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Nanogrids和未来电网储能

Sercan Teleke, Lucas Oehlerking, Mon Hong

摘要：对电网的渗透能力加强的分布式可再生能源使得开发独立的微型电网等较小的电力系统成为可能。本文主要关注微型电网的基本构建块——nanogrid。本文首先描述了nanogrid的概念，其关键部件和nanogrid的用途。然后会介绍nanogrid对潜在市场的好处。最后将会举出nanogrid的两个开发的典型实例并且说明如何从nanogrid储能组件中获得潜在价值流。

关键词：能源存储、微型电网、nanogrid、可再生能源

一.介绍

分布式可再生能源获得普及，是由于用化石燃料进行生产的传统方法会产生环境问题，另外电力行业管制宽松以及电力电子技术和可再生能源研究的进步也是重要原因。可再生能源可以直接连接到电网的并网逆变器，或者也可以结合局部负载形成一个独立的电力系统[1]，[2]。

Nanogrid是一个可以使用可再生和不可再生能源向当地的小负载供电的小型电力系统。Nanogrid的总负载通常少于20千瓦，适用于小农村社区或一个工业区。发电机的供电主要由这样的清洁能源燃料电池、太阳能和风力涡轮机提供[1]。Nanogrid使用一些电力电子转换器(直流/交流或直流/ 直流)来连接发电机和负荷并且链接nanogrid到电力系统(公用电网)。Nanogrid被认为是微型智能电网中的建筑细胞[3]。每个nanogrid系统都应该保证稳定高效并且有一定容错能力。

因为对nanogrid的研究是一个相当新的领域，所以很多研究人员不赞成使用nanogrid组件发电和储能。参考文献[1]、[3]、[4]和[5]介绍了nanogrid系统中的重要组成部分，而参考文献[6]、[7]和[8]没有写到nanogrid的产生，着重描述nanogrid的储能部分。

当今研究人员还有兴趣发展在建筑领域基于直流的nanogrid系统而不是传统的交流电体系结构。与传统的50/60 Hz架构相比，直流nanogrid带来很多优势，比如开始用更少的电力电子转换器，整体系统效率更高，使用更容易接口直流系统的可再生能源等。另外没有频率稳定度和无功功率问题也没有集肤效应和交流损失。此外，消费电子产品、电子镇流器、LED照明、变速马达驱动器使用直流会更方便[5]。虽然有很多好处，但是直流系统仍处于早期发展阶段，需要直流电压的标准化水平，需要发展先进的电力电子转换器和可用的直流接口智能电器。因此本文不会对直流系统做出评估。

本文认为发电和储能是nanogrid系统的关键组成部分。Nanogrid系统的细节将在下一节中给出描述。第三节将展示nanogrid的潜在市场。本文的第四节介绍了nanogrid的益处，另外计算着眼于储能方面nanogrid的潜在价值流。结论在第五节给出。

1. Nanogrid预想系统

本文nanogrid系统假定由太阳能光伏系统的能源提供储能、nanogrid控制器和住宅或商业负荷。预想nanogrid系统如图1所示。

输电网

太阳能光伏

转换器

储能

双向变换器

智能电表

转换器

转换器

转换器

负荷

负荷

负荷

Nanogrid 控制器

表1.nanogrid系统展望图

Nanogrid的关键部件是nanogrid控制器和电力电子转换器。Nanogrid使用了一些电力电子转换器(直流/交流和直流/直流)把一个或多个电源和负载连接。这是不同于以往典型的产品，nanogrid采用双向功率流，可以积极控制负载并且通过使用这些转换器进行生成。

Nanogrid控制器与转换器、负载和电网都有联系。它采用先进的电子技术，能够平衡负载，必要时执行卸载，协调能量网格之间的交换。控制器有可以从输电网或者从家里的转换器和智能电器作为数据采集单位收集和记录功率流数据的功能[4]。今天，像nanogrid控制器这样的设备已经具有功能监测和记录能源功能，某些时候也能编程控制温控器、灯光和其他小家电的打开或关闭[9]，[10]。这些通常被称为“智能家居”。可以与电网运营商联系或接收价格信号的更为先进的控制器目前仍处于开发阶段[11]。

转换器的光伏系统通常由两级变换器组成，其中第一级作为一个单向直流/ 直流升压(提高)转换器，第二级作为一个单向直流/交流变换器(逆变器)。单级光伏逆变器的应用也很普遍。

居住建筑的负荷包括使用电子产品产生的负荷，如洗衣机、烘干机等家电还有电脑、电视、手机等电子产品。这些负载利用各种电力电子转换器(交流/直流、直流/直流、直流/交流)的储能组件。

Nanogrid可以利用广泛使用的铅酸或锂离子电池作为储能元件。转换器可以单级双向直流/交流变换器;或者两级双向直流/直流变换器，双向直流/交流变换器与交流nanogrid连接。储能组件提供了许多好处都包含在以下部分。

三.Nanogrid潜在市场

Nanogrid有几个优势，如能在孤岛模式和电网故障下运行，提高电能质量和可靠性，降低电力成本通过提供回电网，降低石油依赖，减少分配的损失等。nanogrid的这些好处可以在电网较弱的农村地区创建一个潜在市场[1]。此外，例如加油站、药店、食品供应商店等这些一旦受到自然灾害就会供电中断的地方，有了nanogrid系统就保证恢复供电[13]。

Nanogrid的另一个市场是对发展中国家电力有限电力接入。与传统电力系统安装(即大规模发电，输电和配电系统)[8]相比，nanogrid有着更低的资本成本。

四Nanogrid的利润和价值流

为了实现nanogrid潜在成本和利益的评估，本文将用两个相关的用例提供参考。由此分析，假定所有场景都有一个指定大小的安装光伏系统，重点是通过许多住宅光伏制造商的网址把光伏系统能量储存的好处计算出来。在设计配置系统来提供一定数量的电力中断期间，有很多系统所提供的附加价值流工作在正常操作模式。

A用例

用例关注选择储能大小能提供两到三个小时的备用电源，覆盖时间大部分发生在一年之内（由于自然灾害如风暴等原因可能发生长时间停机故障不在考虑范围内）[14]。本研究中的两种情况如下:

案例1住宅:这个场景覆盖住宅终端用户用电高峰时段通常有大约8到10千瓦的用电量，在非高峰时间1到2千瓦的用电量。

案例2零售加油站:这个场景中加油站除去20%在中断和为加油站提供电力和刷信用卡的负荷，一般有30 kW峰值功率的使用。

每个场景的细节如表所示。

表1.场景细节

B组件和成本

如图1所示，nanogrid的关键部分包括nanogrid控制器、光伏发电、能量存储、智能电表和智能电器(如可编程负载)。假设光伏发电，智能电表(智能电表通常由那些想要实现可再生能源发电和想提高时间使用率的用户所提供)，智能家电已经应用于住宅和小型商业设施；附加组件是一个家庭/设施 nanogrid控制器和能量储存单元。在这些场景中不需要额外的转换器，因为目前光伏逆变器有所需的所有功能函数，如执行坐落操作以及提供无功支持。这些特性只需要一个固件进行改变，而硬件就难以完成。

额外组件的估算成本如表2所示。

表二.Nanogrid的关键组件的成本

根据表二中提供的价值，nanogrid系统的总成本如表3所示

表3.Nanogrid系统成本的细节

C .好处

将当代家庭/小型商业设施和nanogrid光伏发电结合，以下价值流可以获得:

bull;电力服务可靠性:nanogrid可以提供高度可靠的电力服务，减少中断。这个好处是为了防止当光伏发电很低或不存在时中断使用能源存储的价值的情况。

bull;电能质量：nanogrid中的储能部分可以防止因为出现提供负载时间过短的情况（例如电压闪烁）而影响电能质量传送到负载。

bull;使用时间管理:电价较低时可以充电储能，电价很高时可以放电提供负载。

bull;频率调节:当nanogrid中负载较低的时候，能量储存可以提供频率调节用以服务电网。

bull;电压支持:光伏逆变器和能源存储转换器可以提供无功功率对电压进行支持，并且可以响应电网电压的控制信号。

bull;可再生能源时间转变:电价很高时可以从光伏储能可以控能量和放电（主要是在日落时间当负载增加但太阳能正在减弱的时候）。

bull;光伏产能紧肤:nanogrid中的能量储存可以增加信贷光伏发电的能力。

bull;减少输电和配电(Tamp;D)损失:拥有发电和在线储能能力会降低输电和配电损耗。

bull;降低发电化石燃料的使用：nanogrid使用可再生能源，并且能够能量存储，这将减少对化石燃料发电的依赖。

为了充分获利上述这些好处，需要开发更先进的控制器并且要求公用事业法规和费率结构等发生重大变化。该住宅/商业用户能够进入并且可以实现实时能量补偿和辅助服务定价。下面表4总结了可以在两种不同的方案来实现的好处:当前的技术和先进的技术。

表4.适用的价值流

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