西門子一體化電網的光明前景

在愛爾蘭根，西門子研究人員正在研制未來的智能電網。這種電網不僅能將各種類型的用電設備和供電設施連接起來，而且可以整合樓宇系統組件。其思路是將所有能源系統合并起來，使之以盡可能的方式，供應電能、暖氣、冷氣和飲用水。

Rolf Hellinger博士（左）和Sebastian Nielebock（右）率領的西門子智能電網團隊，可以“建造”幾乎任何類型的智能電網。

西門子開發工程師Sebastian Nielebock正在他的便攜式電腦上查看一長串數值。他說：“這些是光伏逆變器的參數。我們正在優化這些參數，以確保不論在任何負載條件下，我們的小型電網都能保持穩定，并實現運行。”這個小型電網由一個機柜大小的電池和配備了用于將組件連接至電網的逆變器的控制機柜構成。這些組件包括蓄電裝置以及光伏發電設備和風電機組。換句話說，這個小型電網代表了向購物中心、醫院和酒店等輸送電能的典型配置——哪怕并未連接至電網。取決于日照強度，電池既可以臨時儲存過剩電能，也可以在需要的時候向獨立電網輸送電能。如果需求大幅增長，還可以快速啟用柴油發電機。

即便此刻太陽躲在云層背后，柴油發電機也并未運行，這個小型電網依然在起勁地工作。這是因為它并非一座大城市的電網，而是設置在位于德國愛爾蘭根的西門子分布式多聯產發電系統開發中心。在這里，來自西門子中央研究院（CT）的研究人員可以在實驗室條件下，對未來的智能電網進行試驗。在面積達170平方米的實驗大廳里，實驗室的專家們可以創建幾乎任何類型的智能電網。除電池機柜、熱電聯產裝置、應急發電機、地方電網調壓變壓器、各式各樣的電力負載和數十個逆變器之外，這座設施還包含了兩臺制冷設備和一套飲用水凈化系統。由于應用場合各不相同，這個實驗室的20名員工中包含了熱動力學專家和過程自動化專家，他們與電氣工程師和計算機科學家并肩合作。

目標是將多種不同類型的能源資源合并起來，確保以、環保的方式，供應電能、暖氣、冷氣和飲用水。

利用實驗室的眾多設備，研究小組可以復制出各種類型的小規模智能電網。譬如，柴油發電機可以扮演熱電聯產發電裝置或生物質反應堆的角色。重要的是，波動型電能和常規電能的比例，與所要模擬的實際電網情況相對應。短短幾年之內，這樣的智能電網將變得非常普遍。這是因為，隨著電網從波動型發電設施吸納越來越多的電能，將需要借助智能控制系統來確保分布式供電設施之間實現的交互作用。不然的話，則會發生可能導致嚴重損害的斷電事件。

而這正是Nielebock想要防止的?，F在，他正在模擬在強烈的日照下，光伏發電設備的逆變器生產了大量電能的情況。Nielebock解釋道：“如果這導致電網中的電能過剩，結果將是電壓和頻率升高。我正在調節逆變器參數，以確保其有助于維持電網穩定，而不只是盲目地以大輸出功率工作。”盡管如此，如果發生斷電，那么分布式供電設備，如電池和光伏發電裝置，必須能夠啟動電網并恢復運行。

這聽起來容易做起來難，因為所謂的“黑啟動”要求將所有組件同步，實現同相運行，逐步將電網電壓提高至預設值。必須均衡地將來自不同發電設施的電能輸送給各個負載。Nielebock解釋道：“如果內置控制器設置適當，那么逆變器可以利用電壓和頻率數據自動完成同步，從而確保穩定運行。”就像樂團中的各種樂器在指揮家的指揮下實現同步一樣，逆變器在智能電網中確立了秩序——因此，柴油發電機生產的交流電能，與逆變器輸出的電能，*協調一致。

像這樣的研究以富于前瞻性的眼光，審視了在朝著可再生能源和分布式發電設施過渡的進程中，電網運營商將要面臨的挑戰。供電企業需要將不計其數的光伏發電設施、風電機組和生物質反應堆與常規電廠和蓄電裝置等連接起來，以建立一個穩定的電網。為了確定這種系統的實際運行情況，自2011年起一直到2013年秋季，西門子在德國南部Allgau地區的一座擁有2 500人口的Wildpoldsried鎮，對當地電網進行了細致深入的研究。鎮上的幾乎每幢房屋都在屋頂安裝了一個太陽能電池板。除這些太陽能發電裝置之外，這座小鎮的電力系統還包括了以生物質反應堆生產的燃氣為燃料的熱電聯產裝置，以及5臺風電機組?？傮w來講，現在Wildpoldsried鎮的發電量是其耗電量的5倍以上。

盡管這聽起來是件好事，但對于地方電網運營商AüW公司而言，卻是個嚴重問題，因為過剩電能造成了電力線不穩定。于是，AüW聯合西門子、亞琛工業大學和肯普滕應用技術大學，共同發起了IRENE（可再生能源發電系統與電動交通系統整合）項目，對大型智能電網進行測試。自項目啟動以來，約200個測量裝置一直在提供關于電網總體運行情況的數據，而地方電網調壓變壓器、蓄電裝置和遠程控制光伏逆變器等確保了電網穩定。

這個系統的核心組件是SOEASY——西門子提供的自組織電力自動化系統。SOEASY可以平衡供需。在這個系統中，各個供電設施和用電設備均分別由一個個人能源代理（PEA）來代表。譬如，系統軟件知道某臺光伏發電裝置的業主愿意接受的低電價。然后，軟件將報價提交給代表電網運營商的“平衡大師（Balance Master）”，后者將決定是否接受PEA的報價。

在Allgau地區進行試驗之前，在位于愛爾蘭根的開發中心，研究人員搭建了一個自有電網，以研究電池、光伏發電裝置和地方電網調壓變壓器之間的交互作用?，F在，研究人員正在分析更為復雜的智能電網。Rolf Hellinger教授是開發中心所隸屬的能量轉換技術領域的負責人，他表示：“階段，我們僅連接了用電設備和發電裝置。下一步，是整合樓宇系統組件，如空調系統使用的壓縮式制冷機。”這能提高智能電網的靈活性，因為智能控制樓宇可以在需求較低時吸納過剩電能。

廢熱驅動蒸發和冷凝過程，生產出飲用水。

利用廢熱生產純凈水。西門子研究人員的長遠目標是將多種不同類型的能源資源合并起來，如石油、天然氣、風電、太陽能、生物質和廢熱等，以確保這些能源資源以盡可能、環保的方式，生產出電能、暖氣、冷氣和飲用水。他們也想將這些能源資源整合到多模態能源系統中。熱轉換和分布式電力系統研究小組組長Jochen Schafer博士說：“在此之前，大多數時候僅僅審視了這種系統的某一個側面，譬如，將利用可再生能源生產的電能輸送到電網的方法。與之相反的是，現在我們研究的是由眾多組件構成的電網。我們也在研究這些組件相互之間的交互作用方式，以及其對電網的總體穩定性的影響。換句話說，我們感興趣的是系統集成，以及所有系統組件之間的相互作用。”

譬如，研究人員尤為感興趣的是充分利用機器及其他工業設備產生的廢熱。如今，人們很少以經濟可行的方式對廢熱，特別是低溫廢熱，加以利用。然而，這種熱能包含了寶貴的能量，譬如，可以用于回收處理廢水，生產出飲用水。為此，愛爾蘭根的西門子研究人員開發了EvaCon（蒸發和冷凝）系統，利用溫度在70到120攝氏度之間的廢熱來蒸發廢水。所得到的蒸汽流被輸送到冷凝機中，通過凝結作用，生產出純凈水和一些濃縮廢水。然后再處理這些廢水。

在開發中心，矗立著高5.5米的EvaCon原型機。廢水經隔熱管道從右上方流入，再流經若干換熱器。在這里，廢熱被用來升高水溫。然后，廢水緩緩流過蒸發器，變成水蒸氣。風扇產生氣流，攜帶水蒸氣向上運動。在安裝了冷凝器的右側，水蒸氣再次凝結。這聽起來可能很簡單，但細節卻頗為復雜。環境技術研究小組組長Manfred Baldauf博士說：“我們想使用少量的電能來輸送盡可能多的水蒸氣。為此，我們需要調節溫度分布和氣量。”下一步是建造一座純凈水產能達25立方米/小時的試驗設施。這足以處理飲料行業裝瓶過程產生的廢水。此外，EvaCon也可用于凈化釀造工藝和石油鉆探作業等產生的廢水。

然而，針對某些情況還沒有經濟劃算地利用低溫廢熱的技術。為此，研究人員制作了一個可將廢熱加熱至140攝氏度的熱泵——相比之下，以往高只能加熱至90攝氏度。Schafer解釋道：“從根本上講，熱泵原理是相同的，但我們的熱循環采用了一種特殊的工藝油。這種工藝油適用于更高溫度，并且對環境無害，安全。”譬如，這種新熱泵可以將溫度在70到90攝氏度之間的工業廢熱或地熱，加熱至130攝氏度——達到集中供暖系統的標準溫度。這些熱能可用于為建筑物供暖。結合EvaCon及開發中心的其他設備，新的熱泵有助于研究人員朝著保證不浪費任何能源資源的夢想更進一步。