斯德哥尔摩除了「综合症」还有分布式能源
1973年8月23日，两名有前科的罪犯简-艾瑞克·欧尔森与克拉克·欧洛弗森，抢劫瑞典斯德哥尔摩内位于诺玛姆斯托格广场最大的一家信贷银行，并挟持了四位银行职员。在与警察僵持了130个小时后，歹徒最终投降。然而这起事件发生后几个月，4名曾经遭受挟持的银行职员，仍然对绑架他们的人显露出怜悯的情感，表明并不痛恨歹徒，表达他们对歹徒不但没有伤害他们却对他们多加照顾的感激，并且对警察采取敌对的态度，在案件发生后被挟持者不愿意在法庭指出歹徒，在挟持案件当中被挟持者还与歹徒成为朋友。
这两名抢匪劫持人质达5日之久，在这期间他们威胁受俘者的性命，但有时也表现出仁慈的一面。在出人意表的心理错综转变下，4名人质抗拒政府最终营救他们的努力。斯德哥尔摩综合征因为在斯德哥尔摩人质挟持事件中被发现而得名。
然而，分布式能源资源则完全是另外一个话题，他既不是加害者，也不是滥用同理心的自嗨消费群体，他是迈向未来零碳新生活的典型方式。
今天，全球为扭转预期的气候变化而努力，瑞典的能源基础设施将与这个愿景相结合。因此，瑞典的能源政策也朝着实现其具有挑战性的未来而转型。到2030年，瑞典计划将交通运输的排放量减少70％，到2040年实现100％的无化石燃料发电，并在2045年之前实现零温室气体排放。考虑到当前的能源和交通基础设施，尤其是在城市地区，实现这些目标将面临巨大的挑战。
当前，斯德哥尔摩地区正面临总的供电容量限制，输电系统运营商（TSO）Svenska Kraftnät（SvK）已通知斯德哥尔摩市本地配电网络运营商（DNO）Ellevio AB，到2030年电力供应的上限为1.5 GW。
考虑到SvK可用功率的限制，有必要找出现有的配电网络是否有足够的剩余能力来满足电动汽车和热泵可能带来的需求增加。因此，Ellevio AB参加了一项KTH皇家技术学院的研究项目。KTH和Ellevio AB将在该研究项目的框架内进行了合作，该项目被称为“面向未来的智能坚强电力基础设施”。
合作项目研究
选定的配电网络研究领域是在斯德哥尔摩东南部的Hammarby Sjöstad社区。Hammarby Sjöstad社区以将可持续发展纳入城市规划的方法而闻名，被全球公认为是一项非常成功的城市改造项目。如今，大约70％的区域已经完成开发。预计完工后，它将拥有12,000个住宅单元、31,000居民并创造10,000个就业机会。
Hammarby Sjöstad中压配电网络单线图。
作为成功案例的一部分，该社区使用了智慧能源、电动交通和作为共享经济测试平台的多个演示案例。这使得Hammarby Sjöstad很自然地成为各种分布式能源（DER）的早期采用者，由此也成为Ellevio AB研究的理想开发和测试用例。
在该地区建立了由公民倡议驱动的ElectriCITY计划，以使出租房屋所有者协会和居民参与开发有关气候问题的具体能源解决方案。ElectriCITY的两个重点项目是“家用充电”和“家用节能”计划。
系统基本负荷的分布。
前一个项目利用政策激励措施在家庭中安装了充电基础设施，其预期结果是激励居民购买插电式电动汽车（PEV）。后一个项目的重点是减少住房协会的能耗并节省相关费用。结果，越来越多的客户决定断开传统的供热网络，并在其建筑物中安装住宅热泵（HP）来实现节能。
网络模型
Hammarby Sjöstad网络由9个12 / 0.4 kV配电变电站组成，这些变电站的电源来自30/12 kV Hammarby Sjöstad主变电站，通过7条12 kV地下电缆链接。配电变电站分别根据接入的客户类型进行分类，包括六个住宅变电站（RS1至RS6）、一个商业变电站（CM1）和两个混合变电站（MX1和MX2）。九个配电变电站安装的12 / 0.4-kV变压器容量如下：
» RS1, RS4, RS5, RS6, CM1, MX1, MX2各有两台800 kVA变压器
» RS2和RS3各有两个1000 kVA变压器
使用基于Python的工具对网络的潮流进行分析，从而在Hammarby Sjöstad中建立了配电网模型。为了描述配电网络的相关性，Ellevio提供了有关变压器额定值、低压地下电缆属性、连接的客户特性、潮流测量、最大变压器负载和系统拓扑的数据。在该区域内，每种类型的变电站的可用变压器容量相对于峰值负荷需求的百分比分别为：混合变电站21.1％，商业10.5％以及住宅68.4％。
在不受控制的负荷情况下，电动汽车充电或家用热泵的最大允许容量。
根据配电网络运营商提供的每小时网络负载，选择了六个关键小时进行分析。关键小时是基于对中压（MV）馈线的总体需求较高（全局最大值）或特定变电站的峰值负载（局部最大值）来选择的。分别统计了1月，9月和12月。
最大负载方案
该研究计算了配电网络可以提供的额外负载的最大渗透水平，而对于所有中压/低压（LV）变电站以及确定的每个关键小时，配电网都不必进行容量升级也不会违反电压限制。根据电动汽车充电和住宅热泵的数量来量化这种额外的负载，因此进行了以下假设：
» 假设电动汽车充电是从标准单相230V，16A插座进行的，充电器的功率因数为0.95。
» 住宅热泵的年平均效能系数为3.2，该建筑物的区域需要供暖能力为170 kWth（空间供暖和热水）。
1月24日，住宅变电站的累积负荷曲线，显示了Nord Pool三个不同小时的电价。
不受控制的负载
以关键负荷分析为起点，首先评估最严峻的瞬时负荷叠加需求。本质上，在关键时刻可以同时连接多少个分布式能源资源？（即电动汽车充电或住宅热泵）才能够不导致地下电缆和变压器超载或违反规定的电压限制。
结果证实，可连接的电动汽车充电或住宅热泵的最大数量根据配电变电站上的现有负载而变化。但是，总体而言，可以同时将1793到2496个电动汽车充电或120 到170 个住宅热泵连接到网络。
负荷管理
该评估提供了一个基准，即负载不受控制和同时使用的极端情况，但未考虑行为假设或负载管理策略。因此，进行了比较以确定在管理和控制这些负载时可以实现的电动汽车充电和住宅热泵的容纳级别。
考虑到Hammarby Sjöstad配电网中居民变电站的优势以及每个变电站的负载特性相似，该研究涵盖了9个变电站中的6个。在到目前为止研究的关键小时中，选择了2016年1月24日的日负荷曲线进行分析。根据Hammarby Sjöstad附近两个正在进行的“家庭充电”和“家庭能源”项目，得出了每天的负荷曲线，用于车辆充电和家庭供暖。
生成这些配置时，测试了两种情况。在第一种情况下，假设连接的住宅热泵和电动汽车充电的数量与第一次评估中计算的数量相同，在这种情况下，假设负载是以照常运行（不受控制）的方式运行的。第二种情况是基于价格信号来控制负载，同时增加负载的渗透程度（分布式能源资源的容量）。对于这种情况，假设网络中的客户将直接使用Nord Pool的电价。
对于每种类型的负载、对方案的渗透程度（分布式能源资源的容量）、系统损耗和成本进行了比较。试验使用具有不同配置方案的配电网络模型并验证没有超出限制。由于电动汽车充电和住宅热泵的负载曲线行为不同，因此必须针对每种情况做出单独的假设。
电动汽车充电负载管理
在不受控制的电动汽车充电充电模式中，一旦将车辆连接至电源插座，即会进行充电，在这种情况下，假定是在居民用户回家后的傍晚。考虑到在44分钟内平均每天行驶36公里（22.38英里），能源消耗为0.17 kWh / km（0.27 kWh /英里），充电效率为88％。因此，总电量需求为约7 kWh，而充电机功率一般为3kW，所以假定所有电动汽车充电的充电时间为两个小时。
为了生成价格受控的配置，使用了与非受控方案相同的计费期。但是，充电时间被转移到电价最小的时候进行。因为此充电周期与配电网络上的负载较低时相吻合，所以在这种情况下，与不受控制的情况相比，可以增加连接到每个变电站的车辆数量。
在潮流模型中评估了这两个配置对配电网络的可行性和影响，包括对系统损耗和充电成本的评估。
对于电动汽车充电，可以将车辆数量增加3倍，但这导致价格受控的情况比不受控的情况下的系统损失多了144.6％，成本增加了134.4％。对于所消耗的总能量，在不受控制和受控制的情况下，损耗分别相当于0.11％和0.24％。就总电费而言，在非控制项下充电成本为5.27％，在控制项下充电成本为11.54％（车的数量增加3倍哦，11.54%<3*5.27%）。在不受控制的情况下，每辆车的具体收费成本为0.18欧元（0.198美元），在价格控制的情况下为0.14欧元（0.154美元）。
住宅热泵负载管理
在不受控制的住宅热泵曲线中，加热负荷遵循住宅变电站的总负荷曲线。由于在配电网络中为每个变电站安装的住宅热泵数量与高峰小时需求相对应，因此，同时连接的泵的数量与每小时的基本负荷成线性比例关系。
住宅热泵负载的价格控制配置基于减载原理。在高峰需求时间内，住宅热泵断开了，但是为了平衡这一点并在被加热的空间中保持舒适的温度，当电价便宜时，在高峰负载之前的几个小时内负载增加了。由于在这几个小时中配电网络上的负载较低，因此可以增加连接到网络的住宅热泵数量。
电动汽车充电特性，适用于不受控制和价格受控的情况。
适用于不受控制的方案的住宅热泵负荷特性。
在潮流模型中评估了住宅热泵对配电网络，系统损耗和供热成本的影响。
对于住宅热泵，可以将连接泵的数量增加1.3倍，而价格控制方案的系统损失比非控制方案的情况少8.5％，成本减少24％。对于所消耗的总能量，在不受控制和受控制的情况下，损失分别相当于0.61％和0.56％。就总电费而言，相当于非控制下供暖费用占30.6％和受控下占23.9％（连接的热泵数量为非受控的1.3倍）。在不受控制的情况下，每住宅热泵的特定成本为21.80欧元（24美元），在价格控制的情况下为12.70欧元（14美元）。
分享结果
研究结果表明，Ellevio无需配网投资即可同时连接电动汽车充电和住宅热泵。但是，这项研究基于这样一个假设，即在最关键的时刻，电动汽车和住宅热泵都是以不受控制的方式连接。
这项研究的结果通过居民的ElectriCITY论坛与居民分享。这有助于他们了解配电网络当前的局限性以及公用事业公司克服这一问题的计划。
目前，斯德哥尔摩的私家车保有量约为每千名居民370辆，因此，如果Hammarby Sjöstad拥有2万名居民，则预计将有7400辆私家车。
未来研究
在这项研究中，对斯德哥尔摩的Hammarby Sjöstad地区的配电网络在关键负荷一天进行了六个关键负荷小时的分析，以确定现有基础设施是否可以接受大规模的分布式能源资源，尤其是电动汽车充电和住宅热泵。结果为Ellevio提供了在关键时间内可以同时连接的电动汽车充电或住宅热泵的容量，而无需进一步投资。
在这种情况下，最大数量可作为规划外部电网所需的配电网络容量的参考。但是，对于该区域内的选定配电变电站（例如RS1），结果是可能处于边界，表明可能需要尽早升级容量。
结果还表明，通过采用负荷管理策略，可以增加分布式能源资源的渗透水平，同时降低单位额外负载的成本。对于电动汽车充电，与不受控制的情况相比，通过负载控制策略使得充电渗透水平提高了3倍。这些结果有助于确定配电网络中可能存在的局限性和容量不足，以确保将来为强大的能源基础设施进行更优的规划。
最后，本研究是在孤立考虑电动汽车充电和住宅热泵负载的情况下进行的，而实际上这些负载的增加将同时发生。尽管本研究中以电动汽车充电和住宅热泵的数量为基准，但未来的研究将需要根据N-1标准来检查配电网络的安全性。
Monika Topel （monika.topel@energy.kth.se）是位于瑞典斯德哥尔摩的KTH皇家技术学院的博士后研究员。她受雇于智能能源基础设施集团的能源技术部门，负责斯德哥尔摩市的电力基础设施以及如何实现即将到来的气候目标。
Josefine Grundius （josefine.grundius@ellevio.se）是Ellevio AB的规划人员，她的主要工作是城市和农村配电网络的风险分析以及地理信息系统和空间分析。Grundius之前从事与斯德哥尔摩的配电网络相关的投资项目。
想要查询更多的信息，请访问：
Ellevio | www.ellevio.se
Nord Pool | www.nordpoolgroup.com
Svenska Kraftnat | https://svk.se
Stockholm Researches the Impact of DERs
https://www.tdworld.com/distributed-energy-resources/article/21132571/stockholm-researches-impact-of-ders-on-grid
Will the mass introduction of electric vehicles and heat pumps lead to a brighter sustainable future or a total blackout in Stockholm?
Josefine GrundiusMonika Topel
JUL 28, 2020
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