管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)：向分布式電網(wǎng)轉(zhuǎn)型

未來的幾十年，隨著全球人口持續(xù)上升以及各國的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長，預(yù)計(jì)能源需求將會(huì)更加旺盛。在這一轉(zhuǎn)型過程中，為滿足日益增長的需求，同時(shí)解決氣候問題，加快清潔可再生能源的供應(yīng)至關(guān)重要，因?yàn)槟茉传@取影響著全球經(jīng)濟(jì)以及所有人的福祉和安全。只有通過高效的能源管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，我們才能充分利用每一縷陽光或每一陣風(fēng)，從而可靠地管理電網(wǎng)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長，并幫助確保地球的健康。

管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)是支撐現(xiàn)代電網(wǎng)必然演進(jìn)趨勢的基礎(chǔ)，而電氣化則基于現(xiàn)代電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。打個(gè)比方，如果從金錢的角度來思考。人們需要對(duì)其進(jìn)行管理：檢查、跟蹤和預(yù)測當(dāng)前及未來的余額；進(jìn)行轉(zhuǎn)換：旅行時(shí)，通過電子外匯，從瑞士法郎兌換成日元，再兌換成美元；以及存儲(chǔ)：存入儲(chǔ)蓄銀行，供日后收入下降、資金短缺或出現(xiàn)新需求時(shí)使用。與金錢一樣，管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的概念提供了可跟蹤性、靈活性和安全性。

集中式電網(wǎng)

100多年前¹，電網(wǎng)發(fā)展為中心輻射模式。²在這種模式下，電力由大型集中式發(fā)電廠（通常使用化石燃料）的一些實(shí)體產(chǎn)生和控制。然后，電力通過輸電線路遠(yuǎn)距離輸送到配電網(wǎng)絡(luò)。在該架構(gòu)中，能源向一個(gè)方向流動(dòng)——從發(fā)電站到變電站和輸電線，最后輸送至最終用戶。該模式可實(shí)現(xiàn)一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，但也面臨不少挑戰(zhàn)，例如效率不高，易受干擾，并且整合可再生能源的能力有限。

分布式電網(wǎng)

我們已從集中式發(fā)電站轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇稍偕茉础?sup>3這是一個(gè)深度互連的網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是向配電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)規(guī)模較小且分布廣泛。分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙向電力流動(dòng)，其中，最終消費(fèi)者成為產(chǎn)消者*，并將多余電力送回電網(wǎng)，因此有必要發(fā)展新能源市場。如果處理得當(dāng)，分布式結(jié)構(gòu)可提高能源彈性⁴ ，并減少傳輸損耗。⁵這需要投資基礎(chǔ)設(shè)施，并在小型發(fā)電機(jī)之間協(xié)調(diào)。

由于分布式可再生能源日益普及，電能的高效管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)對(duì)于電網(wǎng)的成功運(yùn)營和實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)電氣化發(fā)揮著更加重要的作用。

管理

準(zhǔn)確測量、監(jiān)控和管理電網(wǎng)資產(chǎn)、電氣化基礎(chǔ)設(shè)施和能源流動(dòng)。

轉(zhuǎn)換

在能源發(fā)電、存儲(chǔ)、分配和利用過程中，從交流電高效地轉(zhuǎn)換為直流電，以及高效地電壓變換。

存儲(chǔ)

通過分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)實(shí)現(xiàn)可靠、安全的能源存儲(chǔ)、運(yùn)輸和供應(yīng)，隨時(shí)隨地提供電力。

管理

“要增強(qiáng)電網(wǎng)智能、彈性和安全性，離不開能源管理?！薄狣ermot O'Keeffe，ADI智能電網(wǎng)解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

高效的電力管理確保優(yōu)化分配和利用電力資源。通過采用智能電網(wǎng)技術(shù)，電力公司可實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制電流，從而減少浪費(fèi)⁶ 和停電⁷，同時(shí)有助于為工業(yè)流程、商業(yè)運(yùn)營和日常生活提供更可靠的電力供應(yīng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及從該數(shù)據(jù)中獲得的可行見解對(duì)于開發(fā)新系統(tǒng)和服務(wù)、培養(yǎng)能源市場至關(guān)重要。隨著能源、需求模式和新興技術(shù)越來越復(fù)雜并且不斷整合，高效管理至關(guān)重要。正確的電網(wǎng)管理能夠優(yōu)化電力分配，最大限度減少傳輸損耗并確保電力以經(jīng)濟(jì)高效的方式輸送給最終用戶。

轉(zhuǎn)換

“當(dāng)電力流過電網(wǎng)時(shí)，從發(fā)電到輸電，到儲(chǔ)電，再到其目的地，比如電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電力多次從交流轉(zhuǎn)換為直流、從直流轉(zhuǎn)換為交流，并從直流轉(zhuǎn)換為直流?！薄猇italy Goltsberg，ADI能源轉(zhuǎn)換解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

太陽能板和風(fēng)輪機(jī)等可再生能源產(chǎn)生直流電。因此，要促進(jìn)可再生能源高效并入電網(wǎng)，將直流轉(zhuǎn)換為交流（然后再轉(zhuǎn)換回來）以及在直流電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)至關(guān)重要。隨著越來越多的此類轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（稱為逆變器）投入使用，我們有機(jī)會(huì)開發(fā)更智能、對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的響應(yīng)更靈敏的控制器。

各國的能源目標(biāo)差異很大，美國設(shè)定的目標(biāo)是，到2030年，80%的電力來自可再生能源⁸，由太陽能和風(fēng)能等異步或基于逆變器的能源產(chǎn)生。針對(duì)基于逆變器的無縫資源采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，目前還沒有成熟經(jīng)驗(yàn)。⁹ADI公司汽車電氣化和能源營銷總監(jiān)David Ryan表示：“這讓我們感受到我們所面臨的不確定性和挑戰(zhàn)。在這種情況下，我們必須依靠經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)專業(yè)知識(shí)來解決挑戰(zhàn)，并制定可行的解決方案。”

存儲(chǔ)

“要向基于可再生能源的分布式電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，存儲(chǔ)技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)巨大飛躍?！薄狢onnor Power，ADI儲(chǔ)能解決方案產(chǎn)品線總監(jiān)。

儲(chǔ)能是未來電氣化格局的基石。借助電池和其他存儲(chǔ)技術(shù)，能夠做到在低需求時(shí)段捕獲和存儲(chǔ)多余電力，以備在高需求時(shí)段釋放。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可避免電網(wǎng)過載和崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，從而節(jié)省數(shù)十億美元。此外，通過提供電池——相當(dāng)于燃料的儲(chǔ)氣罐或煤炭的儲(chǔ)存?zhèn)}庫——ESS可以輕松從容地應(yīng)對(duì)需求突變。分布式發(fā)電站可將儲(chǔ)存的多余電力送回電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)新的能源交易商業(yè)模式。

電池管理系統(tǒng)(BMS)是ESS的基礎(chǔ)，為充分確保電池的健康狀況、延長壽命并實(shí)現(xiàn)電池的再利用和回收，了解電池的充電情況和完整生命周期至關(guān)重要。BMS可精確測量和監(jiān)控單個(gè)電池單元，提供有關(guān)電壓和電流的信息，從而提高系統(tǒng)的容量、能源利用率和生命周期價(jià)值。

電網(wǎng)對(duì)高級(jí)能源管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)解決方案的需求不斷增長

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室表示，“當(dāng)今商業(yè)化技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的可再生能源發(fā)電，再加上更靈活的電力系統(tǒng)，足以滿足2050年美國總發(fā)電量的80%（而不是現(xiàn)在的20%）?！?0屆時(shí)，電子（電力）將需要先進(jìn)的方法和技術(shù)，以便在管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的精度和可靠性。下面是主要示例。

監(jiān)控對(duì)于深入了解用電量模式和電網(wǎng)性能至關(guān)重要。通過持續(xù)監(jiān)控用電量（和發(fā)電量），電力公司可幫助識(shí)別高峰需求時(shí)段，檢測低效率，并制定數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型決策，以幫助優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)營并減少停電的可能性。¹¹

智能計(jì)量通過提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并允許在個(gè)人消費(fèi)者層面做出關(guān)于用電的決策，將監(jiān)控提升至全新的水平。智能計(jì)量有助于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定價(jià)模型，鼓勵(lì)消費(fèi)者將用電時(shí)間轉(zhuǎn)移到便宜的非高峰時(shí)段。通過精確監(jiān)控流入和流出電網(wǎng)的電力，可確保準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)。¹²

因此，可以培養(yǎng)新市場，有助于實(shí)現(xiàn)可再生能源的順利整合。¹³這些市場成功的關(guān)鍵在于能源流動(dòng)的實(shí)時(shí)透明度、準(zhǔn)確測量和跟蹤——如果無法測量，就無法交易。

需求側(cè)管理策略使用分時(shí)定價(jià)、智能家電、電動(dòng)汽車充電和其他節(jié)能技術(shù)來管理和幫助減少用電量。¹⁴

智能電網(wǎng)技術(shù)將先進(jìn)的傳感、通信和控制系統(tǒng)集成在一起，以便監(jiān)控實(shí)時(shí)電網(wǎng)性能。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效的負(fù)載均衡、需求響應(yīng)計(jì)劃和故障檢測，從而盡可能減少能源浪費(fèi)并提高電網(wǎng)可靠性。

通過分布式電網(wǎng)各個(gè)組件之間的互連和通信，分布式能源資源(DER)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和需求響應(yīng)機(jī)制能夠協(xié)調(diào)工作，這有助于提高電網(wǎng)彈性、節(jié)省成本并提升能源效率。^15–18

微電網(wǎng)是新興分布式電網(wǎng)模式的一部分。這些小規(guī)模清潔能源系統(tǒng)旨在發(fā)電、儲(chǔ)電和向特定區(qū)域或社區(qū)分配電力，它們可以獨(dú)立運(yùn)行或聯(lián)合運(yùn)行以向主電網(wǎng)供電。

對(duì)合作伙伴關(guān)系和透明度的需求

清潔能源行業(yè)需要各級(jí)合作，以減少效率低下的情況，同時(shí)增加數(shù)據(jù)收集點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集頻率。首先實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的透明度——從宏觀網(wǎng)絡(luò)層面，到覆蓋網(wǎng)絡(luò)的微節(jié)點(diǎn)，以及供應(yīng)、需求和儲(chǔ)能路線中的實(shí)時(shí)能源流動(dòng)。

透明度激活數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)賦予洞察力。通過調(diào)整管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，圍繞電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建信息生態(tài)系統(tǒng)對(duì)我們的能源未來至關(guān)重要。

加速轉(zhuǎn)型

許多幾十年前設(shè)計(jì)的輸配電系統(tǒng)已不再適合如今的分布式可再生能源。要想實(shí)現(xiàn)靈活的能源分配，優(yōu)化可再生能源并加速脫碳，利用智能電網(wǎng)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)和現(xiàn)代化改造至關(guān)重要。這些技術(shù)還有助于提高運(yùn)營效率，改善客戶服務(wù)并快速準(zhǔn)確地檢測故障。¹⁹智能邊緣資產(chǎn)也必不可少，這些資產(chǎn)能夠自我優(yōu)化，更加自立，支持實(shí)時(shí)決策，旨在充分提高效率，減少電網(wǎng)故障/崩潰，并在所有點(diǎn)提供能源流動(dòng)的透明度。

管理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)可提高能源效率，優(yōu)化能源利用率，實(shí)現(xiàn)可再生能源的無縫整合，并增強(qiáng)分布式電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性與可靠性。通過采用這些技術(shù)和進(jìn)展，我們可以加速向可持續(xù)未來轉(zhuǎn)變，提高能源安全性，實(shí)現(xiàn)更清潔、更健康的世界。

參考文獻(xiàn)

*產(chǎn)消者：技術(shù)突破和用戶參與度的提高模糊了生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)之間的界限，消費(fèi)者成為產(chǎn)消者。

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關(guān)于作者

Nitin Sharma是一位在半導(dǎo)體行業(yè)深耕25年的技術(shù)高管，擁有十分豐富的經(jīng)驗(yàn)。Nitin熱衷于發(fā)現(xiàn)新興市場趨勢，通過創(chuàng)造創(chuàng)新技術(shù)來滿足市場需求，并對(duì)地球產(chǎn)生積極影響。他目前擔(dān)任ADI公司可持續(xù)能源事業(yè)部總經(jīng)理，負(fù)責(zé)為日新月異的能源市場制定技術(shù)和市場增長策略。他的工作涵蓋全球能源生態(tài)系統(tǒng)，包括發(fā)電、電網(wǎng)自動(dòng)化、電能計(jì)量和管理、電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施和電源轉(zhuǎn)換。Nitin曾在多家重要的半導(dǎo)體和電信公司擔(dān)任多個(gè)工程、產(chǎn)品開發(fā)、營銷和管理方面的職位。Nitin擁有約翰斯·霍普金斯大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位和波士頓大學(xué)高級(jí)工商管理碩士學(xué)位。

David Ryan是ADI公司可再生能源事業(yè)部總監(jiān)，負(fù)責(zé)推動(dòng)開發(fā)技術(shù)解決方案，通過電氣化加速脫碳進(jìn)程。David在半導(dǎo)體行業(yè)深耕20余年，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，曾為包括WiMAX和雷達(dá)系統(tǒng)在內(nèi)的廣泛應(yīng)用開發(fā)新型射頻芯片組。過去10年來，David一直致力于芯片和寬禁帶半導(dǎo)體的交叉研究，先是推動(dòng)GaN在蜂窩基站中的商業(yè)化，目前專注于研究電網(wǎng)應(yīng)用的能源轉(zhuǎn)換。David擁有IE商學(xué)院（西班牙）工商管理碩士學(xué)位、瓦爾登大學(xué)（美國）通信和集成電路碩士學(xué)位，以及科克大學(xué)（愛爾蘭）工學(xué)學(xué)士學(xué)位。