利用電氣化和自動(dòng)化構(gòu)建更高效、更可持續(xù)的電網(wǎng) - 第 1 篇（共 2 篇）

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(dòng)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(shè)計(jì)先導(dǎo) (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 認(rèn)證，以及它們?nèi)绾文軠p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(shù)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(dòng)汽車 (EV) 取代內(nèi)燃機(jī)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(dòng)化技術(shù)的使用，是推動(dòng)社會(huì)邁向更可持續(xù)、更綠色未來(lái)的重要因素。

如今的電網(wǎng)并非為大量電動(dòng)汽車充電而設(shè)計(jì)，智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)預(yù)計(jì)將成為支持電動(dòng)汽車廣泛取代內(nèi)燃機(jī)汽車所需的關(guān)鍵技術(shù)。加利福尼亞州州長(zhǎng)最近發(fā)布了一項(xiàng)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(kāi)發(fā)商必須滿足一系列令人生畏的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。例如，IEEE 已批準(zhǔn)或正在制定 100 多個(gè)與智能電網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)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(gè) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。除 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)外，微電網(wǎng)還受 IEC 62898 微電網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)的制約。

本文為 2 篇系列文章中的第 1 篇。本文探討與實(shí)施電氣化、整合分布式能源資源 (DER) 有關(guān)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)、智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的異同，以及自動(dòng)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(dòng)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(wú)論實(shí)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(dòng)化產(chǎn)品]。第 2 篇文章探討如何在綠色建筑中利用電氣化和自動(dòng)化技術(shù)來(lái)獲得能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先導(dǎo) (LEED) 和零能耗建筑 (ZEB) 的認(rèn)證。

什么是分布式能源資源？

北美電力可靠性公司 (NERC) 對(duì)此的定義是：“分布式能源資源是指配電系統(tǒng)中能夠產(chǎn)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(jìn)入變電站的線路，這些線路通常長(zhǎng)距離輸送 100 kV 以上的電壓，將大型大容量發(fā)電設(shè)施與互聯(lián)資源、變電站連接起來(lái)（圖 1）。

圖 1：配電系統(tǒng)中存在分布式能源資源（藍(lán)色）；大容量電力系統(tǒng)中存在其他可再生能源（綠色）。（圖片來(lái)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(fēng)力渦輪機(jī)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(dòng)汽車電池充電器（也稱作電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)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(dòng)汽車以及如數(shù)據(jù)中心和其他地點(diǎn)安裝的大型柴油發(fā)電機(jī)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(lái)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(yùn)行而使用的通信和控制技術(shù)。另一個(gè)區(qū)別是，微電網(wǎng)包括發(fā)電和蓄能資源以及負(fù)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(wú)負(fù)載。智能電網(wǎng)可以與負(fù)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(jìn)行電氣化，如果管理不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生人們不愿看到的運(yùn)行后果。這時(shí)候，智能電網(wǎng)技術(shù)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(diǎn)。這些控制系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定性的傳感器、用于監(jiān)測(cè)用電需求的先進(jìn)電表?？刂葡到y(tǒng)還使用各種可控電源開(kāi)關(guān)和電能質(zhì)量裝置來(lái)管理電力流。傳感器對(duì)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(guān)重要。此外，傳感器和控制元件還能更快、更有效地應(yīng)對(duì)電力干擾，實(shí)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(yīng)不穩(wěn)定的情況下。智能電網(wǎng)技術(shù)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(diào)與集成。

相反，微電網(wǎng)是為了適應(yīng)可再生能源、電池蓄能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車等電氣化技術(shù)。微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)需要自動(dòng)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(dòng)化的定義和實(shí)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(gè)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(guān)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(shè)計(jì)、建造的，隨著可調(diào)度（可控制）的化石燃料發(fā)電越來(lái)越多地被不可預(yù)測(cè)（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(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不可靠的情況。此外，為大量電動(dòng)汽車充電大多時(shí)非調(diào)度性的，且電力公司無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接控制。由于用于電氣化和電動(dòng)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(yù)測(cè)，因此需要通過(guò)智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中自動(dòng)控制，以彌補(bǔ)這一不足。

圖 2：智能電網(wǎng)依靠自動(dòng)控制器和分布式能源資源管理進(jìn)行實(shí)時(shí)電網(wǎng)管理。（圖片來(lái)源：ETAP）

智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)控制器需要來(lái)自各種傳感器發(fā)出的信息，以實(shí)時(shí)監(jiān)控所連接的資源。隨著電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備 (EVSE) 的出現(xiàn)，控制器還有助于管理充電時(shí)的用電需求，并可利用車聯(lián)網(wǎng) (V2G) 通信協(xié)調(diào)電動(dòng)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(dāng)?shù)毓秒娋W(wǎng)的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)設(shè)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(nèi)做出響應(yīng)，以確保穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。開(kāi)關(guān)設(shè)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(duì)于小型微電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制器可安裝在同一個(gè)機(jī)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(duì)電能生產(chǎn)和電能消耗進(jìn)行智能計(jì)量。這種智能計(jì)量通過(guò)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(jīng)濟(jì)效益，并支持高水平的復(fù)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(gòu)也可能不同。

微電網(wǎng)的種類

微電網(wǎng)可按其應(yīng)用和架構(gòu)進(jìn)行分類。微電網(wǎng)包括偏遠(yuǎn)、聯(lián)網(wǎng)和并網(wǎng)式三種架構(gòu)。偏遠(yuǎn)微電網(wǎng)位于島嶼或偏遠(yuǎn)的礦區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)等地點(diǎn)。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(gè)獨(dú)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(luò)。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(yùn)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?huì)對(duì)微電網(wǎng)和分布式能源資源的重要性進(jìn)行分級(jí)，以保證最關(guān)鍵的部分得到保護(hù)。聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)的應(yīng)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(gè)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(diǎn) (PCC) 處安裝開(kāi)關(guān)設(shè)備。正常運(yùn)行時(shí)，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(jìn)行頻率和電壓調(diào)節(jié)、支持有功和無(wú)功功率以及響應(yīng)用電需求，從而緩解容量模擬。

在孤島運(yùn)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(hù)等其他需要。從孤島運(yùn)行過(guò)渡到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)需要檢測(cè)配電頻率，并在重新連接前實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。

微電網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括校園、醫(yī)院和醫(yī)療中心、商業(yè)設(shè)施、社區(qū)和工業(yè)設(shè)施。最新的應(yīng)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(yīng)用進(jìn)行分類。（圖片來(lái)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(guò)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(yù)見(jiàn)的事件造成的停電。在現(xiàn)有電網(wǎng)架構(gòu)中，為了確保極端事件發(fā)生時(shí)的安全，電網(wǎng)的大部分區(qū)域在此時(shí)都是斷電的。

這些非計(jì)劃大面積停電造成的一個(gè)嚴(yán)重且不幸的影響就是阻礙了電動(dòng)汽車的使用。公用事業(yè)微電網(wǎng)被視為電動(dòng)車普及的關(guān)鍵。例如，南加州愛(ài)迪生公司 (SCE) 建議開(kāi)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(yīng)。其他公用事業(yè)公司將新電網(wǎng)架構(gòu)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(duì)較廣的地理區(qū)域內(nèi)的各種資產(chǎn)，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(lái)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(xì)粒度水平上提高電力利用率的關(guān)鍵所在。該功能預(yù)計(jì)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(chǎng)所，包括學(xué)校和消防站、醫(yī)療中心和疏散中心等其他戰(zhàn)略地點(diǎn)。在大多數(shù)社區(qū)微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備是至關(guān)重要的一部分。按照設(shè)想，電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)將支持電動(dòng)汽車并網(wǎng)，在為電動(dòng)汽車供電的同時(shí)作為額外備用電源。

結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)汽車等許多電氣化技術(shù)，并不像它們所替代的傳統(tǒng)資源那樣具有可預(yù)測(cè)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(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。