金光哲,黃凱鑫
(上海海洋大學(xué),上海 201306)
隨著能源需求的快速增長(zhǎng)和人們對(duì)環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)注,新能源供電系統(tǒng)成為解決能源供應(yīng)和環(huán)境問(wèn)題的重要方向。多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一種集成多種能源的供電系統(tǒng),具有優(yōu)化能源利用、提高電網(wǎng)可靠性和降低碳排放等優(yōu)勢(shì)。因此,設(shè)計(jì)和應(yīng)用新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
(1)提高能源利用效率。傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)存在能源浪費(fèi)和低效利用的問(wèn)題。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)整合不同類型的能源,充分利用各種可再生能源和清潔能源,以提高能源的利用效率,可以減少能源資源浪費(fèi),降低對(duì)有限傳統(tǒng)能源的依賴。
(2)促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型與環(huán)境保護(hù)。隨著全球溫室氣體排放和氣候變化問(wèn)題的日益突出,推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)變得迫切。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用可以大幅減少碳排放和環(huán)境污染,為實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。
(3)提高電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)在供電可靠性和穩(wěn)定性方面存在一定的局限性。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用多能互補(bǔ)方式,可以有效解決電力供需匹配、儲(chǔ)能和調(diào)度等問(wèn)題,提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性,對(duì)于保障能源供應(yīng)的連續(xù)性和電力質(zhì)量的穩(wěn)定具有重要意義。
(4)降低能源成本和經(jīng)濟(jì)效益提升。采用新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以降低能源生產(chǎn)和供應(yīng)成本。一方面,新能源的價(jià)格逐漸下降,利用多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng),降低能源采購(gòu)成本。另一方面,提高能源利用效率和減少能源浪費(fèi)可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的提升[1]。
(5)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用涉及多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和協(xié)同合作,將推動(dòng)能源、儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)、信息通信等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的完善和壯大,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在提高能源利用效率、促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、保護(hù)環(huán)境、提高電網(wǎng)可靠性、降低能源成本以及推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面具有重要意義,是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和構(gòu)建綠色低碳社會(huì)的關(guān)鍵路徑之一。
(1)多能源選擇與配置。根據(jù)可再生能源和清潔能源的特點(diǎn)和實(shí)際情況,選擇合適的能源類型進(jìn)行整合。例如,太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電可以作為主要的可再生能源,而水能或生物能可以作為輔助能源(整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示)。根據(jù)地理?xiàng)l件、氣候狀況和能源產(chǎn)量預(yù)測(cè),確定各能源的比例和配置方式[2]。
(2)多能源轉(zhuǎn)換與協(xié)同運(yùn)行。針對(duì)不同能源形式的轉(zhuǎn)換和利用,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和系統(tǒng)。例如,太陽(yáng)能光伏需要光伏陣列和逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,風(fēng)能需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中需要確保這些能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的互補(bǔ)和協(xié)同運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。
(3)能源管理與控制系統(tǒng)。對(duì)于多能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的能源管理與控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)、調(diào)度和優(yōu)化能源的利用,包括能源監(jiān)測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、能源分析算法等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源的產(chǎn)生和消耗情況以及電網(wǎng)需求狀況進(jìn)行智能調(diào)度和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)各能源之間的協(xié)調(diào)和平衡。
(4)電力互聯(lián)與傳輸系統(tǒng)。在多能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,不同能源的電力輸出需要進(jìn)行集成和傳輸至電網(wǎng),因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電力互聯(lián)和傳輸系統(tǒng),包括電纜、變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備等。這些系統(tǒng)需要滿足能源輸送的安全、高效和穩(wěn)定性要求,同時(shí)考慮輸電損耗問(wèn)題。
通過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)方面的考慮,可以實(shí)現(xiàn)新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中不同能源資源的整合。這樣的設(shè)計(jì)可以充分利用各種能源優(yōu)勢(shì),提高能源利用效率,確保系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)過(guò)程需要綜合考慮能源特點(diǎn)、技術(shù)可行性、成本效益等多方面因素,并根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。
(1)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)。需要設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種能源的產(chǎn)生情況、電網(wǎng)負(fù)荷需求以及儲(chǔ)能狀態(tài)等信息。這涉及傳感器的選擇和部署、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的布置以及數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)等方面。
(2)能源預(yù)測(cè)和優(yōu)化算法。基于采集的數(shù)據(jù),可以利用能源預(yù)測(cè)和優(yōu)化算法預(yù)測(cè)和分析未來(lái)能源的產(chǎn)生和需求。這些算法可以利用歷史數(shù)據(jù)、天氣模型、負(fù)荷預(yù)測(cè)等,提供關(guān)于不同能源的產(chǎn)生量和消耗量的預(yù)測(cè)結(jié)果。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可以更好地調(diào)度能源,避免能源過(guò)剩或不足,并確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)能源調(diào)度策略。根據(jù)能源預(yù)測(cè)結(jié)果和電網(wǎng)負(fù)荷需求,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的能源調(diào)度策略,包括確定分布式發(fā)電單元之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略和儲(chǔ)能設(shè)備的充放電策略。通過(guò)優(yōu)化能源的分配和調(diào)度,可以最大限度地利用可再生能源,并確保系統(tǒng)供需平衡[3]。
(4)智能控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度,需要設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能源的產(chǎn)生和消耗情況,并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。以“Π 能云”智能控制系統(tǒng)為例,它包括能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制、儲(chǔ)能設(shè)備的管理以及分布式發(fā)電單元之間的協(xié)調(diào)控制,以此貫穿整個(gè)發(fā)、輸、變、配、用的電力調(diào)度過(guò)程,如圖2 所示。智能控制系統(tǒng)可以利用自適應(yīng)控制算法、模型預(yù)測(cè)控制等方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

圖2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(5)響應(yīng)性與靈活性。由于可再生能源的波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn),電力調(diào)度系統(tǒng)需要具備一定的響應(yīng)性和靈活性,即在短時(shí)間內(nèi)可以通過(guò)快速響應(yīng)的控制算法、有限容量調(diào)度策略以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活運(yùn)行,對(duì)能源波動(dòng)進(jìn)行快速調(diào)整和平衡,以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況和變化的電網(wǎng)負(fù)荷需求。
新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電力調(diào)度設(shè)計(jì)涉及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)、能源預(yù)測(cè)和優(yōu)化算法、能源調(diào)度策略、智能控制系統(tǒng)、響應(yīng)性以及靈活性等方面。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和整合這些技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的精確、高效調(diào)度,從而確保能源供需平衡和電力質(zhì)量穩(wěn)定。
(1)儲(chǔ)能技術(shù)選擇。需要選擇適合的能量?jī)?chǔ)存技術(shù),根據(jù)系統(tǒng)需求、成本效益和可靠性等因素進(jìn)行評(píng)估。常見(jiàn)的能量?jī)?chǔ)存技術(shù)包括電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、氫能儲(chǔ)存、壓縮空氣儲(chǔ)能等。每種儲(chǔ)能技術(shù)都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景,需要綜合考慮系統(tǒng)需求和運(yùn)行特點(diǎn),選擇最佳的儲(chǔ)能技術(shù)。
(2)儲(chǔ)能容量與功率匹配。根據(jù)能源產(chǎn)生和負(fù)荷需求之間的差異,需要確定合適的儲(chǔ)能容量和功率規(guī)模。儲(chǔ)能容量指的是儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)的能量總量,而儲(chǔ)能功率是指儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供或吸收的最大功率。通過(guò)對(duì)能源預(yù)測(cè)和電網(wǎng)負(fù)荷需求的分析,可以評(píng)估所需的儲(chǔ)能容量和功率,并進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。
(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。設(shè)計(jì)中需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以存儲(chǔ)多余的能量以供后續(xù)使用,或在能源供應(yīng)不足時(shí)釋放能量補(bǔ)充電網(wǎng)需求。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略和智能管理系統(tǒng),監(jiān)測(cè)能源產(chǎn)生和消耗情況,并根據(jù)需求進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能操作。
(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和可靠性。技術(shù)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率是指能量存儲(chǔ)和釋放過(guò)程中的能量損失程度。因此,需要選擇高效的儲(chǔ)能設(shè)備和轉(zhuǎn)換器,并優(yōu)化控制策略,以提高系統(tǒng)效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性也是重要因素,需要采用合適的保護(hù)措施和容錯(cuò)設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命正常。
(5)綜合系統(tǒng)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。在能量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中,需要進(jìn)行綜合系統(tǒng)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。這包括對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、壽命、充放電效率、功率密度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和權(quán)衡,以及與其他部分(如發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng))的協(xié)調(diào)優(yōu)化。通過(guò)綜合考慮技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益,可以選擇最佳的能量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方案。
新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)涉及儲(chǔ)能技術(shù)選擇、儲(chǔ)能容量與功率匹配、儲(chǔ)能系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行、儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和可靠性以及綜合系統(tǒng)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等方面。通過(guò)合理的能量存儲(chǔ)設(shè)計(jì),可以平衡能源供需差異,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的能源供應(yīng)。
(1)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。需要制定系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案,確定各個(gè)組件和子系統(tǒng)之間的關(guān)系和接口。這包括定義數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議、設(shè)備連接方式等。一個(gè)合理的系統(tǒng)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性,方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。
(2)接口標(biāo)準(zhǔn)與兼容性。不同組件和子系統(tǒng)可能來(lái)自不同的供應(yīng)商或廠家,因此需要考慮接口標(biāo)準(zhǔn)和兼容性。通過(guò)采用通用的接口標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議,可以確保各個(gè)組件之間的互操作性,并降低集成過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。
(3)數(shù)據(jù)交換與共享。在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,各個(gè)組件和子系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享,涉及數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)的規(guī)劃等。通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和共享,提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
(4)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)需要考慮控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)組件和子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、能源產(chǎn)生和消耗情況等。采用合適的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備,結(jié)合數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面監(jiān)控和控制。
(5)故障診斷與容錯(cuò)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中,需要考慮故障診斷和容錯(cuò)設(shè)計(jì)。通過(guò)合適的故障檢測(cè)和診斷方法,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位故障,以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或切換。此外,容錯(cuò)設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的健壯性和可靠性,確保系統(tǒng)在部分故障情況下仍然能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)完成后,需要進(jìn)行全面測(cè)試和驗(yàn)證,涉及功能測(cè)試、性能測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試等多個(gè)方面。通過(guò)充分的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù),有利于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[4]。
(1)分布式能源供應(yīng)和緊急備用能源。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于分布式能源供應(yīng)領(lǐng)域。通過(guò)將太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)能等不同類型的可再生能源集成在一起,結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)、工業(yè)園區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等局部范圍的能源供應(yīng)。這種系統(tǒng)可以減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴,提高能源利用效率,并降低碳排放。同時(shí),新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以作為緊急備用電源,為關(guān)鍵設(shè)施和重要場(chǎng)所提供緊急電力支持。在自然災(zāi)害、停電或其他緊急情況下,系統(tǒng)可以快速啟動(dòng)并提供可靠的電力供應(yīng),確保重要設(shè)備的正常運(yùn)行。
(2)島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)通常面臨能源供應(yīng)挑戰(zhàn)。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以為這些地區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)。通過(guò)將多種可再生能源與傳統(tǒng)能源混合使用,并配備適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能設(shè)備,可以滿足島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源需求,降低對(duì)進(jìn)口燃料的依賴,改善當(dāng)?shù)氐哪茉窗踩浴?/p>
(3)工業(yè)與商業(yè)用電。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)也適用于工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域的電力供應(yīng)。工廠、大型商業(yè)建筑和商業(yè)區(qū)域通常具有不同的能源需求,如電力、熱能和制冷等。通過(guò)將太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮艿燃稍谝黄穑⒔Y(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱能回收技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)供應(yīng),降低能源成本,提高能源利用效率。
(4)智能微網(wǎng)。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以用于構(gòu)建智能微網(wǎng)。智能微網(wǎng)是一個(gè)小范圍的電力網(wǎng)絡(luò),可以與傳統(tǒng)電網(wǎng)連接或獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)將多種可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備和智能控制系統(tǒng)集成在一起,智能微網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域的自主能源管理和優(yōu)化調(diào)度。這種系統(tǒng)具有靈活性、高可靠性和節(jié)能性,適用于城市社區(qū)、大型建筑群和軍事基地等場(chǎng)景[5]。
(5)農(nóng)村電氣化。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以為農(nóng)村地區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)。農(nóng)村地區(qū)通常面臨電力供應(yīng)不穩(wěn)定和能源遠(yuǎn)等問(wèn)題。通過(guò)將太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)能等集成在一起,并結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù),可以滿足農(nóng)村地區(qū)的電力需求,改善農(nóng)村電氣化水平,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
(6)城市能源系統(tǒng)優(yōu)化。新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市能源系統(tǒng)的優(yōu)化。通過(guò)將可再生能源與傳統(tǒng)能源結(jié)合使用,利用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量平衡調(diào)節(jié),可以降低城市能源系統(tǒng)的負(fù)荷峰值,減少對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電廠的依賴,提高能源利用效率。
新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用方向,涵蓋了分布式能源供應(yīng)、島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、工業(yè)與商業(yè)用電、智能微網(wǎng)以及農(nóng)村電氣化等領(lǐng)域。這些應(yīng)用方向有助于提高能源利用效率,降低碳排放,提高能源供應(yīng)的可靠性和可持續(xù)性。
新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。通過(guò)充分利用不同能源之間的互補(bǔ)性和協(xié)同作用,可以實(shí)現(xiàn)能源資源的高效利用和減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。這種系統(tǒng)不僅有助于提高能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性,還能夠減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)大,新能源供電多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將在未來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用,并為人類創(chuàng)造更清潔、可持續(xù)的能源未來(lái)。通過(guò)持續(xù)的研究和創(chuàng)新,可以不斷完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行方式,以實(shí)現(xiàn)更高效、可持續(xù)的能源供應(yīng),推動(dòng)人類社會(huì)邁向更綠色、可持續(xù)的未來(lái)。