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1、 Internal 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 作者:Markus Hirschbold 和 Andy Haun 执行摘要 当医院管理者重新评估其设施对电网不稳定的抵御能力时,他们中的许多人都面临预算和环保压力。微电网技术正越来越多地被用于进一步延长正常运行时间,同时削减能源支出,最大限度减少设施的碳足迹。最新解决方案整合了高级能源分析,可以更加智能地管理能源资产从发电机组和热电联产,到可再生能源和负载。施耐德电气 2 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 引言 图 1 随着医院不断扩建设施并增加更多的能源密集型、电力敏感
2、型设备,他们需要确保清洁电力的持续供应,同时控制能源成本。全球医疗保健行业面临许多商业和技术挑战,其中,三个与能源相关的问题尤为令管理者担忧:弹性、成本和可持续性。保障患者生命安全 近年来,医院发电机故障屡屡见诸新闻,例如美国卡特里娜、艾琳和桑迪飓风期间发生的故障。这往往导致大批患者被疏散。在少数案例中,患者生命安全受到威胁。1 电力供应连续性对患者生命安全至关重要。从配电角度来看,这意味着电力不能中断,并且要确保关键生命维持设备始终处于运行状态。但日益增长的电力需求、老化的输电基础设施、更加频繁的暴风雨,都使得电网稳定性问题在许多地区变得更加普遍。在过去,应急电源被预定义为只保障最关键的职能
3、(如手术室、重症监护、急救等),这些职能占医院总服务的 20%至 50%。然而,随着重大风暴的数量和严重程度不断增加,地方社区陷入更大的困境,医院需要全天候持续供应医疗服务,而这就需要百分之百地保障电力供应。此外,供给侧发生的任何扰动都可能传递到医院配电网,引发电能质量问题。随着医院越来越多地采用先进医疗设备,更多的电力敏感型设备面临故障风险。即使备有传统的柴油发电后备电源,也仍需在更长的时间内确保更高的可靠性。1“为什么医院的发电机总是故障?”,ProPublica,2012 施耐德电气 3 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 图 2 预计从现在起直
4、至 2050 年,全球(包括美国在内)能源成本将持续上升。来源:EIA 预算压力 重新评估备用电源系统的可靠性并不是当今医院面临的唯一挑战。德勤在2019 年全球医疗保健行业展望中指出,“全球医疗保健支出预计将持续上升,2017-2022 年间预计支出将以每年 5.4%的速度增长。”影响财务业绩的五个关键因素中,有两个是“指数技术的使用增加”和“扩建医疗场所的需求”。2 虽然报告中没有直接提到,但很容易理解的是,能源长期以来在医院设施运营中发挥着关键作用,今后也将继续如此。“医院使用的能源是相同规模的商业建筑的 2.5 倍。这并不奇怪,因为医院必须为病患提供全天候护理,这就对照明、供暖、制冷提
5、出了更大的需求,并且需要大量用于设备消毒的热水和蒸汽,以及对温度敏感型药物的冷藏。“3 医院还需在手术室和重症监护室等区域保持高频率换气,以降低感染风险。这是推高暖通空调能耗的另一个主要原因。随着医疗机构扩建设施并增加能源密集型设备,能源成本成为财务团队关注的重点。电力需求的持续增加以及相关能源价格的持续上涨(图 2),将给有限的运营支出预算带来压力。实现可持续发展目标 正如许多地区的许多行业一样,医疗行业长期面临环保合规要求。电力和化石燃料消耗均被纳入温室气体排放量计算公式。管理能耗并使用绿色能源通常是监管合规的一个重要方面,但它们带来的好处远不止符合政府规定。最大程度减少建筑的碳足迹还有助
6、于获得绿色建筑认证,并在当地社区树立“更绿色”的形象。医院微电网的出现 针对上述问题,每家医院都会做出不同的权衡取舍,具体取决于当地的商业和监管环境。面对多重挑战,越来越多的医院正在建设自己的微电网,通过改善电力供应来更好地保障病人的生命安全,同时缓解预算和环保压力。一个完整的微电网解决方案可以智能地协调各种现场分布式能源资产,优化成本和电力稳定性(包括从公用电网中“孤立”出来,以免受到电力中断或电力扰动的影响)。医院需要大量连续、清洁和负担得起的能源,采用微电网将使医院受益匪浅,而现在正是迈出这一步的最佳时机。微电网技术已经达到了很高的成熟度,应用于许多类型的设施和基础设施,2“2019 年
7、全球医疗保健行业展望:塑造未来”,德勤,2019 3“医疗微电网:医院走向更加可靠、清洁、低成本的能源的途径”,Microgrid Knowledge,2017 绿色建筑认证 世界各地都有许多全球性和区域性认证。例如:LEED(全球)BEAM(香港)BREEAM(英国,欧盟)DGNB(德国)CASBEE(日本)EDGE(新兴经济体)Energy Star(美国、加拿大)Green Globes(美国、加拿大)Green Mark(新加坡)Green Star,NABERS(澳大利亚,南非)“绿色建筑标准和 认证体系”,WBDG 电力:最终使用价格(所有行业平均值)施耐德电气 4 新型微电网设计
8、如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 如公用事业、社区服务、政府办事处、军事基地、大型工业企业、医院和教育园区。4 后者通常包括研究设施。图 3 微电网技术已经成熟,预计将以每年 20 以上的速度持续增长。图 表 来 源:Microgrid Knowledge 和 Navigant Research 预计全球微电网容量每年将增长 20 以上(见图 3)。受之前大规模增长的推动,自 2014 年以来,安装微电网的整体成本估计下降了 25 至 30,预计这一趋势还将继续保持。5 尽管如此,每个组织机构的微电网应用各有其独特性,因此,应开展可行性研究,以确定组织机构能获得哪
9、些收益,包括投资与预估财务回报和潜在运营收益之比。本文介绍了微电网能给医院带来的好处,包括:智能微电网架构:将分布式能源(DER)与智能控制器连接起来 增强弹性:使用多种能源资源和智能控制,确保运营连续性和敏感设备所需的电能质量水平 节约成本的机会:利用高级能源分析,最大限度地利用可再生能源,将能源成本降至最低 智能微电网架构 近年来,微电网已变得更加普遍,并获得了大量宣传,使其性质和用途更加广为人知。微电网是一个与公用电网交互的本地能源系统,包含一台或多台发电机以及必要的能源管理控制器,可以为消费者提供安全的电力。与大型公用电网不同,微电网所有能源资产(从发电到负载)的布局非常紧凑,以便服务
10、多座建筑,或被收容在单栋设施中。微电网通常连接到主公用电网,在经济上有利时从公用事业汲取能源,将公用事业电力和现场能源结合起来使用。微电网也可在需要时断开连接,以独立模式运行。这被贴切地称为 4“谁在使用微电网以及为什么要使用微电网?”,Microgrid Knowledge,2017 5“微电网发展为309亿美元市场的驱动因素为何?”,Microgrid Knowledge 各 各地区每年的微电网容量和支出 全球市场基本情况:2018-2007 北美洲 欧洲 亚太地区 拉丁美洲 中东和非洲 总支出 百万美元 施耐德电气 5 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Inte
11、rnal “孤岛运行”,因为微电网暂时变成了一个独立的能源孤岛,与主电网分开运行。现场供电的第一步 世界上几乎所有的医院都有某种形式的备用电源系统,为医院的部分区域提供电力。这一系统有时被称为“应急电源系统(EPSS)”。其最常见的形式是一台或多台柴油发电机,再辅以一个不间断电源(UPS)。在发电机启动时,UPS 可以确保电能质量并提供备用电力。在许多地区,政府规定必须备有备用电源,以确保设施最关键的职能在主电网停电后的规定时长内仍能正常运行。在本文中,备用电源系统不被视为微电网,因为它们并非长期连续运行。图 4 现代微电网在智能微电网控制系统的协调下,综合利用各种分布式能源。迈向真正的微电网
12、 许多医院已经采用热电联产(CHP)或冷热电联产(CCHP)系统。这些系统通常被配置为微电网,因为它们包含一种本地能源,以(至少部分地)满足医院的电力需求,并提供有用的热量。为优化成本、可持续性和弹性,更全面的微电网解决方案可能包括多种分布式能源,包括 CHP、可再生能源、燃料电池、储能。DER 的选择将取决于经济和环境方面的考虑。分布式能源(发电和储能)分布式能源(非关键可控负载)微电网控制系统 自动转换开关 主公用电网电力 紧急备用柴油发电机 风力涡轮机 太阳能光伏 阵列 储能 CHP/CCHP 施耐德电气 6 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal
13、在运行层面,DER 的协调由微电网控制系统管理(见图 4)。在公用电网停电的情况下,该控制系统负责安全地与电网断开连接,并可靠地过渡到孤岛模式。在孤岛模式下,该系统对所有的 DER 进行管理,以维持电力稳定性。将微电网控制系统与医院的楼宇管理系统(BMS)和能源管理系统(EMS)连接起来,可以获得更多收益。数字化和物联网的进步正在使电力和楼宇系统变得更加智能互联。将这些系统与微电网控制系统相结合,可以充分发挥 DER(包括电动汽车充电站等非关键可控负载)的柔性,从而优化成本和可靠性。如此高水平的数字化连接和控制,使得防范网络威胁、确保通信网络安全至关重要。微电网解决方案应符合端到端网络安全最佳
14、实践,包括与 IEC 62443-4-2 和 IEC/ISA 62443-3-3 等标准保持一致,并使用可信赖供应商提供的网络安全组件。6 分布式能源的选择 如图 4 所示,微电网可以包括各种各样的分布式能源。DER 的选择将取决于几个因素。备用发电机 如前所述,医院普遍采用柴油发电机作为备用电源设备,它们通常需要符合当地的法规要求。柴油是一种可靠的燃料资源,可以方便地存储在现场。但是,柴油发电机具有三个潜在弱点:1.燃料的储存量是有限制的,因此医院可以预期的总发电时间通常不超过 48 小时。2.环境排放法规限制了柴油发电机在一年中可以运行的时长。3.虽然法规要求对备用发电机进行定期测试,但这
15、并不能百分之百保证发电机在公用电网停电的情况下能可靠地启动。引言中的例子敲响了一记警钟:应采取谨慎措施,提高备用系统的可靠性。热电联产(CHP)和冷热电联产(CCHP)这些系统将发电与供热或制冷结合在一起,有时也被简称为“联产”。CHP 技术已经存在了几十年,通常是许多医院创建微电网的第一步。美国能源部在 2016 年报告称,368 家医疗机构已经安装了 CHP 系统,但这代表医院仅利用了该技术 12%左右的潜力。7 能源部指出,“医院拥有与 CHP 能力相匹配的电力负载和热负载,它们可以提高项目的经济性。医院需要持续供电,对生活热水、消毒和洗衣有大量需求。此外,医院在发生自然灾害或紧急情况时
16、被视为关键设施,因此 CHP 的后备可靠性非常符合他们的需求。”6“确保安全:端到端网络安全生命周期框架”,施耐德电气,2017 7“美国热电联产(CHP)技术潜力”,美国能源部,2016 案例研究:CHP“位于休斯顿的德克萨斯医疗中心凭借其 CHP 系统,在 2017 年 8 月哈维飓风期间维持了电力供应。作为世界上最大的医疗中心,那里完全断电的后果可能是灾难性的。但该医院却能够继续运行美国最大的冷却水区域能源系统,并满足关键的空调、冷藏、供暖、消毒和洗衣需求“。工业效率 联盟 施耐德电气 7 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal CHP 系统通常使用
17、往复式发动机或燃气轮机作为原动机,最常使用天然气作为燃料。CHP 的最大好处在于效率。系统在原动机产生热量的同时发电,产生的热量将被捕获并投入使用。与综合效率最多只有 50 至 58 的传统发电厂发电和锅炉供热相比,CHP 的热效率可达75至90,8 具体取决于气候。更少的损耗意味着更少的资金浪费和更低的排放。这也意味着,与备用发电机不同,CHP 可以持续地带来效益。CHP 系统通常可以连续运行,并且能获得比备用发电机更好的维护,这意味着,它可在停电时立即用于供电。此外,美国能源部表示,“天然气基础设施通常不受恶劣天气的影响。”9 在某些情况下,根据能源和燃料价格以及当地法规政策,CHP 可以
18、大规模部署以作为设施的主要电力来源,而公用事业电力则作为备用。如果系统产生了过剩的能源,也可以将这些电力回售给电网。当然,CHP 系统产生的任何排放也需被考虑在内。图 5 与传统供电供热方案相比,CHP 的能效更高。基于美国能源部和Coenergy Canada提供的数据 另一个相关的解决方案是是将制冷、供热和供电结合在一起的冷热电联产(CCHP),也称为“三联产”。CCHP 与 CHP 类似,只不过它还提供制冷。吸收式制冷机利用原动机产生的废热为制备冷水供能,所生成的冷水将用于制冷。在一定的气候条件下,CCHP 可能是比 CHP 更好的选择,并且可以提供同等水平的效率和可靠性。针对 CHP
19、和 CCHP 系统,微电网系统需要不断平衡需求和成本。这就包括确定电网电价与天然气价格在任何给定时间的差额(记住,天然气不收高峰需求费)。同样重要的是,要理解供热、制冷与电力输出之间的平衡,并决定何时应从公用事业购买额外的电力,何时又该将电力 燃料 燃料 燃料 电力 电力 热 热 综合效率 75%-90%综合效率 50%-58%热电联产 设施锅炉 公用事业发电 施耐德电气 8 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 回售给电网。后文将对这些要点做详细介绍。可再生能源 在美国,医疗保健行业产生全国 10%的碳排放,其中,医院产生全行业 39%的碳排放。医疗保
20、健行业预计将从 2016 年的 3.4 万亿美元增长至 2025 年的 5.5 万亿美元。10 可以预计,该行业产生的碳排放除非得到控制,否则也将快速增长。正如美国能源部所指出的,可用性和成本,政策和激励措施,以及电价、监管等当地市场因素,决定了可再生能源是否适用于特定的医院设施。很多可再生能源都是值得考虑的选择。太阳能发电非常适合大多数医院。医院的屋顶空间往往很充裕。如果屋顶空间不足,可在停车区增设太阳能雨棚,它既能提供可再生能源,也可用来遮荫。此外,医院设施的全天候运作意味着太阳能可以得到最大程度的利用。而且太阳能的价格在持续下降。据 Energy Sage 称,“10 年前,即 2009
21、 年,太阳能电池板的安装成本是每瓦 8.5 美元在 2019 年太阳能的价格已经下降了 60%以上,只有 3.05 美元/瓦。”11 太阳能有两种形式:直接将太阳能转化为电能的光伏(PV),以及产生蒸汽驱动涡轮机发电或为医院洗衣淋浴等需求提供热水的光热。太阳能电池板的可行性和效率在很大程度上取决于安装、定向/追踪、遮阳和天气。在有可能实现公用事业侧互联的地方,可以实行净计量电价政策,该政策允许将多余的太阳能发电量出售给电网。风力发电是另一个可能的选择。独立涡轮机的选址需离现有架构足够远,以免产生噪音和安全问题,此外也需将当地社区的担忧考虑在内。然而,建筑一体化设计(如屋顶安装)也正在成为一种可
22、行的替代方案。12 此类方案必须将重量和振动考虑在内。当然,无论采用何种设计,都必须具备稳定而优良的风力条件。与太阳能类似,风力发电也可能有机会接入公用电网,并出售多余的电力。如果有植物、残渣、废物等可用资源,那么生物质能源可能是一个不错的选择。工厂废弃木屑或酿酒厂废粮都是典型的例子。燃烧生物质通常用于 CHP,可以同时产生电力和热量。需考虑的重要因素包括资源成本,以及某些类型的生物质在燃烧时的颗粒物排放水平。燃料电池 随着燃料电池技术不断进步,其全球市场份额迅速上升。2016 年这个市场的价值为 32.1 亿美元,并且预计大规模增长还将持续下去。13 从交通运输到现场发电,燃料电池的应用范围
23、正变得越来越广泛。据燃料电池和氢能协会称,“燃料电池可以作为主电源、备用电源或用于热电联产。”14 燃料电池并非基于燃烧,而是基 10“医疗保健行业能否像大型科技公司一样 100%采用可再生能源?”,GreenBiz,2018 11“太阳能电池板成本和效率的历时变化”,Energy Sage,2019 12“风能:建筑一体化涡轮机”,ClimateTechWiki 13“燃料电池市场规模、份额和趋势分析报告”,Grand View Research,2016“迅速上升的能源成本和不断收紧的碳排放法规使可再生能源对医院越来越有吸引力。可再生能源曾被视为利基技术,但在融资改善、激励增多、技术进步的
24、推动下,可再生能源已逐步成为主流能源。”美国能源部 施耐德电气 9 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 于氢氧结合的化学反应来产生电力。燃料电池的副产物仅为水和热量。氢气不是一种自然存在的燃料,因此需要人工制造。今天,最常见的手段是使用天然气或沼气(甲烷),经由一个被称为“天然气改制”的过程制氢。15 不过,也可以使用水,经由一个被称为“电解”的过程制氢,电解可由太阳能、风能等可再生能源供能。这种情况下产生的氢燃料可视为一种可再生能源。在美国以下五个州的政策法规中,燃料电池被视为可再生资源(即使涉及天然气改制):康涅狄格州、纽约州、俄亥俄州、印第安纳州
25、、俄克拉何马州。由于其超低的排放量,燃料电池通常无需获得空气排放许可。与其他竞争方案相比,燃料电池的占地面积小得多,重量也更轻。因此,它们可以被置于室外、室内或屋顶。这些系统也可能带来显著的能源节约,具体取决于融资、激励措施、燃料成本。由于这些原因,许多医院已经采用燃料电池为其设施提供电力、热能和热水(见案例研究:燃料电池)。储能 拥有现场储能能力,可以为医院带来广泛的好处。首先,作为不间断电源(UPS)系统的一部分,储能可与备用发电机、CHP、可再生能源配合使用,从而增强弹性,更好地应对公用事业电网中断。其次,存储下来的多余能量,可在光伏面板或风力发电设备无法发电时使用,充分发挥可再生能源发
26、电的价值。最后,储存的能源可以被调度,用于高峰需求管理,在能源成本较高的时段减少对公用电网电力的消耗。尽管需要投入大量资金,但储能是应对尖峰负载的一个良好选择,而其他 DER(如 CHP)更适合用于支持基底负载。储能可以有多种形式,从电池到机械飞轮到热储能。固态电池是医院应用中最常见的选择,目前锂离子技术已超越铅酸技术,其使用寿命更长,密度也更大。然而,不断上升的锂成本和回收挑战正促使市场考虑其他新技术。16 用于关键电力应用的专用储能解决方案也在不断涌现。正如 Navigant Research 报告所指出的,“使用分布式储能系统(DESS)的关键基础设施先进电池(ABCI)解决方案可以通过
27、提供电网辅助服务和减少电力需求费用,帮助减轻电力服务中断对关键任务设施运营的影响”17。14“燃料电池和医院应用”,FCHEA 15“制氢:天然气改制”,Energy.gov 16“锂电池仍在引领潮流吗?”,Power Technology,2018 17“关键基础设施先进电池”,Navigant Research,2019 案例研究:燃料电池 哈特福德医院(康涅狄格州)-1.4 兆瓦的燃料电池满足了该医院约 60%的电力需求和大部分的供热需求。多余的热量被附近的一所学校利用。萨特圣罗莎医院(加利福尼亚州)-新设施,运行一个 375 千瓦的燃料电池系统,满足了该医院约 70%的电力需求。燃料电
28、池和氢气 能源协会 施耐德电气 10 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 增强弹性 图 6 微电网架构的三个功能层在紧密协调的基础上运行,以最大限度地提高弹性、节约成本和使用可再生能源。微电网系统可视为拥有三层架构(见图 6)。第一层包括所有智能互联产品,包括监测和控制设备、分布式能源资产等。中间层是实时进行本地“边缘控制”的地方。微电网控制器与相关软件相结合,可以监控所有资产、做出关键决策并采取措施来控制发电和耗电资产,增强弹性,最大程度地利用可再生能源。顶层包括可以进一步增强微电网解决方案的应用程序、分析工具和辅助服务。高级能源分析工具通常托管在云
29、端,有助于优化生产、消耗和存储能源的时间和方式,从而最大程度地降低成本,提高可持续性。后文将对此做详细介绍。在控制层,微电网系统监管所有的 DER,并使用智能、预定义的算法,在有需要时采取适当行动:管理电网连接:系统必须能够与电网断开连接、支持关键负载并在遭遇突发事件后重新恢复连接。在孤岛模式下管理 DER:系统必须确保能源生产与消耗保持平衡。必要时,系统将卸除非关键负载,以确保生产能够满足消耗需求。确保微电网安全:微电网系统以并网和孤岛模式管理设施范围内的电网保护,适用于每种 DER 组合。这样做是为了确保断路器保持协调,反过来,如果设施中的任何地方发生电力故障,影响也会降到最低。在并网模式
30、下管理 DER:控制器可以编程,以便在可能时最大限度地利用可再生能源。多余的能源可以储存至储能系统或回售给电网。微电网系统管理着对公用电网的授权能源输出水平,可以响应公用事业、第三方发出的信号,也可以在达到预定阈值后做出反应。应用、分析与服务 边缘控制 互联互通产品 天气 预报 调度系统(占用,电动车规划)能源分析 KPI,预测,电价管理,需求控制,需求响应,可再生能源利用最大化 需求 响应(DR)请求 能源 市场 价格 微电网监管和控制 电网连接/断开,孤岛模式下管理 DER,保护/接地,能源输出控制 分布式能源(DER)CHP/CCHP,可再生能源,储能,电动车充电,BMS,其它非关键柔性
31、负载 施耐德电气 11 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 微电网系统需要出色的速度和性能。快速切换响应通过平衡负载需求和 DER 资产的可用发电量来帮助确保设施的电力稳定性。实施微电网控制系统冗余可以进一步保障任何条件下的可靠运行。此外,微电网系统应提供自动与手动控制选项,以便在特殊情况下推翻系统的控制算法。如果主电网中断(可能是由于风暴破坏或电网过载问题),微电网将自动脱离主电网,以保护设施的电能质量,并持续为所有关键负载供电。此时,发电资产要能够在独立于电网的情况下立即启动,并在无电网信号的条件下运行。当然,还必须有足够的发电能力来支持所有关键负
32、载。最先进的微电网解决方案还提供主动保护功能。根据天气数据和警报,微电网系统可以“预见”即将到来的情况,并在暴风雨来临前做好脱离主电网的准备,为设施工作人员留出足够的时间来采取预防措施。图 7 微电网控制系统采取适当施将医院与公用电网断开,然后管理 DER 以平衡发电与需求,并确保安全运行。并非仅在公用电网完全中断的情况下,才能与主电网断开连接。如果主电网出现不稳定,孤岛运行有助于保护敏感设备免受不良电能质量的有害影响。例如,局部性雷暴天气可能会导致大规模电压瞬变,这些瞬变可能会引发设施配电网扰动。随着医院中先进仪器和电器的数量不断增加,除了要关注新负载类型(如变速驱动器、LED 照明等)的数
33、量外,也要密切监控电气状况,并了解需要维持的电能质量阈值,以保证设备的可靠运行。如果情况趋于超过安全运行阈值,微电网控制系统可以激活孤岛模式来保护设施。施耐德电气 12 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 表 1 增多的分布式能源所提供的弹性水平。医院微电网可以根据目前的能力水平,适当地响应公用事业供给侧问题。随着 DER 利用水平的提高,更高的弹性是可能(见表 1)的。微电网控制能力 1 级 没有微电网-仅有备用电源:如果设施有备用发电机,但没有 UPS,医院将遭受短期断电,直到发电机组上线。如果有 UPS,就不会出现断电,因为 UPS 将为关键负载
34、供电,直到发电机组上线。备用系统通过自动转换开关(ATS)参与关键电路供电,如手术室、重症监护室、其他各种关键生命安全设备、数据中心等。如果发电机组足够大,甚至可以为整座设施供电。如果发电机组无法启动或无法持续运行,整座设施将会断电。此外,由于需要柴油燃料,发电机组的持续发电能力有限。2 级 带有可再生能源的微电网-无 CHP/CCHP:微电网系统与紧急备用发电机不冲突,备用发电机仍将作为抵御主电网故障的第一道防线。然而,如果备份发电机无法启动,或由于燃料耗尽而达到运行时间上限,微电网控制器可以启用 DER 资产,如太阳能和储能,以帮助关键电路供电。此外,如果备用发电机能够可靠地为关键电路供电
35、,微电网就可以使用 DER 来为医院的其他电路供电,在电网中断期间保持更多的医院服务正常运行。万一发生大规模自然灾害,这可能起到极为重要的作用。3 级 带有 CHP/CCHP 的微电网:CHP/CCHP 系统将持续运行,(至少)满足医院的部分电力需求。通常,CHP/CCHP 的规模可以满足热能需求,因此电网中的电力会增多。当电网中断时,微电网系统可以使用 CHP/CCHP 来实现从电网连接到孤岛模式的“无闪烁”转换。但是,为了确保 CHP/CCHP 能够为所有关键负载供电,微电网控制器可能需要使用快速减载方案,在短期内卸除非关键负载,直到备用发电机上线,以满足额外需求。这将避免 CHP/CCH
36、P 系统过载和离线跳闸的风险。如果 CHP/CCHP 的规模足以为整座设施供电,则完全不需要启动备用发电机组。4 级 带有 CHP/CCHP 和可再生能源的微电网 借助额外的 DER,微电网可实现几乎无上限的自主供电,具体取决于 CHP/CCHP 的燃料供应。额外的可再生能源(如太阳能、风能和储能)可作为 CHP/CCHP 供电的补充,为整座设施的额外负载供电。施耐德电气 13 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 成本节约和可持续发展机遇 图 8 先进的微电网能源分析整合了内外部数据,以支持决策和自动化控制方案。微电网不仅可以帮助医院提高弹性,更好地抵
37、御电网停电或电力不稳定,还有助于优化能源成本,最大程度地利用可再生能源。施耐德电气智能电网副总裁 Mark Feasel 表示:“十年前,弹性是你采购微电网的唯一理由,因为能源生产成本太高了,永远也不可能比电网便宜。如今,在美国的许多州,利用光伏和天然气 CHP 发电比买电更便宜。”18 即使在电网能源成本并不总是更高的地区,微电网也提供了许多节省成本的机会。这是因为微电网在公用事业及其客户之间建立了一种新的互动模式。美国电气和电子工程师协会(IEEE)指出,“非公用事业微电网将集中式单向电力系统转换为双向系统,并在电网边缘增加了新的供应和负载变量。”19 高级能源分析 IEEE 提及的供应变
38、量,指的是微电网的分布式能源。通过先进的工具和方法,可实现 DER 能源柔性和功用价值的完全变现。最先进的微电网解决方案提供整合外部数据的分析智能:天气预报 太阳能和风能的可用性 能源市场定价,包括电网电价以及天然气、氢气、柴油等其他燃料资源的定价 设施占用率预测和活动时间表(如电动汽车充电)能源管理分析层最常作为云托管服务提供。微电网分析应用与设施 BMS 系统的整合,将使资源和负载的协调优化成为可能。通过这种方式,微电网成为智能建筑的一个组成部分,使其能 18“发展中的微电网”,Greentech Media,2017 19“与微电网有关的公用事业和其他能源公司的商业案例问题”,IEEE,
39、2014 施耐德电气 14 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 够利用智能 BMS 的耗电功能,例如供热、制冷、调节日光和被动太阳能的百叶窗自动化等,来优化设施的能源状况。分析层对上面列出的所有相关关键绩效指标进行跟踪,并将其可视化。应用程序使用高级建模,根据天气预报和历史能源使用情况预测设施需求,然后确定生产、使用、存储或出售能源的最佳时间和方式。表 2 带有 DER 的微电网提供一系列有效的成本节约机会。分析层与微电网控制层协同工作,使用预定义算法和控制方案来优化可再生能源的使用,同时实现最经济的能源支出(见表 2)。微电网在现场发电、储能和可控负
40、载方面的柔性越大,医院可以利用的优化机会就越多。节约机会 微电网控制能力 场景 1:规避需求费 如果当地电力公司对医院开出的能源账单包括对引发过多需求高峰的罚款,那么可以使用微电网系统来动态地管理需求。如果系统预测设施总需求呈上升趋势并可能超过罚款阈值,微电网控制器可以使用以下两种方式中的任一种来降低电网能耗:1.消耗更多来自现场资源的能源。可包括可再生能源、储能或 CHP。2.暂时关闭非关键负载。当然,需要预先定义清楚哪些负载是非关键性的。例如,非关键负载可能包括电动车充电站,或提供洗衣热水的锅炉。与 BMS 的整合可能提供额外的选择。场景 2:电价管理 如果医院位于能源市场开放且价格波动较
41、大的地区,或受制于某种形式的可变电价结构(如按时段计价),微电网系统可以响应定价信号以优化设施能耗。可通过多种方式来实现这一点:1.确定何时消耗每种能源(或能源组合)具有经济性,比较电网价格与 CHP、可再生能源等。2.将一些负载转移到“非高峰”时段。这可以包括:对 BMS 进行编程,根据预测的太阳能供热情况,在不影响舒适度的情况下,对设施的某些区域进行预冷;帮助医院管理团队重新安排一些非关键性的活动。3.在电网能源价格低时储存能源。在电网价格高时消耗储存的能源。储存的能源可以来自电网(价格较低时),也可以来自现场的可再生能源。场景 3:参与需求响应(DR)计划 如果医院位于电网运营商提供“智
42、能电网”计划(例如需求响应)的地区,参与其中可以带来显著的经济效益。医院需要同意在电网电力供应紧张时减少部分能源消耗。减载通常需要在接到电网运营商通知的两小时或更短时间内进行。参与单位会收到与其可以减少的负载容量相应的预付款。微电网及柔性 DER 可用于优化 DR 计划的参与,通过提供使用本地发电或负载管理的选项来满足削减要求。这时,储能可以发挥巨大优势。响应削减负载要求消耗储能,可以有效地减少对电网能源的消耗。在某些情况下,电网运营商可能要求增加消耗。这时可以使用电网电力为电池充电。施耐德电气 15 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 储能也可用于为
43、电网提供辅助服务,如频率或电压支持。场景 4:优化可再生能源的自耗 在可用时,可以通过自耗低碳、低成本能源来减少与能源相关的温室气体排放,从而提高可持续性。微电网系统控制储能和现场太阳能/风能发电,以最大限度地利用这些可再生能源。如果医院与公用事业公司签订了“净计量电价”合同,微电网系统会在最经济的时候消耗或储存其生产的能源,而不是将这些能源出售给电网。微电网系统为医院提供了一种智能、透明的方式来管理其分布式能源,并提供了一种简单、自动化的方式,使医院可以作为能源产消者来参与智能电网计划。微电网平台综合考虑企业的能源、环境、经济需求,自动提出不同机会之间的最优套利方案。图 9 微电网通过在必要
44、时启用 DER,自动执行需求控制(A)和电价管理(B)。可再生能源和电网能源将在最佳时机得到储存。微电网集群:满足对更大优势的更高需求 在全球某些地区,电网运营商正在使用“聚合商”将电力用户有效地组合成更大的需求块,这些需求块被称为“虚拟电厂(VPP)”。随着更多用户开始在现场实施 DER,他们与其他 DER 所有者组合到一起,构成了微电网集群。微电网集群可能带来规模经济效益,为能源柔性变现提供更多机会。“多个微电网通过复杂的控制器进行通信并交换服务,以提高效率或价格,或实现其他预定目标。”20 微电网系统的高级分析层为电网运营商和聚合商使用的新兴智能电网 VPP 平台提供了有效的双向门户。2
45、0“分布式能源的演变”,Microgrid Knowledge,2018 当现场总消耗量(黑色)超过需求阈值时,增加使用本地能源供应使电网能源(蓝色)减少 在高峰期,通过利用本地能源资源来减少电网能源消耗 自动启用储能(绿色)和光伏发电(橙色),以减少对电网能源的消耗 自动启用储能和光伏发电,以减少对电网能源的消耗 执行微电网需求控制算法以限制需求峰值 自 动 运 行 现 场 消 耗(kW)本 地 生 产(kW)本 地 生 产(kW)现 场 消 耗(kW)自 动 运 行 施耐德电气 16 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 下一步 结语 相关资料 考虑
46、采用微电网解决方案的医院管理团队应寻找这样的供应商:在微电网设计和运行方面拥有丰富的经验,其解决方案包括所有形式的分布式能源、强大的微电网控制和先进的能源管理智能。提供先进的微电网设计工具,可验证 DER 资产在世界各地医院的可行性。提供成套的、预先设计好的微电网架构,使解决方案的实施、运行和维护更容易、更经济。提供多种融资和运营模式选择(例如客户自有,或能源即服务),以及可用的激励措施,使微电网负担得起,同时降低财务风险,实现回报最大化。对于医院来说,微电网每天都在提供价值,而不仅仅是在停电时。微电网允许使用 CHP、CCHP、可再生能源、燃料电池和储能,具备基于柴油的备用电源系统无法比拟的
47、优势。微电网通过先进的能源分析功能帮助优化和平衡电网与现场能源的使用,助力最大限度地提高弹性、降低成本并确保可持续性。微电网还符合所有适用的国家和地方法规。现在是医院团队采用微电网解决方案的最佳时机。这项技术已经成熟,相关解决方案比以往任何时候都更加经济实惠、易于实施。医院微电网“为医院建立有弹性的高效微电网:从设计到融资”,Schneider Electric,2019 “医疗微电网:医院走向更可靠、更清洁、更低成本能源的途径”,Microgrid Knowledge,2017 微电网 DER“分布式能源的演变”,Microgrid Knowledge,2018 “热电联产(CHP)技术在美
48、国的发展潜力”,美国 能源部,2016 “太阳能电池板成本和效率的历时变化”,Energy Sage,2019 “燃料电池和医院应用”,FCHEA 微电网融资与运营“排行榜:能源即服务解决方案提供商”,Guidehouse,2019 Q1 “能源即服务微电网金融决策者指南”,Microgrid Knowledge,2018 网络安全“确保安全:端到端网络安全生命周期框架”,施耐德电气 施耐德电气 17 新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性 Internal 作者简介 Markus Hirschbold(专业工程师,能源管理师,项目管理专业人士)Markus 负责创建施耐德
49、电气的物联网连接解决方案EcoStruxure Power,该解决方案旨在改善配电系统的各个方面。在施耐德电气工作的 20 多年里,他担任过研发、服务、电能质量、项目管理和产品营销方面的多个关键职位。Andy Haun(工学学士,工商管理硕士)作为施耐德电气北美运营部微电网首席技术官,Andy 负责推进电网边缘解决方案的技术路线图。在公司任职 30 多年间,他领导了多种关键产品的开发和多项技术创新,并拥有 21 项与电路保护、继电和电力控制相关的专利。作者们谨向以下贡献者致以感谢:来自施耐德电气:分析与人工智能团队仿真组高级专家 Patrick Beguery、智能电网营销经理 Francois Borghese、全球微电网业务开发人员 Francois Guillaume、项目开发与工程经理 Jake Friedman。来自 Expleo 集团:仿真工程师 Yassine Saad。编号 Rev 0 2019 施耐德电气。版权所有。