智慧共享数字化电源在碳中和的路上异军突起

来源:碳中和专委会
时间:2022-03-07 10:06

  能源互联网是实现“双碳”目标的基石

  大时代需要大格局,大格局呼唤大胸怀。中国经济得到长足发展,人民生活水平大幅提高,中国将为满足人民对美好生活的向往进行长期艰苦的努力,推动人的全面发展、全体人民共同富裕取得更为明显的实质性进展,让发展成果更多更公平惠及全体人民。

  城市作为一个国家或地区经济发展的牵引力量,是人民生产生活的主要聚集地,是能源供应和消费的主体。随着我国经济发展和城镇化加速推进,城市能源系统是今后能源变革的主阵地。推动城市与能源协同发展,打造清洁低碳、安全高效的现代城市能源系统,更好地满足人民日益增长的美好生活需要,是新时代赋予能源行业的历史使命。

  能源互联网是能源产业发展,即能源的生产、传输、存储、消费及能源市场深度融合的新形态,具有设备智能、多能协同、信息对称、供需多元、交易开放等主要特征。它通过能量流、信息流、价值流的高度融合,实现能源产业全链条的协同优化和价值创造。

  实现碳达峰、碳中和,是一场关乎全体人民福祉,需要全民努力、上下同欲才能实现的重大经济社会变革,已经上升为国家重大发展战略,并已纳入国家生态文明建设的总体布局。“双碳”目标的确立,为城市能源的绿色供给、智慧利用,明确了新任务,赋予了新使命。能源互联网建设,根植并服务于现代化城市的低碳绿色发展与创新之中,机遇与挑战并存,探索与变革同行。

  “双碳”目标下,作为经济社会发展用能主体的城市,必然是能源领域深刻变革的“主战场”。现代化城市的能源互联网建设,将建立多元化能源供给架构,更多利用可再生能源,形成集中与分布并举、协同/安全/可靠的能源电力供应基础设施,实现多能互补、供需互济、节约高效的用能用电方式,构建起支撑整个城市低碳绿色发展的智慧化综合能源服务体系。

  “双碳”背景下,城市的低碳绿色建设与能源互联网发展密不可分。具体地,依托园区、建筑物外墙及屋顶大力度发展光伏、风力等新能源发电,并使其通畅、就地消纳利用;多维度、多应用场景落实电能替代;高比例使用电动汽车,并使其参与电网削峰填谷、移动储能、虚拟电厂等灵活能源资源的建设;发展余热回收和绿电利用技术,切实提高城市综合能源利用效率;打通多能互济互补全方位通道,用价格手段和成本分担机制,还能源以商品属性;探索能源消费商业运营、信息化管理机制体制创新,拓展城市智慧能源应用的收益面。

  智慧共享数字化电源在碳中和中的作用

  电是一种商品,看不见,摸不着,这种商品交易成本很高。新技术必须打通交易环节,大幅度降低用电交易成本,才能打开一个全新的电能服务产业。

  各种各样的能源体系,都要遵循一个大原则“用多少电,发多少电。就地生产能源,就近消费能源。”未来的能源体系在运行管理过程中,必须从空间维度、时间维度、经济维度统筹调度,实现能源利用率提高到极限值,能源浪费最小值,在云大物移智盛行的新时代,需要能量流、信息流、业务流的三流合一,利用好互联网、物联网、移动互联网、云平台大数据、人工智能这些新兴技术手段,把全社会的电能市场化业务管理水平,提升到一个全新的高度。

  微电网(Micro-Grid)也译为微网,是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、信息化管理监控和保护装置等组成的小规模发配电系统。光伏、风电是微电网的主力发电设备。

  微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用,解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。能源获取与利用,最终是满足人类社会美好生活条件改善的大需求,自然环境动态平衡,可持续发展,避免在利用能源过程中造成对人类、对地球不可逆的危害,比如,碳排放。

  不论是传统的大电网,或者是近些年提出的微电网,都是围绕着提升能源利用效率,保持电网稳定运行,满足社会生产生活方便安全用电,从社会管理和技术改进等社会实践,探索许许多多的路径,尤其是新技术发明创造的具体活动,一步一步改善用电与能源消耗的大环境。

  所谓“智慧共享数字化电源”,是一种利用市场化价格机制,通过信息流引流与控制,引导电能消费者就近使用,方便有效引导能源流(电能)走向社会能量需求末梢,走向最佳能量消费需求点的物理终端。智慧共享数字化电源的设计,是从云大物移智技术整合的路径,为电网和微电网,提供一种全新的技术解决思路。配合商业规律与消费习惯,形成一整套全新的能源管理运行生态圈,打造全新的用电精细化管理商业模式,经济效益显著。

  泛在电力物联网概念的提出,从理论上解决了电力市场化核心要素问题。三型两网提出的三流合一,能量流、数据流、业务流,协同管理,统一调度,都是为了电力发展走向数字化、精细化、市场化、无人化运营的思路,顺应了电力行业的科学发展规律。经过几年实践总结,智慧共享数字化电源是实现三流合一的最佳工具,新的方法开启全新的商业发展模式。

  智慧共享数字化电源内部包含有计量模块,动态采集并及时向云端通报能量安全运行中的关键数据,包括负载端电压、电流、电量、功率、温度,这些数据经过终端内部的通信模块,通过公共互联网(并非电力专网)传递到云端,形成精细化能量流负载状态大数据。以精细化采集到的能量流大数据为原始依据,结合分布式用电场景各种各样的、千变万化的用电需求,通过数据分析与应用科学归纳,制定多种多样的零售电服务价格,每个终端的服务价格完全由市场调节,定价权归具体场景中安装终端的资产拥有人决定,形成一种能够完全自愈自控的价格动态调整机制,再通过移动互联网传递到用户手机端,供消费者选择,形成一整套完整的用电业务管理新模式或者说新业态。

  早期电力行业最终消费电力的用户,采用电表管理的模式,效率低、场景少、无法精细化管理。随着社会发展与各行各业的进步,用电管理精细化需求已经提升到国家能源局的管理层面。目前突出表现是电动汽车充电难题,居民小区电动自行车安全充电难题,本质上都是电力(能量)市场化不足,电力过度集中管控无法实现电力(能量)精细化服务造成的难题。

  碳中和促使新型电力系统架构的新格局落地,保障新能源与清洁能源就近消纳,微电网与大电网能源流动从单一流向发展成双向互动的能源流、信息流、价值流,达到总体节能大目标,碳中和!

  家里有电,户外没电,怎么办?

  智慧共享数字化电源的出现,能够辅助解决微电网的荷(负载)、储(能量时间轴平移)的问题,对大电网也有明显效果。通过一些具体运营采集到的数据分析,设立户外用电安全示范,建立试验田,积累经验,给国家能源局管理决策机构提供原始大数据依据,为实现清洁能源为主体的新能源架构,加速双碳达标。

  目前,中国电动自行车保有量达到3亿辆,每辆具备0.5至1千瓦时(度)电池储能单元,按照平均值估算,电动自行车总量已经具备2亿千瓦时(度)的储能总量,在缺少智慧共享数字化电源新工具的情况下,无法利用这部分资源辅助电网去消纳后半夜的垃圾电能。若借助智慧共享数字化电源的“有序充电”功能,不降低用户充电过程方便性,在保证充电安全性的前提下,通过云大物移智新技术手段,把全国2亿度电池储能潜力发挥出来,让智慧共享数字化电源进行管理,有效消纳后半夜的垃圾电,能够带来巨大的经济收益,降低国家电网的储能投入。国内电动自行车的电池储能总量,是2亿度电,每天平均消纳1亿度电,一年总量是365亿度电,这仅仅是利用了电动自行车电池的潜在储能效果。

  如果把电动汽车里面的电池储电潜力挖掘出来,效果会更加明显。

  按照国内目前拥有电动汽车总量678万辆计算,车内电池总容量按平均值50千瓦时统计,车主不可能把电池电量全部用完再去充电,所以按照每辆电动汽车常规对电池充电每次30千瓦时计算,采用30安规格的智慧共享数字化电源来充电,与微电网互动,获得6.6千瓦的储能调节能力。

  678万辆电动汽车最大等效于203400兆瓦时(44748兆瓦)的分布式储能电站。利用新技术和新方法,将这些“储能”资源进行统一管理,让这个巨大的分散型负载参与有序充电,实现在后半夜谷时段去充电,能够有效减少白天用电高峰期的用电负荷量。

  未来将燃油车3亿辆替换为电动汽车,这种储能资源参与电网有序充电,消纳电网的谷电,不仅对微电网效果明显,对大电网也会带来十分明显的经济效果。

  电动汽车充电,只有接入电网的电源后,才能够对电网的系统负荷起到调节作用。“电池充电活动”是一种可中断负荷,充电过程中出现切断负荷事件,不会对电池带来损害,没有任何安全隐患与副作用,仅仅是延缓充电的过程,用户没有任何不适的感受。采用智慧共享数字化电源,成本低,安装施工简单,容易普及。智慧共享数字化电源新技术能够实现随时随地,无处不在,是经济可行之路。

  每辆电动汽车的停车位拥有一个智慧共享的数字化电源,可以彻底解决充电难。睡觉充电一夜,里程增加500公里,让老百姓充电方便了,电动汽车产业就容易发展起来了。

  采用夜间用电谷时段有序充电、峰谷调节充电,可助力解决电网削峰填谷难题,提供更加安全的智慧充电设施,方便老百姓在自有停车位解决日常充电需求。在居民小区停车位充电,可明显降低老百姓的充电支出费用,还能减少储能电站场地建设占地,并避免储能电站电池无谓的充放电损耗,挖掘居民小区变压器潜在容量,提升后半夜变压器的供电作用,也是提升变压器的经济性。进行有序充电,是一种全新的技术手段,相对于建立储能电站而言,投资小,见效快,一举多得。

  清华大学能源互联网创新研究院提出的新技术,全名是“公共场所用电(能量)精细化管理商用云平台”,而智慧共享数字化电源是这个核心支撑体系中的具体执行单元。采用精细化管理及市场化运营的新方法,去实现峰谷调节充电功能,将充分利用电动汽车电池需要经常充电的刚性需求,加之合理调整充电时段,从而巧妙地缓解电网供能削峰填谷难题。

  近期,科技部所属中国高科技产业化研究会,对这项新技术给予积极评价,属于国内领先。由智慧共享数字化电源构建的微电网荷储动态调整管理系统具备以下优势:

  1)基于分布式储能体系架构,基于物联网支撑的智慧共享终端(智慧共享数字化电源)中内置了智能芯片,由云平台对芯片直接进行智慧化管控,实现24小时不间断的供用电安全监管,可监视、可控制、可预警、可追溯,根据不同用电场景,配合不同的电能计费模式,实施灵活的适应用电峰谷动态调节的用电计价模式。每分钟获取一次终端最新数据。

  2)泛在用电细节的智慧化管控,采用物联网技术,形成用电基础大数据,通过人工智能对大数据的分析、自学习及预警处理,实现对户外公共场所泛在用电细节的智慧化管控。

  3)实现预约用电,有序充电,用户可根据自己的需求自主设置用电时间,以充分利用谷时段的低价电。而且,充电过程可实现充电用户手机端的远程和全程监控。

  4)统一、规范电能计量标准,利用智慧共享数字化电源中内置的高精度计量芯片,直接完成对电压、电流、功率、电能量和温度等物理量高精度准确的测量或计量。准确度达到一级电表级别。

  5)温控预警功能,智慧共享数字化电源内置温控单元,在出现过载、过温、过流、浪涌、漏电等异常情况时,所构建的精细化用电管理及运营云平台将自动断开相应的充电终端,同时向电动汽车车主发送故障告警信息,提醒及时进行维护,从源头遏制公共场所户外用电的安全隐患。

  6)收费机制灵活,虚拟卡预付费多种结算机制,无需下载安装APP,可实现即扫即用电,即付即充电,真正实现户外公共场所泛在用电的方便快捷,用户使用中无需担心多家充电桩企业平台APP的互联互通难题。

  7)“峰谷充电套餐”商业化充电管理机制,引导用户参与电力需求侧响应,多样化、个性化、无人值守的用电服务,引导各类电动汽车车主用户在每天夜间用电谷时段参与有序充电,能够促进电网改善负载均衡性;其逐步实施到位,利用电池充电过程属于“可中断负荷”的物理属性,对分散的充电负载进行统一调度,软件算法确定需要接入负荷总量,可以辅助电网实现部分储能调节负载的功能。

  8)多方参与,利益共享,互联互通的商业运作模式,相对于传统的售电管理模式,这种新式用电管理平台更接近用户端,具体将用电服务、电能计量管理等诸多功能都下沉到最底层的智慧共享数字化电源里面,采用物联网手段与大数据相结合,精细化、智慧化地管理用户的充电用电行为,并通过建立峰谷用电价格引导机制,让电动车的充电过程平移到夜间用电谷时段,实现大范围分布式的有序充电,集中增加夜间谷时段的用电量,为电网供能的削峰填谷、平抑负荷曲线提供全新技术支撑。

  电动汽车充电在自己停车位完成,像手机充电一样方便车主,这是很快能够实现的目标。智慧共享数字化电源充电端口在户外公共场所随处可见,方便所有老百姓的户外用电,全国普遍采用和实施,形成一种全新的用电生态圈,会带来巨大的社会效应和经济收益。

  智慧共享数字化电源是一种解决用户户外用电的创新

  大量实践证明,智慧共享数字化电源主要有四点创新:

  一是理论创新

  ①用电曲线预警算法创新

  早期的用电管理设备,最低端(最小采集信息点)是户用家庭电表,用电采样周期通常是一个月。新技术采用智慧共享数字化电源进行用电管理,每分钟采集用电设备的电压电流功率电量温度信息,为用电预警管理提供了精确的数据,能够实现各种新的管理算法。

  ②峰谷调节算法创新

  利用分散的电动车电池作为储能单元,协助电网负载动态平衡,通过获取物业小区总变压器动态功率数据,进行充电电池有序充电,这种泛在电力物联网实现的电网峰谷调节算法,能够充分发挥电动车电池的作用,不仅给车提供能源,而且给电网增加负载调节效果,一举两得,能够有效提升变压器使用容量,确保安全的前提下,增加变压器已有容量的使用率,经济效果显著。

  二是应用创新

  智慧共享数字化电源把用电从户内移到户外,解决户外没有电的困扰。

  智慧共享数字化电源应用在物业小区的自行车棚,能够解决老年代步车、电动自行车的充电问题,比投币式、刷卡式的支付方式简单。

  智慧共享数字化电源安装在汽车停车位能够替代充电桩。这种应用创新,社会经济总体效益显著,低成本带来泛在普及性,遍地具备充电点。

  三是技术创新

  ①采用泛在电力物联网技术,综合制定户外用电控制全业务流程,让每个独立终端采集用电安全的基本数据,依据用户小额付费额度,调度每个终端的供电输出,实现了公共场所开放区域的电源设备共用共享。

  采用大数据后台管理业务流程,实现一个静态二维码的全业务流程管控。每个智慧共享数字化电源,在平台内具有一个唯一的二维码,但是,不同的用户扫码,会得到不一样的差异化服务。比如,A用户办理过年卡,扫码获得包年服务。B用户办理过打折优惠券业务,扫码获得折扣服务。C用户没有办理过任何优惠套餐,扫码获得即付即用服务,支付5毛钱,没有折扣得到5毛钱充电服务,等等。

  四是架构创新

  采用把全部通信、采集计量、控制电路元器件内置到国家标准86盒电源插座的户外用途

  插座里面,麻雀虽小五脏俱全。无需额外培训,普通电工看说明书就可以安装。大幅度降低新技术推广难度。

  安全防护加强,每个插座插口有防止小孩误触挡片,物理隔离带电导体。另一层安全防护,用户付费之前,平时电源是关闭的,没有电输出,更加安全。

  扫码有提示,防止收款二维码被假收款二维码替换。用户扫码看到提示(声音或者LED闪动),就可以放心支付,保证支付安全。

  产业化示范效果明显,获中国电力报积极评价。

  (作者:张罗平 王国灿 高文胜 张罗平系清华大学能源互联网创新研究院研究员;王国灿系浙江城市国际化研究院资深高级政策顾问;高文胜系清华大学能源互联网创新研究院副院长)


编辑:姜秋霞