作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

用可持續(xù)綠色能源取代傳統(tǒng)電網(wǎng)能源被稱為電氣化。本文為 2 篇系列文章中的第 1 篇，將討論電氣化所面臨的一些挑戰(zhàn)，以及自動化如何幫助提高效率和可持續(xù)性。本系列文章的[第 2 篇]將討論能源與環(huán)境設計先導 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認證，以及它們如何能減少碳排放和提高可持續(xù)性。

電氣化是指用光伏 (PV) 和其他綠色技術取代使用石油、煤炭和天然氣等化石燃料發(fā)電的系統(tǒng)，用電動汽車 (EV) 取代內燃機汽車 (ICE)。電氣化系統(tǒng)以及將其連接在一起并支持智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的自動化技術的使用，是推動社會邁向更可持續(xù)、更綠色未來的重要因素。

如今的電網(wǎng)并非為大量電動汽車充電而設計，智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)預計將成為支持電動汽車廣泛取代內燃機汽車所需的關鍵技術。加利福尼亞州州長最近發(fā)布了一項行政命令，要求所有新銷售的汽車和輕型載客卡車到 2035 年都必須是零排放汽車 (EV)。智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的開發(fā)商必須滿足一系列令人生畏的國際標準，才能實現(xiàn)這一目標。例如，IEEE 已批準或正在制定 100 多個與智能電網(wǎng)相關的標準，其中包括美國國家科學技術研究院 (NIST) 智能電網(wǎng)互操作性框架和路線圖中列出的 20 多個 IEEE 標準。除 IEEE 標準外，微電網(wǎng)還受 IEC 62898 微電網(wǎng)系列標準和其他標準的制約。

本文為 2 篇系列文章中的第 1 篇。本文探討與實施電氣化、整合分布式能源資源 (DER) 有關的各項挑戰(zhàn)、智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的異同，以及自動化如何提高這些電網(wǎng)的效率和可持續(xù)性，具體包括支持電動汽車的普及。本文首先深入探討什么是分布式能源資源及其定位，最后探討公用事業(yè)微電網(wǎng)的出現(xiàn)如何模糊了微電網(wǎng)與智能電網(wǎng)之間的差異。無論實施方式如何，DigiKey 都能提供各種支持電氣化和分布式能源資源集成的[工業(yè)自動化產品]。第 2 篇文章探討如何在綠色建筑中利用電氣化和自動化技術來獲得能源與環(huán)境設計先導 (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 的認證。

什么是分布式能源資源？

北美電力可靠性公司 (NERC) 對此的定義是：“分布式能源資源是指配電系統(tǒng)中能夠產生電能的任何資源，且不包括在北美電力可靠性公司正式的大容量電力系統(tǒng)正式定義中”。

在北美，“配電系統(tǒng)”是指通常從變電站到最終用戶的 34.5 kV 或更低電壓的電力線路。大容量發(fā)電系統(tǒng) (BPS) 包括進入變電站的線路，這些線路通常長距離輸送 100 kV 以上的電壓，將大型大容量發(fā)電設施與互聯(lián)資源、變電站連接起來（圖 1）。

圖 1：配電系統(tǒng)中存在分布式能源資源（藍色）；大容量電力系統(tǒng)中存在其他可再生能源（綠色）。（圖片來源：NERC）

分布式能源資源是指任何非大容量系統(tǒng)資源，包括風力渦輪機和光伏裝置等發(fā)電裝置、蓄能裝置、大多數(shù)電池蓄能系統(tǒng) (BESS)、電動汽車電池充電器（也稱作電動汽車服務設備 (EVSE)）和微電網(wǎng)。分布式能源資源既存在于公用電表后面，也直接存在于配電系統(tǒng)中。在電表后面，分布式能源資源電源包括光伏陣列、電池蓄能系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)的電動汽車以及如數(shù)據(jù)中心和其他地點安裝的大型柴油發(fā)電機的備用電源。微電網(wǎng)是分布式能源資源的一種特殊類型。

智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)和電氣化

微電網(wǎng)是分布式能源資源的一種，但并非所有分布式能源資源都是微電網(wǎng)。從大容量發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，微電網(wǎng)和分布式能源資源指的是發(fā)電或蓄能資源的類型。所謂智能電網(wǎng)，是指大容量發(fā)電系統(tǒng)為確保彈性和高效運行而使用的通信和控制技術。另一個區(qū)別是，微電網(wǎng)包括發(fā)電和蓄能資源以及負載。智能電網(wǎng)主要由發(fā)電資源組成，帶一些蓄能資源，但無負載。智能電網(wǎng)可以與負載通信，但它們與電網(wǎng)相隔離。

電氣化以不同的方式影響著微電網(wǎng)、大容量發(fā)電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)。在大容量發(fā)電系統(tǒng)中，在現(xiàn)有電網(wǎng)中進行電氣化，如果管理不當，可能會產生人們不愿看到的運行后果。這時候，智能電網(wǎng)技術就有用武之地了。

雙向通信和控制是智能電網(wǎng)的顯著特點。這些控制系統(tǒng)包括用于監(jiān)測電網(wǎng)穩(wěn)定性的傳感器、用于監(jiān)測用電需求的先進電表?？刂葡到y(tǒng)還使用各種可控電源開關和電能質量裝置來管理電力流。傳感器對于提高可再生能源 (RE) 的占有率、大容量發(fā)電系統(tǒng)的電氣化水平以及確保電網(wǎng)穩(wěn)定至關重要。此外，傳感器和控制元件還能更快、更有效地應對電力干擾，實現(xiàn)電網(wǎng)的平衡與安全，尤其是在用電需求高峰期和可再生能源供應不穩(wěn)定的情況下。智能電網(wǎng)技術還支持微電網(wǎng)與配電系統(tǒng)、大容量發(fā)電系統(tǒng)的之間的協(xié)調與集成。

相反，微電網(wǎng)是為了適應可再生能源、電池蓄能系統(tǒng)和電動汽車等電氣化技術。微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)需要自動控制，包括分布式能源資源管理 (DERM) 系統(tǒng)。

分布式能源資源管理是必選

在智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)中， 分布式能源資源管理和自動化的定義和實施方式有所不同。智能電網(wǎng)包括分布區(qū)域廣闊的各種發(fā)電資源和電力用戶，以及一個用于電網(wǎng)管理的集中式控制中心（圖 2）。電網(wǎng)管理是大容量發(fā)電系統(tǒng)中智能電網(wǎng)控制的關鍵概念?，F(xiàn)有的大容量發(fā)電系統(tǒng)是在需要支持電氣化之前設計、建造的，隨著可調度（可控制）的化石燃料發(fā)電越來越多地被不可預測（因此可控性較差）的可再生能源所取代，這些大容量發(fā)電系統(tǒng)可能會出現(xiàn)運行不可靠的情況。此外，為大量電動汽車充電大多時非調度性的，且電力公司無法對其進行直接控制。由于用于電氣化和電動汽車充電的可再生能源不像傳統(tǒng)公用電網(wǎng)那樣可以預測，因此需要通過智能電網(wǎng)技術實現(xiàn)集中自動控制，以彌補這一不足。

圖 2：智能電網(wǎng)依靠自動控制器和分布式能源資源管理進行實時電網(wǎng)管理。（圖片來源：ETAP）

智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)控制器需要來自各種傳感器發(fā)出的信息，以實時監(jiān)控所連接的資源。隨著電動汽車和電動汽車服務設備 (EVSE) 的出現(xiàn)，控制器還有助于管理充電時的用電需求，并可利用車聯(lián)網(wǎng) (V2G) 通信協(xié)調電動汽車與電網(wǎng)或微電網(wǎng)之間的連接，以提供增量式蓄能能力。

除了監(jiān)控已連接資源的狀態(tài)外，并網(wǎng)微電網(wǎng)的控制器還必須監(jiān)控當?shù)毓秒娋W(wǎng)的狀態(tài)。開關設備是智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的重要組成部分，必須能在幾毫秒內做出響應，以確保穩(wěn)定、可靠的運行。開關設備的功率大小不一，從小型微電網(wǎng)的幾千瓦 (kW) 到大型微電網(wǎng)和公用電網(wǎng)的數(shù)兆瓦 (MW) 不等。對于小型微電網(wǎng)來說，開關設備和控制器可安裝在同一個機柜中，以降低成本并加快安裝速度。智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的分布式能源資源管理包括對電能生產和電能消耗進行智能計量。這種智能計量通過基于云的分析，能夠最大限度地提高分布式能源資源管理的經濟效益，并支持高水平的復原力。微電網(wǎng)類型不同，所采用的分布式能源資源管理的具體架構也可能不同。

微電網(wǎng)的種類

微電網(wǎng)可按其應用和架構進行分類。微電網(wǎng)包括偏遠、聯(lián)網(wǎng)和并網(wǎng)式三種架構。偏遠微電網(wǎng)位于島嶼或偏遠的礦區(qū)、農業(yè)區(qū)等地點。這類微電網(wǎng)也被稱為離網(wǎng)微電網(wǎng)，它們與任何公用事業(yè)的大容量發(fā)電系統(tǒng)都是相隔離的。這類微電網(wǎng)必須能夠完全自給自足。

聯(lián)網(wǎng)或嵌入式微電網(wǎng)是由多個獨立的分布式能源資源或者與公用配電系統(tǒng)相連的微電網(wǎng)組成的電力網(wǎng)絡。這類電網(wǎng)通常由集中監(jiān)控系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)可在微電網(wǎng)運行需求與是否支持更廣泛的公用電網(wǎng)之間取得平衡?？刂破魍ǔξ㈦娋W(wǎng)和分布式能源資源的重要性進行分級，以保證最關鍵的部分得到保護。聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)的應用包括社區(qū)微電網(wǎng)、智慧城市和新興公用事業(yè)微電網(wǎng)。

聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)是并網(wǎng)微電網(wǎng)的一個子類。所有并網(wǎng)微電網(wǎng)都與配電網(wǎng)連接，并在與配電網(wǎng)連接的共用耦合點 (PCC) 處安裝開關設備。正常運行時，并網(wǎng)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)相連。并網(wǎng)微電網(wǎng)可為電網(wǎng)進行頻率和電壓調節(jié)、支持有功和無功功率以及響應用電需求，從而緩解容量模擬。

在孤島運行模式下，微電網(wǎng)不與公用配電網(wǎng)連接。出現(xiàn)孤島的原因可能是由于配電網(wǎng)中斷，或者是出于如維護等其他需要。從孤島運行過渡到并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)需要檢測配電頻率，并在重新連接前實現(xiàn)同步運行。

微電網(wǎng)的應用領域非常廣泛，包括校園、醫(yī)院和醫(yī)療中心、商業(yè)設施、社區(qū)和工業(yè)設施。最新的應用種類是公用事業(yè)微電網(wǎng)（圖 3）。

圖 3：微電網(wǎng)通常按其應用進行分類。（圖片來源：[Siemens]）

模糊界限

正在部署的公用事業(yè)微電網(wǎng)模糊了智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的界限。在此過程中，分布式能源資源的定義從分布式能源資源變?yōu)閷Ｓ媚茉促Y源。公用事業(yè)微電網(wǎng)旨在減少因極端天氣、野火和其他不可預見的事件造成的停電。在現(xiàn)有電網(wǎng)架構中，為了確保極端事件發(fā)生時的安全，電網(wǎng)的大部分區(qū)域在此時都是斷電的。

這些非計劃大面積停電造成的一個嚴重且不幸的影響就是阻礙了電動汽車的使用。公用事業(yè)微電網(wǎng)被視為電動車普及的關鍵。例如，南加州愛迪生公司 (SCE) 建議開發(fā)公共安全斷電微電網(wǎng)，以幫助在野火期間盡可能廣泛地維持電力供應。其他公用事業(yè)公司將新電網(wǎng)架構稱為社區(qū)微電網(wǎng)（圖 4）。

圖 4：公用事業(yè)微電網(wǎng)可包括分布在相對較廣的地理區(qū)域內的各種資產，并模糊了傳統(tǒng)微電網(wǎng)與智能電網(wǎng)之間的界限。（圖片來源：Edison International）

公用事業(yè)微電網(wǎng)的孤島功能是相比目前在更細粒度水平上提高電力利用率的關鍵所在。該功能預計將部署在各種規(guī)模的微電網(wǎng)中，從完整的住宅社區(qū)到公共場所，包括學校和消防站、醫(yī)療中心和疏散中心等其他戰(zhàn)略地點。在大多數(shù)社區(qū)微電網(wǎng)的設計中，電動汽車服務設備是至關重要的一部分。按照設想，電動汽車供電系統(tǒng)將支持電動汽車并網(wǎng)，在為電動汽車供電的同時作為額外備用電源。

結束語

電氣化是確保電網(wǎng)更具可持續(xù)性和減少 CO2 排放的必要條件。如光伏能源和電動汽車等許多電氣化技術，并不像它們所替代的傳統(tǒng)資源那樣具有可預測性。這意味著電氣化必須依賴智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)中先進傳感器網(wǎng)絡和自動控制系統(tǒng)。