作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

用可持續綠色能源取代傳統電網能源被稱為電氣化。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，以及自動化如何幫助提高效率和可持續性。本系列文章的[第 2 篇]將討論能源與環境設計先導 (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電的系統，用電動汽車 (EV) 取代內燃機汽車 (ICE)。電氣化系統以及將其連接在一起并支持智能電網和微電網的自動化技術的使用，是推動社會邁向更可持續、更綠色未來的重要因素。

如今的電網并非為大量電動汽車充電而設計，智能電網和微電網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)。智能電網和微電網的開發商必須滿足一系列令人生畏的國際標準，才能實現這一目標。例如，IEEE 已批準或正在制定 100 多個與智能電網相關的標準，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，微電網還受 IEC 62898 微電網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、智能電網和微電網之間的異同，以及自動化如何提高這些電網的效率和可持續性，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，最后探討公用事業微電網的出現如何模糊了微電網與智能電網之間的差異。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正式定義中”。

在北美，“配電系統”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。大容量發電系統 (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，將大型大容量發電設施與互聯資源、變電站連接起來（圖 1）。

圖 1：配電系統中存在分布式能源資源（藍色）；大容量電力系統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資源，包括風力渦輪機和光伏裝置等發電裝置、蓄能裝置、大多數電池蓄能系統 (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。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、聯網的電動汽車以及如數據中心和其他地點安裝的大型柴油發電機的備用電源。微電網是分布式能源資源的一種特殊類型。

智能電網、微電網和電氣化

微電網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。從大容量發電系統的角度來看，微電網和分布式能源資源指的是發電或蓄能資源的類型。所謂智能電網，是指大容量發電系統為確保彈性和高效運行而使用的通信和控制技術。另一個區別是，微電網包括發電和蓄能資源以及負載。智能電網主要由發電資源組成，帶一些蓄能資源，但無負載。智能電網可以與負載通信，但它們與電網相隔離。

電氣化以不同的方式影響著微電網、大容量發電系統和智能電網。在大容量發電系統中，在現有電網中進行電氣化，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，智能電網技術就有用武之地了。

雙向通信和控制是智能電網的顯著特點。這些控制系統包括用于監測電網穩定性的傳感器、用于監測用電需求的先進電表。控制系統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、大容量發電系統的電氣化水平以及確保電網穩定至關重要。此外，傳感器和控制元件還能更快、更有效地應對電力干擾，實現電網的平衡與安全，尤其是在用電需求高峰期和可再生能源供應不穩定的情況下。智能電網技術還支持微電網與配電系統、大容量發電系統的之間的協調與集成。

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

分布式能源資源管理是必選

在智能電網和微電網中， 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。智能電網包括分布區域廣闊的各種發電資源和電力用戶，以及一個用于電網管理的集中式控制中心（圖 2）。電網管理是大容量發電系統中智能電網控制的關鍵概念。現有的大容量發電系統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，這些大容量發電系統可能會出現運行不可靠的情況。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公用電網那樣可以預測，因此需要通過智能電網技術實現集中自動控制，以彌補這一不足。

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

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

除了監控已連接資源的狀態外，并網微電網的控制器還必須監控當地公用電網的狀態。開關設備是智能電網和微電網的重要組成部分，必須能在幾毫秒內做出響應，以確保穩定、可靠的運行。開關設備的功率大小不一，從小型微電網的幾千瓦 (kW) 到大型微電網和公用電網的數兆瓦 (MW) 不等。對于小型微電網來說，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。智能電網和微電網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。

微電網的種類

微電網可按其應用和架構進行分類。微電網包括偏遠、聯網和并網式三種架構。偏遠微電網位于島嶼或偏遠的礦區、農業區等地點。這類微電網也被稱為離網微電網，它們與任何公用事業的大容量發電系統都是相隔離的。這類微電網必須能夠完全自給自足。

聯網或嵌入式微電網是由多個獨立的分布式能源資源或者與公用配電系統相連的微電網組成的電力網絡。這類電網通常由集中監控系統控制，該系統可在微電網運行需求與是否支持更廣泛的公用電網之間取得平衡。控制器通常會對微電網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。聯網微電網的應用包括社區微電網、智慧城市和新興公用事業微電網。

聯網微電網是并網微電網的一個子類。所有并網微電網都與配電網連接，并在與配電網連接的共用耦合點 (PCC) 處安裝開關設備。正常運行時，并網微電網與配電網相連。并網微電網可為電網進行頻率和電壓調節、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，微電網不與公用配電網連接。出現孤島的原因可能是由于配電網中斷，或者是出于如維護等其他需要。從孤島運行過渡到并網運行時，微電網需要檢測配電頻率，并在重新連接前實現同步運行。

微電網的應用領域非常廣泛，包括校園、醫院和醫療中心、商業設施、社區和工業設施。最新的應用種類是公用事業微電網（圖 3）。

圖 3：微電網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微電網模糊了智能電網和微電網之間的界限。在此過程中，分布式能源資源的定義從分布式能源資源變為專用能源資源。公用事業微電網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。在現有電網架構中，為了確保極端事件發生時的安全，電網的大部分區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。公用事業微電網被視為電動車普及的關鍵。例如，南加州愛迪生公司 (SCE) 建議開發公共安全斷電微電網，以幫助在野火期間盡可能廣泛地維持電力供應。其他公用事業公司將新電網架構稱為社區微電網（圖 4）。

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

公用事業微電網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模的微電網中，從完整的住宅社區到公共場所，包括學校和消防站、醫療中心和疏散中心等其他戰略地點。在大多數社區微電網的設計中，電動汽車服務設備是至關重要的一部分。按照設想，電動汽車供電系統將支持電動汽車并網，在為電動汽車供電的同時作為額外備用電源。

結束語

電氣化是確保電網更具可持續性和減少 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和微電網中先進傳感器網絡和自動控制系統。