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受互联网启发的电网
2018-06-08 09:48
原创  IeeeSpectrum

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日本计划在20至30年时间内逐步淘汰现有的50千兆瓦核能,这为可再生能源的发展带来了机遇。但是东京大学教授安倍力也(Rikiya Abe)警告,2011年福岛危机以前,核能占日本电力供应的30%,用风力或太阳能取代核能可能严重影响电力供应。安倍教授从事学术研究工作之前在电力行业工作了三十多年,他说主要问题是日本的电网是集中控制的——这也是许多发达国家的通病。公用事业部门必须保持发电与需求变化之间的平衡,严格管理电网频率和电压。许多日本大型企业开始探索新的解决办法——逐步重组本国电力系统,最终使日本的电力系统形成类似互联网和路由器的架构。

“目前协同的电力系统运行非常良好,”安倍说,“但是,当在系统中引入多种类型的可再生能源时,必然会增加系统的不稳定性,直到最终出现失控局面。我们需要的是从集中控制走向分散控制,生产的电力分为多个部分,广泛分布。”

解决问题的答案就是他称为“数字电网”的系统。数字电网的架构基于互联网,旨在将现有协同的电网细分成规模不同的、独立的、自主的、互联的电池单元。这一体系会为电池单元中的发电机、电力转换器、风力发电厂、存储系统、屋顶太阳能电池及其他电网基础设施分配类似于IP的地址。

“理论上可行,技术上也可行,”日本坦普尔大学与东京大学研究员、前能源分析师保罗•斯卡利斯(Paul Scalise)说,“数字电网还有利于解决可再生能源的相关问题。这是可以令全世界公用事业公司动心的想法。问题在于谁来投资?”

为将这一概念付诸实践,安倍在去年9月成立了由他本人领导的数字电网集团。目前,集团有六家企业与机构:日立横滨研究实验室、兼松电子、日本国家仪器公司、日本电气公司、欧力士公司以及积水化学工业。同月,安倍宣布集团成功示范了一项关键支持技术,名为“Mark I”的两千瓦三支架“数字电网路由器”。通过异步连接和电池内部以及电池之间的协调,数字电网路由器能够管理和规范能源需求。三支架“数字电网路由器”包括固态AC/DC/AC变流器,使用绝缘栅双极性晶体管和其他电力电子设备。根据不同需求,这些设备可在电池频率变化时提高或降低传输电力的电压。明年初,该公司计划在美国田纳西州诺克斯维尔市的电力研究所示范两个或多个路由共同工作的情况。

数字电网路由器配备了CPU、内存、数据存储和网路通信,能够为来自不同生产或存储源头的分散电力“数据包”分配标签(相当于IP地址),这些电力会输入电网;同时接收器从电网提取相同的电量。为展示具体工作方式,安倍提供了一个实例。一组居民以一定价格输入可再生能源需求订单,操作员使用与股票交易系统类似的基于互联网的市场机制,定位接受订单的太阳能电厂,同时生成合同。安倍说:“如果不能匹配订单,就不会形成交易,这就保持了电网的平衡。”

安倍将这一过程比作银行系统。如果一个人向另一个人汇款,不必将这笔资金本身转交给另一个人。数字电网通过互联网通信,加入高频信号的输电线路也可以通信。他说:“合格的服务提供商会自动记录和收集每一次能源交易,还包括地理位置、时间、发电源、价格、CO2排放额度等其他数据。”

安倍称,2011年大地震后许多公司都对他的理念表示了极大的兴趣。不过他也承认,在日本将数字电网转化为现实必须获得电力设施与主要电力设备制造商的支持。他说,虽然他们还在与制造商和经济产业省沟通,但目前这些公司均拒绝加入他的集团。安倍说:“他们最终必须承认可再生能源的现状,而且目前的系统是无法管理这些能源的。在可再生能源的时代,如果这些企业还想继续保持核心地位,就必须开始改变目前的业务模式。”

斯卡利斯在即将出版的著作中关注了日本在能源重组方面的努力,他也同意安倍的观点。他说:“任何发达国家在向可再生能源进军的过程中最终都会面对电网传输与分配问题,美国和欧洲都将面对这些问题。”

安倍的公司在继续改进数字电网路由器同时,也开始寻求在没有电网的欠发达国家引进这项技术。“在这些国家……他们甚至在很长一段时间内可能都不需要传统的电网系统。”安倍说。

作者:John Boyd

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