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A girl in her living room with a wall-mounted energy monitor, overlooking an EV charging station and solar panels outside.
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      Headshot of Nitin Sharma
      Nitin Sharma,

      可持续能源总经理

      ADI公司

      Headshot of David Ryan
      David Ryan,

      可再生能源总监

      ADI公司

      作者详情
      Nitin Sharma
      Nitin Sharma是一位在半导体行业深耕25年的技术高管,拥有十分丰富的经验。Nitin热衷于发现新兴市场趋势,通过创造创新技术来满足市场需求,并对地球产生积极影响。他目前担任ADI公司可持续能源事业部总经理,负责为日新月异的能源市场制定技术和市场增长策略。他的工作涵盖全球能源生态系统,包括发电、电网自动化、电能计量和管理、电动汽车基础设施和电源转换。Nitin曾在多家重要的半导体和电信公司担任多个工程、产品开发、营销和管理方面的职位。Nitin拥有约翰斯·霍普金斯大学电气工程硕士学位和波士顿大学高级工商管理硕士学位。
      David Ryan
      David Ryan是ADI公司可再生能源事业部总监,负责推动开发技术解决方案,通过电气化加速脱碳进程。David在半导体行业深耕20余年,积累了丰富的经验,曾为包括WiMAX和雷达系统在内的广泛应用开发新型射频芯片组。过去10年来,David一直致力于芯片和宽禁带半导体的交叉研究,先是推动GaN在蜂窝基站中的商业化,目前专注于研究电网应用的能源转换。David拥有IE商学院(西班牙)工商管理硕士学位、瓦尔登大学(美国)通信和集成电路硕士学位,以及科克大学(爱尔兰)工学学士学位。
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      管理、转换和存储:向分布式电网转型(可持续发展系列#4)

      本文为系列文章的第四篇。此系列文章旨在阐明创新技术平台和软件解决方案如何支持清洁科技,并邀请其他各方就能源和可持续发展的未来展开对话。点击此处查看第三篇文章“通过提升电机效率减少工业排放”。

      未来的几十年,随着全球人口持续上升以及各国的发展和经济增长,预计能源需求将会更加旺盛。在这一转型过程中,为满足日益增长的需求,同时解决气候问题,加快清洁可再生能源的供应至关重要,因为能源获取影响着全球经济以及所有人的福祉和安全。只有通过高效的能源管理、转换和存储,我们才能充分利用每一缕阳光或每一阵风,从而可靠地管理电网,推动经济增长,并帮助确保地球的健康。

      管理、转换和存储是支撑现代电网必然演进趋势的基础,而电气化则基于现代电网来实现。打个比方,如果从金钱的角度来思考。人们需要对其进行管理:检查、跟踪和预测当前及未来的余额;进行转换:旅行时,通过电子外汇,从瑞士法郎兑换成日元,再兑换成美元;以及存储:存入储蓄银行,供日后收入下降、资金短缺或出现新需求时使用。与金钱一样,管理、转换和存储的概念提供了可跟踪性、灵活性和安全性。

      集中式电网

      Illustration depicting a coal-fired power station supplying energy to substations and cities.

      100多年前1,电网发展为中心辐射模式。2在这种模式下,电力由大型集中式发电厂(通常使用化石燃料)的一些实体产生和控制。然后,电力通过输电线路远距离输送到配电网络。在该架构中,能源向一个方向流动——从发电站到变电站和输电线,最后输送至最终用户。该模式可实现一定的规模经济效益,但也面临不少挑战,例如效率不高,易受干扰,并且整合可再生能源的能力有限。

      分布式电网

      Illustration showing bidirectional energy flow between macrogrid and microgrids.

      我们已从集中式发电站转变为分布式可再生能源。3这是一个深度互连的网络,其特点是向配电网供电的发电机规模较小且分布广泛。分布式结构实现了双向电力流动,其中,最终消费者成为产消者*,并将多余电力送回电网,因此有必要发展新能源市场。如果处理得当,分布式结构可提高能源弹性4 ,并减少传输损耗。5这需要投资基础设施,并在小型发电机之间协调。

      由于分布式可再生能源日益普及,电能的高效管理、转换和存储对于电网的成功运营和实现社会的可持续电气化发挥着更加重要的作用。


      Icon of energy meter monitoring power sources and generating a report.

      管理

      准确测量、监控和管理电网资产、电气化基础设施和能源流动。

      Icon of a house with solar panels, EV car, and a wind turbine.

      转换

      在能源发电、存储、分配和利用过程中,从交流电高效地转换为直流电,以及高效地电压变换。

      Icon depicting a battery storage facility with cutaway view revealing internal battery cells.

      存储

      通过分布式储能系统(ESS)实现可靠、安全的能源存储、运输和供应,随时随地提供电力。

      管理

      “要增强电网智能、弹性和安全性,离不开能源管理。”

      Dermot O'Keeffe,
      ADI智能电网解决方案产品线总监

      高效的电力管理确保优化分配和利用电力资源。通过采用智能电网技术,电力公司可实时监测和控制电流,从而减少浪费6 和停电7,同时有助于为工业流程、商业运营和日常生活提供更可靠的电力供应。实时数据以及从该数据中获得的可行见解对于开发新系统和服务、培养能源市场至关重要。随着能源、需求模式和新兴技术越来越复杂并且不断整合,高效管理至关重要。正确的电网管理能够优化电力分配,最大限度减少传输损耗并确保电力以经济高效的方式输送给最终用户。

      转换

      “当电力流过电网时,从发电到输电,到储电,再到其目的地,比如电动汽车电机驱动器,电力多次从交流转换为直流、从直流转换为交流,并从直流转换为直流。”

      Vitaly Goltsberg,
      ADI能源转换解决方案产品线总监

      太阳能板和风轮机等可再生能源产生直流电。因此,要促进可再生能源高效并入电网,将直流转换为交流(然后再转换回来)以及在直流电压之间进行转换的高效能源转换技术至关重要。随着越来越多的此类转换系统(称为逆变器)投入使用,我们有机会开发更智能、对电网状态的响应更灵敏的控制器。

      各国的能源目标差异很大,美国设定的目标是,到2030年,80%的电力来自可再生能源8,由太阳能和风能等异步或基于逆变器的能源产生。针对基于逆变器的无缝资源采用混合动力系统,目前还没有成熟经验。9ADI公司汽车电气化和能源营销总监David Ryan表示:“这让我们感受到我们所面临的不确定性和挑战。在这种情况下,我们必须依靠经验和技术专业知识来解决挑战,并制定可行的解决方案。”

      存储

      “要向基于可再生能源的分布式电网转变,存储技术需要实现巨大飞跃。”

      Connor Power,
      ADI储能解决方案产品线总监

      储能是未来电气化格局的基石。借助电池和其他存储技术,能够做到在低需求时段捕获和存储多余电力,以备在高需求时段释放。

      储能系统可避免电网过载和崩溃的风险,从而节省数十亿美元。此外,通过提供电池——相当于燃料的储气罐或煤炭的储存仓库——ESS可以轻松从容地应对需求突变。分布式发电站可将储存的多余电力送回电网,从而实现新的能源交易商业模式。

      电池管理系统(BMS)是ESS的基础,为充分确保电池的健康状况、延长寿命并实现电池的再利用和回收,了解电池的充电情况和完整生命周期至关重要。BMS可精确测量和监控单个电池单元,提供有关电压和电流的信息,从而提高系统的容量、能源利用率和生命周期价值。

      电网对高级能源管理、转换和存储解决方案的需求不断增长

      Earth divided between day and night, with cities lit by artificial lights.

      美国国家可再生能源实验室表示,“当今商业化技术所实现的可再生能源发电,再加上更灵活的电力系统,足以满足2050年美国总发电量的80%(而不是现在的20%)。”10届时,电子(电力)将需要先进的方法和技术,以便在管理、转换和存储时实现更高的精度和可靠性。下面是主要示例。


      监控对于深入了解用电量模式和电网性能至关重要。通过持续监控用电量(和发电量),电力公司可帮助识别高峰需求时段,检测低效率,并制定数据驱动型决策,以帮助优化电网运营并减少停电的可能性。11

      智能计量通过提供实时数据并允许在个人消费者层面做出关于用电的决策,将监控提升至全新的水平。智能计量有助于实现动态定价模型,鼓励消费者将用电时间转移到便宜的非高峰时段。通过精确监控流入和流出电网的电力,可确保准确计费。12

      因此,可以培养新市场,有助于实现可再生能源的顺利整合。13这些市场成功的关键在于能源流动的实时透明度、准确测量和跟踪——如果无法测量,就无法交易。

      需求侧管理策略使用分时定价、智能家电、电动汽车充电和其他节能技术来管理和帮助减少用电量。14

      智能电网技术将先进的传感、通信和控制系统集成在一起,以便监控实时电网性能。该技术可实现高效的负载均衡、需求响应计划和故障检测,从而尽可能减少能源浪费并提高电网可靠性。

      通过分布式电网各个组件之间的互连和通信,分布式能源资源(DER)、储能系统和需求响应机制能够协调工作,这有助于提高电网弹性、节省成本并提升能源效率。15–18

      微电网是新兴分布式电网模式的一部分。这些小规模清洁能源系统旨在发电、储电和向特定区域或社区分配电力,它们可以独立运行或联合运行以向主电网供电。

      对合作伙伴关系和透明度的需求

      清洁能源行业需要各级合作,以减少效率低下的情况,同时增加数据收集点和数据收集频率。首先实现整个电网基础设施的透明度——从宏观网络层面,到覆盖网络的微节点,以及供应、需求和储能路线中的实时能源流动。

      透明度激活数据,数据赋予洞察力。通过调整管理、转换和存储技术,围绕电网中各节点构建信息生态系统对我们的能源未来至关重要。

      加速转型

      Farmer overseeing expansive solar panels, with an electric tractor, charger, and a solar-equipped house in the background.

      许多几十年前设计的输配电系统已不再适合如今的分布式可再生能源。要想实现灵活的能源分配,优化可再生能源并加速脱碳,利用智能电网技术对电网进行升级和现代化改造至关重要。这些技术还有助于提高运营效率,改善客户服务并快速准确地检测故障。19智能边缘资产也必不可少,这些资产能够自我优化,更加自立,支持实时决策,旨在充分提高效率,减少电网故障/崩溃,并在所有点提供能源流动的透明度。

      管理、转换和存储技术可提高能源效率,优化能源利用率,实现可再生能源的无缝整合,并增强分布式电网的整体稳定性与可靠性。通过采用这些技术和进展,我们可以加速向可持续未来转变,提高能源安全性,实现更清洁、更健康的世界。

      参考文献

      *产消者:技术突破和用户参与度的提高模糊了生产和消费活动之间的界限,消费者成为产消者。
      James McBride和Anshu Siripurapu。“美国电网如何工作?”美国外交关系协会,2022年7月。
      Ward Pincus。“去集中化的多种形式。”MAN Energy Solutions。
      Sara Stefanini。“用分布式能源系统取代集中式电力需要新的政策和协调。”Energy Post,2022年1月。
      Arnaud de Giovann和Ben Warren。“分布式能源能否变得足够好、足够快?”Ernst & Young,2022年11月。
      “分布式能源系统在风能政策中的潜力。”Energy5,2023年9月。
      Marcin Frąckiewicz。“智能电网在能源效率和节能方面的作用。”TS2 Space,2023年4月。
      “智能电表可缩短停电和恢复时间。”NEMA。
      H. J. Mai。“能源专家分享美国如何实现拜登的可再生能源目标。”美国国家公共广播电台,2023年2月。
      “构成电网的逆变器控制。”美国国家可再生能源实验室。
      10 “关于可再生能源发电的未来的研究。”美国国家可再生能源实验室。
      11 “探索智能电网中实时能源监控的好处。”Energy5,2023年10月。
      12 Matthew E. Kahn和Bhaskar Krishnamachari。“智能电表和动态定价可帮助消费者在低价时段用电,从而节省资金并减轻污染。”南加州大学多恩西夫分校,2022年10月。
      13 Janet Richardson。“智能电表为何对实现可再生能源中心的净零目标很重要。”可再生能源中心,2023年7月。
      14 “需求侧管理及其在电力市场中的应用。”NRG Energy,2023年6月。
      15 “分布式能源资源。”美国能效经济委员会。
      16 Lai, Chun Sing;Locatelli, Giorgio;Pimm, Andrew;Wu, Xiaomei;Lai, Loi Lei。“回顾具有储能的长期电力系统建模。”Journal of Cleaner Production,2020年9月。
      17 Pooja Shah。“电网遭遇考验:储能如何成为可靠电网的关键。”Det Norske Veritas集团(DNV)。
      18 “需求响应。”国际能源署(IEA)。
      19 “电信基础设施在智能电网中的作用。”Utilities One。2023年8月。