幾十年來(lái)，關(guān)鍵任務(wù)設施一直依賴(lài)于公用事業(yè)公司擁有和運營(yíng)的集中式發(fā)電廠(chǎng)。然而，傳統模式正在發(fā)生變化。微電網(wǎng)形式的智能分布式發(fā)電系統正在為老化的電網(wǎng)提供急需的穩定性。設施的能源需求是微電網(wǎng)系統設計的關(guān)鍵。為了確保效率和彈性，微電網(wǎng)結合不同的組件來(lái)滿(mǎn)足給定的需求，同時(shí)優(yōu)化成本。
關(guān)鍵部件
通過(guò)組合不同的組件，可以根據每個(gè)客戶(hù)的需求定制微電網(wǎng)，提供理想的技術(shù)和經(jīng)濟解決方案。這些系統旨在滿(mǎn)足傳統上由天然氣或電力供應商支持的電能和/或熱能需求。微電網(wǎng)最常以孤島模式運行，但它也可以連接到電網(wǎng)。
孤島電網(wǎng)組成
分布式能源
這些包括傳統資源，如天然氣或柴油發(fā)電機，它們通過(guò)機械方式轉換燃料以產(chǎn)生電力和熱能，以及利用自然資源的可再生系統，如太陽(yáng)能和風(fēng)能。
儲能
能量被儲備以根據需要調度以補充其他分布式資產(chǎn)。系統包括電化學(xué)（BESS）、機械（飛輪）、熱（熱水）和能量轉換。這種能源可以來(lái)自可再生能源的過(guò)度生產(chǎn)，也可以在能源成本較低時(shí)儲存/充電，以便在成本高峰期使用。
控制系統
智能控制用于優(yōu)化可用資產(chǎn)，通過(guò)自動(dòng)將供應分配給最高效的資源來(lái)提供最低的電力成本。例如，當兩臺發(fā)電機組以最高負載率運行時(shí)關(guān)閉一臺發(fā)電機組以提高燃油效率?？刂葡到y可以在有或沒(méi)有動(dòng)態(tài)控制（智能電網(wǎng)）的情況下運行。
成功的微電網(wǎng)解決方案提供模塊化、可擴展性、能源調度、電力管理和資源平衡。無(wú)論是離網(wǎng)還是并網(wǎng)，這些強大可靠的分布式能源發(fā)電系統都可以在任何現場(chǎng)條件下提供高性能。
全球對新解決方案的需求
能源世界正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革。各種因素正在推動(dòng)能源需求的增長(cháng)，并鼓勵開(kāi)發(fā)靈活、可持續、具有成本效益的能源解決方案，如微電網(wǎng)。因此，全球微電網(wǎng)的容量和收入持續增長(cháng)。
微電網(wǎng)和儲能的好處
通過(guò)結合可再生能源發(fā)電、電力存儲和傳統發(fā)電來(lái)滿(mǎn)足能源需求，微電網(wǎng)可以提供成本節約、可靠性和可持續性。
○ 能源成本優(yōu)化
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降低電費
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燃料和 O&M 成本降低
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獨立于電價(jià)發(fā)展
○ 獲得電力
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偏遠地區的電力供應
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盡管電網(wǎng)限制，工業(yè)負荷仍增加
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城市地區的電動(dòng)汽車(chē)充電
○ 供應質(zhì)量和安全
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停電時(shí)備用
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電壓和頻率穩定
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減少燃料依賴(lài)
○ 積極的環(huán)境影響
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增加光伏和風(fēng)能的能源使用：減少碳足跡
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激勵措施、稅收優(yōu)惠、避免罰款
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名聲
○ 新的收入來(lái)源
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電網(wǎng)服務(wù)和能源市場(chǎng)的收入
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提高可再生能源的適銷(xiāo)性
實(shí)施挑戰
每個(gè)微電網(wǎng)都是不同的。為了提供滿(mǎn)足設施需求的正確能源組合，在設計階段必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數。
○ 可靠和經(jīng)濟的運行
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獨立運行模式下間歇性發(fā)電的高滲透率
○ 單位調度和調度
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供需不確定性和適當儲備水平的確定
○ 需求側管理 (DSM)
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設計適當的 DSM 方案，讓客戶(hù)對電網(wǎng)需求做出反應并推動(dòng)供應
○ 配電級保護
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重新設計 DLP 方案以考慮雙向功率流
○ 市場(chǎng)/商業(yè)模式設計
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新模式允許由節油驅動(dòng)的間歇性能源競爭參與
○ 即插即用開(kāi)發(fā)
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表現出 P&P 特征的市場(chǎng)和控制機制允許隨著(zhù)時(shí)間的推移無(wú)縫集成
○ 電壓/頻率控制
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開(kāi)發(fā)控制技術(shù)以應對電力電子接口 DG 的增加
○ 網(wǎng)格代碼
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解決微電網(wǎng)并網(wǎng)的電網(wǎng)合規問(wèn)題
分布式發(fā)電的市場(chǎng)條件
經(jīng)濟增長(cháng)和人口增長(cháng)正在增加對電力的需求。脫碳壓力越來(lái)越大，以及對更靈活、可持續、更具成本效益的能源解決方案的需求不斷增長(cháng)，正在引導政府和行業(yè)從煤炭和天然氣等傳統能源轉向太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源。
四大趨勢正在改變能源世界，引發(fā)對新解決方案的需求：
○ 全球化
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流動(dòng)性和能源需求增加
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更高水平的價(jià)格競爭
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城市化
○ 脫碳
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電力下放
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能源轉型
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波動(dòng)性可再生能源增加
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環(huán)保意識
○ 電氣化
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電力需求上升
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電力需求增加
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環(huán)保意識
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扇區耦合
○ 數字化
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新的商業(yè)模式
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提高計算性能
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服務(wù)的數據量和能源需求高
代價(jià)高昂的后果
系統必須到位，以確保在極端條件下為社區供電。過(guò)時(shí)且壓力過(guò)大的電網(wǎng)使網(wǎng)絡(luò )更容易受到中斷的影響。例如，在 2019 年 7 月，僅提前 45 分鐘通知，當其系統的一部分達到 12,063 兆瓦的最大容量時(shí)，聯(lián)合愛(ài)迪生公司不得不關(guān)閉紐約市居民的電力供應。在北加州，PG&E 一直在通過(guò)輪流停電來(lái)主動(dòng)關(guān)閉電力，以避免在一年中的高風(fēng)險時(shí)期發(fā)生火災。
2019 年，天氣/氣候事件 14 次造成超過(guò) 10 億美元的損失。當年的總成本為 450 億美元。2020 年，加州和太平洋西北部的野火摧毀了輸電基礎設施，擾亂了公共服務(wù)，并造成了巨大的經(jīng)濟損失。同樣在 2020 年，愛(ài)荷華州的一場(chǎng)風(fēng)暴使超過(guò) 400,000 人斷電。農作物損失估計損失為 37 億美元，家庭損失為 8200 萬(wàn)美元。對于數據中心來(lái)說(shuō)，每發(fā)生一次中斷就需要花費近 9,000 美元。醫療機構每次停電平均損失近 700,000 美元。
需要新的解決方案
以電網(wǎng)規模風(fēng)能和太陽(yáng)能形式出現的不可調度可再生能源發(fā)電量的增加增加了電網(wǎng)的整體不穩定性。太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他可再生能源提供了主要優(yōu)勢，但也存在一些缺點(diǎn)，因為它們依賴(lài)于天氣和一天中的時(shí)間，可能會(huì )受到輸出波動(dòng)的影響，并且通常需要大量的資本投資。智能微電網(wǎng)使用存儲和/或互補發(fā)電技術(shù)來(lái)優(yōu)化可再生能源的使用。
由于輸配電網(wǎng)絡(luò )的整體時(shí)代，電網(wǎng)升級變得越來(lái)越重要。美國能源部 (DOE) 報告稱(chēng)，70% 的電力變壓器使用年限為 25 年或以上，60% 的斷路器使用年限為 30 年或以上，70% 的輸電線(xiàn)路使用年限為 25 年或以上。該國 40,000 英里輸電線(xiàn)路的平均年齡為 52 年。對可靠、獨立的電力供應的需求從未如此強烈。
客戶(hù)、主要優(yōu)勢和配置
○ 電力
示例：電網(wǎng)系統運營(yíng)商、公用事業(yè)公司、獨立電力生產(chǎn)商
主要優(yōu)勢：新的收入來(lái)源、能源成本優(yōu)化
典型配置：
○ 行業(yè)
示例：農業(yè)、制造業(yè)、采礦業(yè)、大宗商品
主要優(yōu)勢：能源成本優(yōu)化、二氧化碳減排
典型配置：
社區
示例：偏遠社區、市區/城鎮解決方案
主要優(yōu)勢：能源成本優(yōu)化、電力供應、二氧化碳減排
典型配置：
公共
示例：軍事基地、醫療保健、機構、教育
主要優(yōu)勢：能源成本優(yōu)化、供應質(zhì)量和服務(wù)
典型配置：
效率和彈性的設計因素
在真正的微電網(wǎng)應用中，負載或能源需求是能源系統設計的關(guān)鍵。設計效率和彈性意味著(zhù)平衡這些資產(chǎn)與運營(yíng)成本、可用空間、燃料資源和政府法規。
分布式發(fā)電系統的生命周期成本
發(fā)電項目是一項大投資。然而，前期和其他固定成本只是整個(gè)生命周期成本的一小部分。燃料占生命周期成本的 70%。通過(guò)利用可再生能源和電池存儲，微電網(wǎng)可以降低燃料消耗，降低總體運營(yíng)成本，同時(shí)確保備用電力的可用性。
與傳統的發(fā)電技術(shù)相比，分布式發(fā)電系統通常會(huì )降低運營(yíng)成本。正確部署分布式發(fā)電系統需要分析現有的熱力和電力系統，然后選擇對持續運行至關(guān)重要的建筑系統。
二次燃料成本
許多微電網(wǎng)使用熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP) 模塊，該模塊可以從同一種燃料中產(chǎn)生電能和熱能，從而使整體效率幾乎翻倍。更高的運行效率使 CHP 系統能夠消耗更少的燃料，同時(shí)產(chǎn)生與單獨的熱電系統相同的功率和有用的熱能。與傳統的發(fā)電和熱能發(fā)電相比，CHP 模塊可減少約 50% 的碳排放。
最大限度地提高熱電聯(lián)產(chǎn)應用效率的挑戰是將熱副產(chǎn)品的需求與電力需求相匹配。如果對電力的需求大于對熱產(chǎn)品的需求，則必須將多余的熱量排放到散熱器或水冷卻塔中，從而降低效率。如果熱量需求超過(guò)發(fā)電機組輸出（輕電需求或高熱量需求），則需要按比例縮小以匹配發(fā)電機組或過(guò)程的熱量輸出，并增加來(lái)自鍋爐的熱量。
完美的平衡
在為任何應用設計微電網(wǎng)系統時(shí)，選擇正確的組件組合以平衡彈性和效率非常重要。
● 燃料可用性和排放法規
由于分布網(wǎng)絡(luò )廣泛，天然氣通常用于北美微電網(wǎng)系統。在可能無(wú)法獲得管道天然氣的拉丁美洲，通常會(huì )考慮其他選擇。排放規則可以限制燃料類(lèi)型。例如，柴油可能僅在某些地區用于備用，并且每年運行時(shí)間為 100 小時(shí)或更短。
○ 風(fēng)力
強度：無(wú)需燃料
○ 太陽(yáng)能
強度：無(wú)需燃料
○ 天然氣 (CHP)
優(yōu)勢：使用沼氣的機會(huì )
劣勢：需要天然氣管道或儲存，某些區域需要排放控制
○ 柴油發(fā)電機
缺點(diǎn)：燃料運輸/儲存、二氧化碳排放量高??、氮氧化物排放量高、運行時(shí)間有限
○ 儲能
優(yōu)勢：實(shí)現可再生能源的整合，提高發(fā)電機組的靈活性
● 電網(wǎng)連接和許可
每個(gè)單獨的公用事業(yè)公司都創(chuàng )建了一套規則來(lái)管理與其輸配電系統并行運行的過(guò)程和成本。即使電力保持在電表后面，在電網(wǎng)并聯(lián)中正常運行所需的成本和時(shí)間也會(huì )給項目增加額外的不可預見(jiàn)的成本。出口多余的能源更加昂貴和困難。必須分析任何分布式能源系統將如何影響與公用事業(yè)提供商的關(guān)系。
○ 風(fēng)力
優(yōu)勢：無(wú)碳排放、聯(lián)邦和地方激勵措施
劣勢：不可調度、視覺(jué)和噪音污染、資本成本
○ 太陽(yáng)能
優(yōu)勢：無(wú)碳排放、聯(lián)邦和地方激勵措施
劣勢：需要大空間（綠地）
○ 天然氣 (CHP)
優(yōu)勢：使用沼氣的機會(huì )，可調度
○ 柴油發(fā)電機
強度：可調度
缺點(diǎn)：高 CO2 排放、高 NOx 排放、有限的運行時(shí)間
○ 儲能
優(yōu)勢：聯(lián)邦和地方激勵措施
● 環(huán)境條件和工廠(chǎng)運營(yíng)
設施負載或需求將決定微電網(wǎng)的規模和形狀。即使負載和設計相似，單獨分析每個(gè)站點(diǎn)也很重要，因為位置會(huì )影響當地法規。此外，高海拔和高溫等環(huán)境條件將影響分布式能源的性能。地方法規和標準是微電網(wǎng)設計的主要早期驅動(dòng)因素之一。
○ 風(fēng)力
弱：視天氣情況而定
○ 太陽(yáng)能
強度：可改裝，例如在建筑物上
缺點(diǎn)：取決于天氣條件和一天中的時(shí)間
○ 燃氣 (CHP)
優(yōu)勢：電力供熱和制冷、高效、經(jīng)濟的連續運行
○ 柴油發(fā)電機
強度：?jiǎn)?dòng)時(shí)間快（<20 秒）
缺點(diǎn)：運行和維護成本高
○ 儲能
優(yōu)勢：靈活使用多種應用，低運維成本
劣勢：電池容量隨時(shí)間衰減
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