从一个细胞结构到跨区域的能源系统优化,从而应对新能源大量并网给电力系统带来的复杂性和不稳定性。这无疑为我国的能源结构的低碳转型提供了一定的借鉴意义。

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