幾十年來，關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施一直依賴于公用事業(yè)公司擁有和運營的集中式發(fā)電廠。然而，傳統(tǒng)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(tǒng)正在為老化的電網(wǎng)提供急需的穩(wěn)定性。設(shè)施的能源需求是微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。為了確保效率和彈性，微電網(wǎng)結(jié)合不同的組件來滿足給定的需求，同時優(yōu)化成本。
關(guān)鍵部件
通過組合不同的組件，可以根據(jù)每個客戶的需求定制微電網(wǎng)，提供理想的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)解決方案。這些系統(tǒng)旨在滿足傳統(tǒng)上由天然氣或電力供應(yīng)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(tǒng)資源，如天然氣或柴油發(fā)電機(jī)，它們通過機(jī)械方式轉(zhuǎn)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(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能。
儲能
能量被儲備以根據(jù)需要調(diào)度以補(bǔ)充其他分布式資產(chǎn)。系統(tǒng)包括電化學(xué)（BESS）、機(jī)械（飛輪）、熱（熱水）和能量轉(zhuǎn)換。這種能源可以來自可再生能源的過度生產(chǎn)，也可以在能源成本較低時儲存/充電，以便在成本高峰期使用。
控制系統(tǒng)
智能控制用于優(yōu)化可用資產(chǎn)，通過自動將供應(yīng)分配給最高效的資源來提供最低的電力成本。例如，當(dāng)兩臺發(fā)電機(jī)組以最高負(fù)載率運行時關(guān)閉一臺發(fā)電機(jī)組以提高燃油效率?？刂葡到y(tǒng)可以在有或沒有動態(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(kuò)展性、能源調(diào)度、電力管理和資源平衡。無論是離網(wǎng)還是并網(wǎng)，這些強(qiáng)大可靠的分布式能源發(fā)電系統(tǒng)都可以在任何現(xiàn)場條件下提供高性能。
全球?qū)π陆鉀Q方案的需求
能源世界正在經(jīng)歷一場變革。各種因素正在推動能源需求的增長，并鼓勵開發(fā)靈活、可持續(xù)、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(xù)增長。
微電網(wǎng)和儲能的好處
通過結(jié)合可再生能源發(fā)電、電力存儲和傳統(tǒng)發(fā)電來滿足能源需求，微電網(wǎng)可以提供成本節(jié)約、可靠性和可持續(xù)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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獨立于電價發(fā)展
○ 獲得電力
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偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力供應(yīng)
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盡管電網(wǎng)限制，工業(yè)負(fù)荷仍增加
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城市地區(qū)的電動汽車充電
○ 供應(yīng)質(zhì)量和安全
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停電時備用
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電壓和頻率穩(wěn)定
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減少燃料依賴
○ 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
○ 新的收入來源
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電網(wǎng)服務(wù)和能源市場的收入
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提高可再生能源的適銷性
實施挑戰(zhàn)
每個微電網(wǎng)都是不同的。為了提供滿足設(shè)施需求的正確能源組合，在設(shè)計階段必須考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)。
○ 可靠和經(jīng)濟(jì)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(diào)度和調(diào)度
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供需不確定性和適當(dāng)儲備水平的確定
○ 需求側(cè)管理 (DSM)
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設(shè)計適當(dāng)?shù)?DSM 方案，讓客戶對電網(wǎng)需求做出反應(yīng)并推動供應(yīng)
○ 配電級保護(hù)
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重新設(shè)計 DLP 方案以考慮雙向功率流
○ 市場/商業(yè)模式設(shè)計
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新模式允許由節(jié)油驅(qū)動的間歇性能源競爭參與
○ 即插即用開發(fā)
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表現(xiàn)出 P&P 特征的市場和控制機(jī)制允許隨著時間的推移無縫集成
○ 電壓/頻率控制
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開發(fā)控制技術(shù)以應(yīng)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(guī)問題
分布式發(fā)電的市場條件
經(jīng)濟(jì)增長和人口增長正在增加對電力的需求。脫碳壓力越來越大，以及對更靈活、可持續(xù)、更具成本效益的能源解決方案的需求不斷增長，正在引導(dǎo)政府和行業(yè)從煤炭和天然氣等傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)向太陽能和風(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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流動性和能源需求增加
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更高水平的價格競爭
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城市化
○ 脫碳
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電力下放
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能源轉(zhuǎn)型
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波動性可再生能源增加
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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(qū)耦合
○ 數(shù)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(shù)據(jù)量和能源需求高
代價高昂的后果
系統(tǒng)必須到位，以確保在極端條件下為社區(qū)供電。過時且壓力過大的電網(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(dāng)其系統(tǒng)的一部分達(dá)到 12,063 兆瓦的最大容量時，聯(lián)合愛迪生公司不得不關(guān)閉紐約市居民的電力供應(yīng)。在北加州，PG&E 一直在通過輪流停電來主動關(guān)閉電力，以避免在一年中的高風(fēng)險時期發(fā)生火災(zāi)。
2019 年，天氣/氣候事件 14 次造成超過 10 億美元的損失。當(dāng)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(chǔ)設(shè)施，擾亂了公共服務(wù)，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同樣在 2020 年，愛荷華州的一場風(fēng)暴使超過 400,000 人斷電。農(nóng)作物損失估計損失為 37 億美元，家庭損失為 8200 萬美元。對于數(shù)據(jù)中心來說，每發(fā)生一次中斷就需要花費近 9,000 美元。醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(guī)模風(fēng)能和太陽能形式出現(xiàn)的不可調(diào)度可再生能源發(fā)電量的增加增加了電網(wǎng)的整體不穩(wěn)定性。太陽能、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，因為它們依賴于天氣和一天中的時間，可能會受到輸出波動的影響，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(bǔ)發(fā)電技術(shù)來優(yōu)化可再生能源的使用。
由于輸配電網(wǎng)絡(luò)的整體時代，電網(wǎng)升級變得越來越重要。美國能源部 (DOE) 報告稱，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% 的輸電線路使用年限為 25 年或以上。該國 40,000 英里輸電線路的平均年齡為 52 年。對可靠、獨立的電力供應(yīng)的需求從未如此強(qiáng)烈。
客戶、主要優(yōu)勢和配置
○ 電力
示例：電網(wǎng)系統(tǒng)運營商、公用事業(yè)公司、獨立電力生產(chǎn)商
主要優(yōu)勢：新的收入來源、能源成本優(yōu)化
典型配置：
○ 行業(yè)
示例：農(nóng)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(qū)
示例：偏遠(yuǎn)社區(qū)、市區(qū)/城鎮(zhèn)解決方案
主要優(yōu)勢：能源成本優(yōu)化、電力供應(yīng)、二氧化碳減排
典型配置：
公共
示例：軍事基地、醫(yī)療保健、機(jī)構(gòu)、教育
主要優(yōu)勢：能源成本優(yōu)化、供應(yīng)質(zhì)量和服務(wù)
典型配置：
效率和彈性的設(shè)計因素
在真正的微電網(wǎng)應(yīng)用中，負(fù)載或能源需求是能源系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計效率和彈性意味著平衡這些資產(chǎn)與運營成本、可用空間、燃料資源和政府法規(guī)。
分布式發(fā)電系統(tǒng)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生命周期成本的一小部分。燃料占生命周期成本的 70%。通過利用可再生能源和電池存儲，微電網(wǎng)可以降低燃料消耗，降低總體運營成本，同時確保備用電力的可用性。
與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，分布式發(fā)電系統(tǒng)通常會降低運營成本。正確部署分布式發(fā)電系統(tǒng)需要分析現(xiàn)有的熱力和電力系統(tǒng)，然后選擇對持續(xù)運行至關(guān)重要的建筑系統(tǒng)。
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(tǒng)能夠消耗更少的燃料，同時產(chǎn)生與單獨的熱電系統(tǒng)相同的功率和有用的熱能。與傳統(tǒng)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(yīng)用效率的挑戰(zhàn)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。如果熱量需求超過發(fā)電機(jī)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(jī)組或過程的熱量輸出，并增加來自鍋爐的熱量。
完美的平衡
在為任何應(yīng)用設(shè)計微電網(wǎng)系統(tǒng)時，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(guī)
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(tǒng)。在可能無法獲得管道天然氣的拉丁美洲，通常會考慮其他選擇。排放規(guī)則可以限制燃料類型。例如，柴油可能僅在某些地區(qū)用于備用，并且每年運行時間為 100 小時或更短。
○ 風(fēng)力
強(qiáng)度：無需燃料
○ 太陽能
強(qiáng)度：無需燃料
○ 天然氣 (CHP)
優(yōu)勢：使用沼氣的機(jī)會
劣勢：需要天然氣管道或儲存，某些區(qū)域需要排放控制
○ 柴油發(fā)電機(jī)
缺點：燃料運輸/儲存、二氧化碳排放量高??、氮氧化物排放量高、運行時間有限
○ 儲能
優(yōu)勢：實現(xiàn)可再生能源的整合，提高發(fā)電機(jī)組的靈活性
● 電網(wǎng)連接和許可
每個單獨的公用事業(yè)公司都創(chuàng)建了一套規(guī)則來管理與其輸配電系統(tǒng)并行運行的過程和成本。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間也會給項目增加額外的不可預(yù)見的成本。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(tǒng)將如何影響與公用事業(yè)提供商的關(guān)系。
○ 風(fēng)力
優(yōu)勢：無碳排放、聯(lián)邦和地方激勵措施
劣勢：不可調(diào)度、視覺和噪音污染、資本成本
○ 太陽能
優(yōu)勢：無碳排放、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(jī)會，可調(diào)度
○ 柴油發(fā)電機(jī)
強(qiáng)度：可調(diào)度
缺點：高 CO2 排放、高 NOx 排放、有限的運行時間
○ 儲能
優(yōu)勢：聯(lián)邦和地方激勵措施
● 環(huán)境條件和工廠運營
設(shè)施負(fù)載或需求將決定微電網(wǎng)的規(guī)模和形狀。即使負(fù)載和設(shè)計相似，單獨分析每個站點也很重要，因為位置會影響當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。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(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是微電網(wǎng)設(shè)計的主要早期驅(qū)動因素之一。
○ 風(fēng)力
弱：視天氣情況而定
○ 太陽能
強(qiáng)度：可改裝，例如在建筑物上
缺點：取決于天氣條件和一天中的時間
○ 燃?xì)?(CHP)
優(yōu)勢：電力供熱和制冷、高效、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)運行
○ 柴油發(fā)電機(jī)
強(qiáng)度：啟動時間快（<20 秒）
缺點：運行和維護(hù)成本高
○ 儲能
優(yōu)勢：靈活使用多種應(yīng)用，低運維成本
劣勢：電池容量隨時間衰減
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