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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地波動不定的電能供應和用電需求，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。當地的智能電網還配備了一個*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地供應電能。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據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。