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小型分布式發(fā)電廠以及諸如風力發(fā)電和太陽能發(fā)電等產量波動不定的能源資源有一個共同之處,那就是,它們提供的電力對電網運行的經濟性和可靠性提出了更高的要求。虛擬發(fā)電廠是一個智能解決方案,它將眾多小型發(fā)電廠聯(lián)網,形成一個龐大的智能電網。
在德國威斯特伐利亞省的Niederense村,漫步在寧靜的鄉(xiāng)間小路上,我們只聽得到清脆的鳥叫聲和M??hne河潺潺的流水聲。一座建于1913年的小型水電站,與這里純樸的田園風光相映成趣。這座發(fā)電量為215千瓦的水電站,是該地區(qū)眾多小型水電站中的一座。然而,將近一個世紀以來,這座水電站所采用的西門子-哈爾斯克發(fā)電機一直在不知疲倦地生產電力。現在,這位“老前輩”成為了一個龐大的高科技創(chuàng)新計劃的重要組成部分。從2008年10月起,在RWE(發(fā)電企業(yè))和西門子聯(lián)合發(fā)起的ProViPP(專業(yè)虛擬發(fā)電廠)試點項目項下,這座水電站與威斯特伐利亞省Sauerland地區(qū)的Lister河和Lenne河流域的其他8座水電站相互連接起來。
人人都是這個項目的受益者,包括水電站業(yè)主、電力貿易商和電網運營商,當然,更加激烈的競爭會帶給最終消費者更多實惠。虛擬發(fā)電廠概念通過將眾多小型分布式發(fā)電廠聯(lián)網,形成可從中央控制站統(tǒng)一運營的虛擬發(fā)電廠,為電力公司創(chuàng)造了新的電力供應源,作為其大規(guī)模、集中式發(fā)電廠的補充。這樣的虛擬發(fā)電廠可以將風力發(fā)電、廢熱發(fā)電、光伏發(fā)電、小型水電站和沼氣發(fā)電等系統(tǒng),以及諸如煉鋁廠和大型水泵站等用電大戶聯(lián)合起來,組成一個一體化電力供應機構。
通過在Sauerland地區(qū)開展這個試點項目,西門子和RWE打算展示虛擬發(fā)電廠的技術可行性和經濟效益,同時從中積累經驗、拓展知識,以進一步開展其他應用。RWE負責分布式發(fā)電系統(tǒng)的項目經理Martin Kramer表示,“這個項目將持續(xù)到2010年。目前,這項技術已經取得了良好的效果,此外我們還打算連接更多發(fā)電廠。”
對外而言,這9座聯(lián)網的小型水電站就像是一座大型發(fā)電廠。在試點運行階段,它們的總發(fā)電量為8.6兆瓦。盡管這座虛擬發(fā)電廠尚未積極參與電力交易,但構成這座虛擬發(fā)電廠的眾多小型發(fā)電廠,已經為一種新的電力銷售形式創(chuàng)造了關鍵的前提條件。Kramer說:“單獨而言,這些水電站都太小,不能通過電力貿易商在電力交易所銷售其生產的電力,也無法為電網運營商提供調節(jié)電力。緊急備用電力交易市場要求發(fā)電廠必須在15分鐘之內應需提供電力,要在這個市場上銷售電力,虛擬發(fā)電廠必須具備最低15兆瓦的發(fā)電量。”目前,這座由9座小型水電站聯(lián)網形成的虛擬發(fā)電廠,尚未達到這樣的裝機容量,因此,只能按照德國《可再生能源法》(EEG)的規(guī)定,將其生產的電力輸送給 電網。不過,按計劃擴大項目范圍后,該虛擬發(fā)電廠就可以直接在電力交易市場上銷售其生產的電力了。
通過分布式電力管理系統(tǒng)軟件,可以查看一座虛擬發(fā)電廠所包含的所有系統(tǒng)的當前狀態(tài)。該軟件可以生成發(fā)電運行計劃。
超酷控制系統(tǒng)。在Sauerland虛擬發(fā)電廠的核心,是西門子提供的分布式發(fā)電管理系統(tǒng)(DEMS)。這個系統(tǒng)負責顯示發(fā)電系統(tǒng)的當前狀態(tài),生成預測和報價信息,以及按計劃控制電力生產。系統(tǒng)的用戶界面被劃分為發(fā)電、負荷、合同和蓄電等幾個部分。為了便于使用,位于用戶界面中部的是“平衡節(jié)點”(輸入和輸出的電力必須相等)。“預測和使用規(guī)劃”、“監(jiān)視和控制”窗口提供了更多信息。因此,通過查看彩色條形圖,發(fā)電經理可以一目了然地掌握哪座發(fā)電廠當前正在以峰值負荷或哪座以基本負荷運行,以及這些發(fā)電廠的發(fā)電量。
將諸如發(fā)電量等發(fā)電廠狀態(tài)信息與市場預測相結合,DEMS將根據第二天的電價和總共可用的電力,生成預測數據。這個發(fā)電管理系統(tǒng)甚至還考慮了天氣數據,以預測諸如風電和太陽能發(fā)電等變幻不定的能源資源的發(fā)電量。
可以在需求模式下,控制該計劃。
在通過電力貿易商在電力交易市場上給出報價之前,該系統(tǒng)所生成的價格需經發(fā)電經理審批。經發(fā)電經理批準和認可之后,DEMS將為虛擬發(fā)電廠中的每一座發(fā)電廠生成運行計劃,這個計劃精確規(guī)定了每座發(fā)電廠在規(guī)定時間必須生產電量。西門子能源電力系統(tǒng)管理部產品經理Thomas Werner博士表示,“DEMS的建模能力十分出色,該系統(tǒng)生成的計劃可以得到的執(zhí)行。”這些模型根本不需要人工修正。
RWE的Martin Kramer同意他的看法。“這套系統(tǒng)非常棒。計劃生成之后,這個發(fā)電管理系統(tǒng)能夠自動控制整個過程,包括每座發(fā)電廠的運轉需求。”
隨著分布式發(fā)電廠和可再生能源發(fā)電提供的電力越來越多,電網和電力市場將受到越來越大的影響。為了應對這些挑戰(zhàn),西門子開發(fā)了DEMS系統(tǒng)。后臺的通信系統(tǒng)確保了控制中心與每座發(fā)電廠之間可靠的連接。在發(fā)電站,西門子通信設備通過無線通信調制解調器,將發(fā)電站連接至控制中心。這種方法的優(yōu)勢是,無需進行成本高昂的電纜布線或租用固網專線。
*的IT系統(tǒng)是虛擬發(fā)電廠的核心所在
這座虛擬發(fā)電廠的分布十分零散。其DEMS主機部署在位于科布倫次附近Plaidt的控制中心,運行站設在科隆,發(fā)電廠遍布于Sauerland地區(qū)。盡管構成如此復雜,目前尚未制定出適用于分布式發(fā)電廠通信的標準。Werner說:“統(tǒng)一的接口和協(xié)議仍然有待制定。”他指出,因此,每座虛擬發(fā)電廠都需要度身定制的解決方案。他補充道,“要大幅簡化虛擬發(fā)電廠的設計,我們需要開放的標準。”
盈利豐厚的備用電力。現有的適用于虛擬發(fā)電廠的業(yè)務模式已經顯露出誘人的盈利前景。例如,盡管用電量和發(fā)電量不斷波動,但電網公司必須始終維持電網平衡。這種情況下,虛擬發(fā)電廠的經營者可以出售備用電力,提供一定發(fā)電量已備急用。需要時,買家可以下單購買事先同意的電量。然后,虛擬發(fā)電廠將按合同的規(guī)定,在事先同意的時段內,啟動或關閉發(fā)電機組,以使電網頻率穩(wěn)定在50赫茲或60赫茲。
杜伊斯堡—埃森大學的Christoph Weber教授預計,通過向虛擬發(fā)電廠購買備用電力,電力貿易商可以節(jié)省向電網運營商支付的“補償電力”費用,從而使收入增加數十萬歐元。當向電網輸送的電力超出或未達到運行計劃中規(guī)定的發(fā)電量時,就要支付“補償電力”費用。為了避免出現這種情況,發(fā)電企業(yè)需要盡可能嚴格地遵守事先同意的運行計劃,而這正是像DEMS這樣的發(fā)電管理系統(tǒng)的用途。除增加發(fā)電量之外,一種值得關注的替代方案是,中央控制站暫時關閉諸如煉鋁廠等用電大戶。另一個可行的替代方案是,在位于萊比錫的歐洲能源交易所(EEX)出售電力,但前提條件是,生產每千度電的成本低于當前的交易價格。
虛擬發(fā)電廠還有許多其他用途,正如德國魯爾區(qū)的市政發(fā)電廠所展示的那樣。擴建配電網絡以向新的住宅區(qū)提供電力,需要高昂的固定設備投資。因此,當地政府決定不敷設新的配電線路,而是通過安裝大量的分布式燃氣發(fā)電裝置和微型總裝式廢熱發(fā)電裝置,并將之聯(lián)網,形成一座可以提供電力和暖氣的虛擬發(fā)電廠,來滿足這個住宅區(qū)的用電需求。這樣,就可以推遲幾年再進行耗資巨大的投資。一些不那么起眼的組件,也能構成虛擬發(fā)電廠,例如,通過將醫(yī)院和工廠的應急發(fā)電機,與電話和互聯(lián)網通信中心常見的蓄電池連接起來。
虛擬發(fā)電廠還能帶來宏觀經濟利益。Werner指出,“發(fā)電站網絡的益處絕不僅僅限于其當前的用途。”例如,按當前的消耗速度,全球的銅礦儲量將在32年內被消耗殆盡。如果像印度和中國這樣的國家的用銅量和工業(yè)化國家一樣多,那么,這種稀有金屬很快就會出現短缺,價格也將急劇上漲。
但是,如果新興工業(yè)化國家依靠智能電網和虛擬發(fā)電廠等擴建其電力基礎設施,采用分布式系統(tǒng),在需要耗用電力的地方就近發(fā)電,那么,就能減少建設用于輸送電力的線路,從而使有限的銅儲量可以維持更長時間。