微電網(wǎng)和 DER 如何最大限度地提高工業(yè)、商業(yè)設(shè)施的可持續(xù)性和恢復力

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

如太陽能、風能、熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP)、電池儲能系統(tǒng) (BESS)，甚至傳統(tǒng)發(fā)電機等分布式能源資源 (DER)，都能極大地促進商業(yè)和工業(yè)設(shè)施的可持續(xù)性和恢復能力，而且將這些能源資源組合成一個微電網(wǎng)，通過自動化控制系統(tǒng)以智能方式協(xié)調(diào)、管理能源的產(chǎn)生、流動、存儲和消耗時，效果尤其明顯。

為了最大限度地提高微電網(wǎng)的環(huán)境和經(jīng)濟效益，控制器必須能夠?qū)崟r平衡 DER 的運行和集成，并能夠管理諸如照明、供暖通風和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)、電動汽車 (EV) 充電和信息技術(shù)裝置等智能負載，利用歷史需求信息預(yù)測未來的負載狀況，提供與公用電網(wǎng)之間的安全、高效的連接，以及利用實時能源價格數(shù)據(jù)來支持需求響應(yīng)功能。

本文將回顧微電網(wǎng)的組成要素，介紹微電網(wǎng)架構(gòu)，概述 IEEE 1547（該標準規(guī)定了 DER 互連的要求）和 IEEE 2030（該標準規(guī)定了描述微電網(wǎng)控制器功能的全面技術(shù)流程），然后探討微電網(wǎng)控制器如何增強可持續(xù)性、恢復力和經(jīng)濟效益，最后簡要介紹微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題。

微電網(wǎng)需要什么？

微電網(wǎng)有許多實施方式和組成部分。要討論微電網(wǎng)和 DER 如何最大限度地提高可持續(xù)性和恢復力，最好從了解微電網(wǎng)組件和架構(gòu)的定義和一些示例開始。美國能源部 (DOE) 將微電網(wǎng)定義為“在明確界定的電力邊界內(nèi)，一組相互連接的負載和分布式能源資源，相對于電網(wǎng)而言，它們是單一的可控實體。微電網(wǎng)可以與電網(wǎng)連接和斷開，使其能夠以并網(wǎng)或孤島模式運行”。

雖然微電網(wǎng)的定義簡單明了，但在建設(shè)微電網(wǎng)時，需要在一系列微電網(wǎng)類別、運行模式和可能的子系統(tǒng)中進行選擇；要實現(xiàn)微電網(wǎng)的最大可持續(xù)性和恢復力，需要在建筑和運行方面做出許多選擇。自動化是一個重要的考慮因素。自動化子系統(tǒng)的示例包括（圖 1）：

• 微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電，包括各種不同的 DER 和 CHP
• 配電網(wǎng)絡(luò)
• BESS
• 如 HVAC 系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)施中的機器和電機等負載
• 管理電動汽車充電和車聯(lián)網(wǎng) (V2G) 連接
• 微電網(wǎng)控制器和開關(guān)柜
• 與公用電網(wǎng)的互聯(lián)，用于并網(wǎng)裝置

圖 1：微電網(wǎng)可包括各種不同的 DER、CHP 和負載。（圖片來源：Schneider Electric）

微電網(wǎng)的分類

微電網(wǎng)可按離網(wǎng)或并網(wǎng)進行分類：

離網(wǎng)設(shè)施主導型是最常見的微電網(wǎng)類型。使用案例包括無商業(yè)公用電網(wǎng)服務(wù)的偏遠地區(qū)，如礦山、工業(yè)場所、山區(qū)住宅和軍事基地。

偏遠地區(qū)也有離網(wǎng)社區(qū)主導型。使用案例包括偏遠村莊、島嶼和社區(qū)。雖然設(shè)施主導型微電網(wǎng)由單一實體控制，但社區(qū)主導型微電網(wǎng)必須滿足一群用戶的需求。這類微電網(wǎng)可能需要更復雜的指揮和控制系統(tǒng)。

并網(wǎng)設(shè)施只有一個所有者，且在主電網(wǎng)不可靠而又需要供電的地區(qū)，或在微電網(wǎng)所有者提供的可甩負荷和其他服務(wù)有經(jīng)濟激勵的情況下，并網(wǎng)設(shè)施用于提高可靠性。使用案例包括醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、連續(xù)加工制造廠和其他高利用率建筑。

并網(wǎng)社區(qū)有多個能源用戶和生產(chǎn)商與主電網(wǎng)相連，并作為一個單一實體進行管理。使用案例包括企業(yè)或大學校園、村莊和小城市。這些地方可能有各種各樣的能源用戶、生產(chǎn)商和儲存設(shè)施，其控制也最為復雜。

微電網(wǎng)有時是一座孤島

除了討論微電網(wǎng)的組成部分之外，DOE 的定義還提到了微電網(wǎng)在“并網(wǎng)模式和孤島模式”下的運行。這些模式的定義簡單明了，但實施起來卻比較復雜，一些 IEEE 標準對此做了相應(yīng)的規(guī)定。

IEEE 1547-2018 分布式資源與電力系統(tǒng)的互連標準詳細介紹了 DER 與電網(wǎng)互連互通的技術(shù)要求。IEEE 1547 是一個不斷進化的標準。IEEE 1547 的早期版本是為低 DER 滲透率水平而制定的，并未考慮 DER 對大容量電力系統(tǒng)潛在的區(qū)域累積影響。IEEE 1547-2018 增加了有關(guān)電壓和頻率調(diào)節(jié)以及穿越能力的更嚴格要求，以提高輸電系統(tǒng)的可靠性。最近，又增加了 1547a-2020 修正版，以適應(yīng)異常運行情況。

IEEE 2030.74 用兩種穩(wěn)態(tài) (SS) 運行模式和四種轉(zhuǎn)換 (T) 類型描述了微電網(wǎng)控制器的功能（圖 2）：

• SS1 即穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)模式，將微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)相連?？刂破骺衫梦㈦娋W(wǎng)中的組件為電網(wǎng)提供諸如削峰、頻率調(diào)節(jié)、無功功率支持和斜坡管理等服務(wù)。
• SS2 即穩(wěn)定島模式，也稱為“孤島”模式，是指微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)斷開并隔離運行。控制器需要平衡負載、微電網(wǎng)發(fā)電和儲能服務(wù)，以維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
• T1 是指按計劃從并網(wǎng)模式過渡到穩(wěn)態(tài)孤島模式。即使在公用電網(wǎng)可用的情況下，也可能會存在經(jīng)濟或運行方面的激勵因素促使人們轉(zhuǎn)而采用孤島模式。此外，這種模式還可支持微電網(wǎng)運行測試。
• T2 是指從并網(wǎng)模式到穩(wěn)態(tài)孤島模式的非計劃過渡。這類似于數(shù)據(jù)中心的不間斷電源的運行，通常在主電網(wǎng)發(fā)生故障時投入使用。微電網(wǎng)可無縫斷開，作為獨立的電力網(wǎng)絡(luò)運行。
• T3 指的是孤島與公用電網(wǎng)的重新穩(wěn)態(tài)連接。這是一個復雜的技術(shù)過程，微電網(wǎng)上的“電網(wǎng)形成”發(fā)電機會感知電網(wǎng)電源的頻率和相位角，并在重新連接之前將微電網(wǎng)與主電網(wǎng)精確匹配。
• T4 是進入穩(wěn)態(tài)孤島模式的黑啟動。在這種情況下，微電網(wǎng)發(fā)生故障，且必須與公用電網(wǎng)隔離，然后以孤島模式重新啟動。之所以出現(xiàn)這種情況，可能是因為微電網(wǎng)控制器無法通過 T2 穩(wěn)定過渡來應(yīng)對意外停電，也可能是孤島無法發(fā)出足夠的電能或蓄能不足以繼續(xù)向所有負載供電，且必須在發(fā)電機投入前切斷所有非必要負載。此外，微電網(wǎng)上的任何 BESS 在重新連接之前都必須至少進行部分充電。

圖 2：IEEE 2030.74 要求微電網(wǎng)控制器能夠適應(yīng)兩種穩(wěn)態(tài)條件和四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。（圖片來源：National Rural Electric Cooperative Association）

實施微電網(wǎng)

DER 和負載的組合幾乎與微電網(wǎng)一樣多，但自動控制器和開關(guān)設(shè)備是其共同元素。在大型微電網(wǎng)（如上圖 1 所示）中，微電網(wǎng)通常分為中央控制室、用于 DER 和負載的分布式開關(guān)設(shè)備，以及用于并網(wǎng)設(shè)計的變電站（作為微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)之間的開關(guān)設(shè)備）。

微電網(wǎng)控制器需要信息，且為了最大限度地增強恢復力、可持續(xù)性，還需能夠快速反應(yīng)?？刂破骼?a target="_blank">傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控 DER 和負載的運行情況。對于并網(wǎng)型微電網(wǎng)，控制器還能監(jiān)控本地公用電網(wǎng)的狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常，控制器會在幾毫秒內(nèi)做出反應(yīng)，并向相關(guān)的 DER、負載或開關(guān)設(shè)備發(fā)送指令。

開關(guān)設(shè)備的功率從幾千瓦到幾兆瓦不等，需要在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)控制器的要求，否則可能會出現(xiàn)嚴重的故障。有些開關(guān)設(shè)備具有智能斷路器，可自動運行，提供額外保護。

對于較小的裝置，控制器和開關(guān)設(shè)備可合并為一個設(shè)備，有時稱為能源控制中心 (ECC)。ECC 可在工廠進行預(yù)接線、組裝和測試。ECC 簡化并加快了微電網(wǎng)的安裝，可管理多種能源，包括電網(wǎng)電力和具有優(yōu)先負載的 DER。例如，[Schneider Electric]為樓宇級微電網(wǎng)提供了 ECC 1600 / 2500 系列 ECC（圖 3）。ECC 1600/2500 系列的部分功能包括：

• 可根據(jù)訂單進行配置，額定功率從 100 kW 到 750 kW 不等，并可針對現(xiàn)有建筑或新建筑進行優(yōu)化
• 可與光伏、BESS、風能、燃氣和柴油發(fā)電機等多種 DER 配合使用
• 控制器可實現(xiàn)停電期間的恢復能力，包括將光伏發(fā)電與備用發(fā)電機或 BESS 等資源一起使用
• 自動智能計量可提供有關(guān)電能質(zhì)量、能源使用和 DER 生產(chǎn)的信息
• 配電母線為 1,600 A 至 2,500 A 的開關(guān)設(shè)備
• 基于云的分析，最大限度地提高 DER 的恢復能力和投資收益

圖 3：ECC 將微電網(wǎng)控制器（左）和開關(guān)設(shè)備（右）合二為一。（圖片來源：Schneider Electric）

安全可靠的能源

網(wǎng)絡(luò)安全是能源安全和恢復力的一個重要方面。國際能源機構(gòu) (IEA) 將能源安全定義為“以可承受的價格不間斷地提供能源”。微電網(wǎng)可以極大地促進確保低成本、安全和有彈性的能源供應(yīng)。

通信是微電網(wǎng)的基本要素。這意味著要與云進行通信，可能還需要與本地公用電網(wǎng)進行通信，以優(yōu)化性能。此外，構(gòu)成典型微電網(wǎng)的各種 DER 和負載來自不同的制造商，且采用不同的通信協(xié)議和技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)連接和無線技術(shù)（如 Wi-Fi）幾乎在所有微電網(wǎng)中都能看到，它們對實現(xiàn)最大效益至關(guān)重要。它們還支持輔助功能，如收集天氣預(yù)報信息以及燃料和能源的實時價格。

確保網(wǎng)絡(luò)安全是非常復雜的任務(wù)。除安全硬件外，還需要相應(yīng)的政策、程序和人員來解決網(wǎng)絡(luò)漏洞問題，這些漏洞可使攻擊者訪問敏感的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)，甚至篡改控制軟件，損壞微電網(wǎng)運行?？植婪肿又皇且环矫?；還要考慮競爭對手或不擇手段的員工。操作人員可能會出錯，網(wǎng)絡(luò)可能因軟件過時而存在未知漏洞等（圖 4）。對于網(wǎng)絡(luò)安全問題，不能事后諸葛亮。必須從一開始就將其設(shè)計到微電網(wǎng)硬件、軟件和流程的各個方面，這樣才能做到有效。

圖 4：人員、流程和物理安全漏洞形成的缺陷都可能成為微電網(wǎng)的攻擊向量。（圖片來源：Schneider Electric）

結(jié)語

微電網(wǎng)將眾多 DER 和負載整合到同一個系統(tǒng)中，以最大限度地提高電源的可持續(xù)性和恢復力。有多種微電網(wǎng)架構(gòu)可用來支持具體的能源和連接需求。微電網(wǎng)數(shù)量的不斷增加和 DER 的日益普及，推動了 IEEE 1547 互聯(lián)標準的演變，并使得微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全日益受到關(guān)注。