智能电网可再生能源和智能电器:保持照明

2006年11月4日，欧洲发生大停电，1500多万用户断电数小时。停电的最初原因是，为了让一艘船通过，计划切断德国西北部一条河上的架空电线，导致负载流发生了微小变化。然而，重新连接线路被证明是有问题的:N-1标准(传输系统在不导致其他地方过载故障的情况下失去连接的能力)无法满足，导致了大规模的泛欧洲停电。

当传输系统运营商(TSOs)努力重新整合系统时，网络通信不足加剧了原来的问题。当TSOs将频率恢复到50Hz时，许多小规模发电、分布式系统，如风力发电场，以不受控制的方式自动连接起来。

在半小时内，情况迅速发生变化，意外的负载流量威胁到N-1安全极限。一次不协调的改变输电线路的尝试触发了一个380kV的互连连接器，导致整个欧洲的电力中断，从东北部的波兰，到西部的比荷卢三国和法国，再到西南部的葡萄牙、西班牙和摩洛哥，再到东南部的希腊和巴尔干半岛。

保持世界的光明

鉴于这些泛欧洲范围的停电，为应对气候变化而作出的政治决定现在开始影响发电和供应的格局。

在许多国家，由于供不应求，电力供应中断是司空见惯的事。过去10年，中国、巴西和意大利都发生过严重的电力故障，但2014年1月发表的一篇学术论文称，这些只是“为未来做的彩排”，在未来，停电的频率和严重程度将会越来越高。

英国林肯大学(Lincoln University)的休•伯德(Hugh Byrd)和奥克兰大学(Auckland University)的史蒂夫•马修曼(Steve Matthewman)认为，随着石油峰值、政治不稳定、基础设施忽视、全球变暖以及向可再生能源的转变汇聚在一起，我们应该放弃不间断供电的想法。

然而，这种悲观的观点并没有得到业界的支持，他们认为可以利用创新、投资和新技术的应用来确保低碳电力的连续性。然而，尽管安全可能得到保证，但能源成本似乎正处于不可阻挡的上升轨道上。

我们目前的网络是复杂而脆弱的系统，由大型发电机、输电系统运营商、配电系统运营商、小型发电机和用户组成。它们受到监管控制和政治投入的制约，因此许多改革正在酝酿之中。

“脱碳”电力的必要性正导致人们从大型化石燃料发电厂转向可再生和分布式发电。这推动了输电基础设施的大规模变革，以适应新的地域多样化的电力来源。新技术正在促进互动性更强的“智能电网”的发展，在这种电网中，网络将能够与设备和消费者进行通信，从而实现更有效的能源利用。

在国家层面，政治目标是开发安全、负担得起的低碳发电资源。不幸的是，这种能源“三难困境”与“项目管理三角”类似，表现为两种形式:快速、良好和廉价vs成本、范围和时间尺度。目前，将三者结合在一起是不可能的。

新欧洲网络代码

在欧盟，有28个TSOs，超过2000个分销系统运营商和数百万的消费者。确保该系统适合21世纪，意味着需要对网络管理进行变革，新的欧洲法规正在酝酿中。

第三个能源一揽子计划将逐步引入新的欧洲网络代码，旨在使已经通过互联连接器物理连接的欧盟能源市场在整个欧洲更好地运行。

电力西北公司的网络战略和技术支持总监Mike Kay解释说:“从2014年底开始，9个优先网络代码将在几年内逐步引入。”

一些法规涉及到市场的交易和运作，但凯指出:“在另一端，新法律抓住了电力客户，使我们所有在屋顶上安装太阳能光伏的人都成为重要用户，并对我们的设备必须如何运行赋予了新的义务。”

法规草案是由TSOs起草的，他们希望确保欧盟电网的完整性不受小型可再生能源增长的影响。凯说:“德国现在有超过20吉瓦的太阳能光伏发电能力，但该发电的频率上限存在一些问题。潜在的是，它可能会同时发生故障，因为有这么多，这可能会让德国电网相当头疼。”

英国也有类似的担忧，因为越来越多的风能和太阳能发电改变了电网的运行方式。用可再生能源取代大规模化石燃料发电的趋势实际上使系统更加脆弱。火力发电厂的大型发电机在物理上是巨大的旋转质量，具有巨大的固有阻尼效应。相比之下，一个由许多没有附加巨大阻尼质量的小型风力涡轮机组成的系统本质上更不稳定。

新的需求连接代码是另一个变化。这可能需要智能设备向网络公司提供信息。智能冰箱、白色家电和电动汽车充电器等电器将被要求按照尽量减少配电和输电网络整体压力的模式工作。

客户和电力公司之间的信息交换可能会引发争议。诸如“冰箱里的间谍”和“中央情报局想通过你的电视监视你”这样的标题提高了人们对智能家电与外部机构通信的潜力的认识。

凯表示:“关于家电的需求连接代码存在很多争论——显然，我们想要一个客户完全控制家电功能的世界，但客户和网络之间可能存在有效合作的机会。”

他继续说:“对数据安全的担忧也是合理的。让智能计量数据安全的工作正在进行中——网络运营商可能会在街道层面收集智能计量数据，这样单个客户的数据就无法区分了。”

他说:“需求不再像过去那样可以预测，因为它遵循可预测的日常事件。现在国内发电量如此之多，很难预测未来一天、一周或一年的需求会如何变化。”

供应安全

2013年，英国高压输电网络的“系统运营商”国家电网(National Grid)宣布了新的系统平衡工具，以提高供应安全，因为可用电力的下降导致利润率收紧，增加了发电与需求匹配的挑战。

政府将鼓励企业在冬季工作日晚上4点至8点之间减少用电，以换取现金折扣。折扣水平将由国家电网招标决定，以期从2014年至2015年冬季交付该方案。

Ofgem首席执行官Andrew Wright在一份声明中表示:“英国拥有世界上最可靠的电力系统之一，但随着利润率收紧，行业不能对供应安全感到自满。”“因此，我们批准了这些新工具，作为国家电网可获得的额外保险政策，以保护消费者的电力供应。”

需求侧平衡储备(DSBR)机制也将用于在高峰期奖励小型嵌入式发电的所有者。国家电网已经实施了类似的需求管理计划，向酒店、医院和商业建筑等能源大用户支付费用，让他们在高峰时段暂时减少能源需求。

国家电网预测2013/14冬季英国峰值天气电力需求为5480吉瓦。这一数字自2005年以来一直在下降，原因是采取了节能措施，从重工业转向低能源密集型工业活动，小型嵌入式发电的数量增加，以及客户需求管理的加强。

欧洲超级电网

欧盟正致力于建立一个单一的欧洲电力市场，拥有多样化的供应来源，并整合海上风力发电。网络运营商面临的问题是，如何在不断增长的风力发电场的间歇性输出与工业和消费需求峰值模式之间取得平衡。

高压直流(HVDC)技术的发展使长得多的互连连接器变得可行。随着风力发电场在离海岸更远的地方发展，这项技术正在得到部署，同时欧洲正在就开发北海海上风力发电电网的好处进行讨论。

英国有4GW互连容量:2GW给法国(IFA)， 1GW给荷兰(BritNed)， 500MW给北爱尔兰(Moyle)， 500MW给爱尔兰共和国(东西)。互连器流量主要由价格驱动，因此市场决定了流量的方向。

展望未来，连接英国和比利时的1GW Nemo Link计划于2018年建成。到2020年，与爱尔兰的额外连接，连接英格兰东部与挪威的750公里1.4GW互联连接器，以及连接法国的第二个互联连接器可能到位。

国家电网正在调查其他互连项目，包括与丹麦和冰岛的潜在连接。超级电网意味着，来自冰岛的地热能、来自挪威的水力发电以及来自英国和爱尔兰的风能都可以在欧洲大陆得到利用。

弥合能力差距

欧盟的大型燃烧工厂指令(LCPD)要求工厂减少SOx、NOx和粉尘的排放。2001年LCPD更新提出了现有工厂的备选方案，要么对烟气处理设备进行改造，以满足新的排放限制，要么在2007年底前关闭，要么在2008年至2015年底期间将运行时间限制在2万小时。

在英国，大约有100吉瓦的煤电厂和石油电厂已经选择退出LCPD，并计划在2015年底关闭。英国上世纪70年代和80年代建造的一批老化的核反应堆将在未来10年下线。化石燃料和核能力的停止使用代表着一代人需要被替换，其中大部分是在短期内。这将从何而来?

生产低碳能源有许多技术上可行的方法。然而，目前没有一种在商业上可行，在工业规模上开发它们需要政治和监管支持，以吸引投资。

一系列的机制被使用，包括上网电价(FiTs)，可再生义务，以及最近英国新的电力市场改革“差价合同”(CfD)机制。

英国政府致力于发展新的核电，已与EDF签署合同，支持在萨默塞特郡欣克利角(Hinckley Point)建设新反应堆。该交易目前正接受欧盟竞争专员(EU Commissioner for Competition)的严格审查，对该交易是否符合国家援助标准的详细审查预计将于今年夏天完成。这家公用事业公司将投资决定推迟到那时。另外两个潜在的财团也在密切关注事态发展。在2020年之前，新的英国核电不太可能向电网发电。

可再生能源发电

补贴和支持导致了可再生能源发电的快速增长。英国拥有极好的风能、潮汐和海浪资源，但开发将这些资源转化为电力的技术需要政治意愿和财政投资。

来自全球风能理事会(GWEC)的数据显示，2013年全球风力发电容量增加到318吉瓦以上，比前一年增加了35吉瓦。欧洲风电装机容量超过117GW。

海上的风刮得更强、更持久，在过去的20年里，海上风力发电场(owf)得到了发展。西北欧是这一新兴产业的中心，英国以超过3.6GW的发电能力成为最大的发电厂，紧随其后的是丹麦、德国和比利时，但要在恶劣的海上环境中降低安装和运行的单位成本，还有很多工作要做。

电力工业在21世纪面临的另一个挑战是，在足够大的规模上利用海洋的自然能源，以提供一系列可预测的、可负担的低碳电力。海洋能源是一种潜力巨大的巨大资源，但将其转化为可用形式的技术尚处于初级阶段，需要进行大量投资和开发工作才能将其推向市场。

欧洲海洋能源协会发布的《欧洲海洋能源路线图》设定的发电目标是到2020年占欧盟发电量的1% (3.6GW装机容量)，到2050年占15% (18.8 gw装机容量)。

优秀的波浪和潮汐资源意味着英国完全有条件成为海洋能源的世界领导者。然而，在潮汐和波浪电场向国家电网发电之前，还需要大量的开发工作和技术投资和传输网络。

这个新兴产业现在已经达到了一个阶段，许多全尺寸的原型已经安装在海上泊位上，并成功地发电并网。下一步是将设备安装到阵列中。各种潮汐和波浪设备正在争夺支持者，并寻求公用事业公司和电力公司的投资。

碳捕获和储存

国际能源协会(International Energy Association)表示，碳捕获和储存是任何成本最低的缓解方案的重要组成部分，可将长期全球平均气温升幅限制在显著低于4°C的水平。它的分析发现，到2050年将需要3400个项目，其中约100个项目需要在2020年投入使用。从化石燃料工厂捕获和储存二氧化碳的技术已经存在，但自2008年以来，发展CCS的投资几乎停滞不前。

欧盟委员会计划使用欧洲排放交易计划(ETS)的收入，该计划对碳排放进行定价，以资助CCS示范项目的发展。然而，金融危机已经导致能源需求下降，碳价格暴跌，人们的注意力普遍从气候变化转移到经济复苏，这实际上搁置了CCS计划。

英国政府最近为两个示范项目(Peterhead CCS项目和White Rose CCS项目)的前端工程和设计(FEED)研究提供了资金。然而，商业规模的CCS还有很长的路要走。

创新和发展工作的需要是实现气候变化目标和保持照明所需的所有技术领域反复出现的主题。

DECC的TINA项目——技术创新需求评估——于2010年8月启动，旨在建立一个强大的知识库，指导政府的投资决策。该项目强调了各种技术的创新需求——从核研发、建筑改造、用于运输的氢气到海上风能——这可能是实现能源和气候变化目标的最重要因素。

为不同的技术准备级别(TRL)提供资金来源:研究(TRL 1-2)、应用研究和开发(TRL 3-5)、演示(TRL 6-7)和商用前部署(TRL 8-9)。

转向智能电网系统

高效、低碳的电力供应需要智能输配电网络。2012年安永智能电网报告估计，到2050年部署一个英国智能电网的成本为270亿英镑。报告的结论是，从长远来看，智能电网解决方案将比传统的网络升级更便宜，我们将从及时部署智能电网中获得更多，而风险相对较小。

2014年2月，电力研究所(EPRI)启动了一项关于分布式能源(DER)的快速崛起所带来的电网转型的研究，如屋顶太阳能电池板和高科技微电网。该研究支持EPRI的研究，并从德国广泛部署分布式太阳能光伏和风能的环境中吸取教训，了解DER整合规划的技术和经济价值。

EPRI总裁兼首席执行官Michael Howard博士说:“电网预计将以不同的，也许是根本性的方式发生变化，这需要仔细评估不同技术和政策途径的成本和机会，以完全将DER集成到电力系统中。”

“如果我们要实现这些资源的全部价值，同时继续提供负担得起和可靠的电力，我们需要将它们纳入电网规划、运营和政策的各个方面。”

智能电网积极地将信息整合到电力系统中，以更有效地利用资源。智能电网的本质是信息和控制。现有高压输电网的架构包括传感器和复杂的控制系统，但将通信整合到整个配电系统和每个消费者的家中将需要时间和投资。

包括电池在内的一系列储能系统的发展，将为未来更智能地利用电力提供一系列机会。电力是我们都习以为常的关键基础设施的重要组成部分。然而，在该行业努力实施一部分影响深远的基础设施改革之际，停电的幽灵仍潜伏在幕后。