五分钟了解微电网

什么是微电网？ 微电网是一个局部能源系统，它包含三个关键组件：发电、储能和需求，这些都在一个有界且受控的网络内。它可能连接到电网，也可能不连接。 微电网发电可能来自一系列可变分布式能源资源（DERs），包括可再生能源和化石燃料发电机组。储能可能包括电池阵列、电动汽车、液态空气等。通过结合需求响应（DR）的微电网控制系统调节需求，以确保以最安全、有效和受控的方式匹配可用供应。 微电网（μG）是一种分布式级别的能源系统，它包括所有必要的组件，以便在脱离电网的情况下运行。它是更广泛能源网络的缩影，但处于分布式层面。 微电网主要基于电力，但它们也可以包含热能组件。 他们以交流电（AC）、直流电（DC）、高频交流电或这三种方式的组合进行操作。 当以“岛屿”模式独立于电网运行时，微电网是一个自给自足的独立能源系统。它也可以通过公共连接点（PCC）连接到电网，使其能够根据当时的商业或技术条件导入或导出电力。 安全、可持续和可负担 微电网是一种通过分散、本地控制、独立能源系统同时解决能源安全、经济性和可持续性的方法，这些系统能够精确满足终端用户的需求。 不同终端用户对能源供应系统有不同的需求。金融机构和高新技术产业，如芯片制造商或数据中心，需要绝对供应可靠性；而其他人可能更关注供应的可持续性和碳足迹。在其他情况下，价格可能是主要驱动力，或者仅仅是拥有任何电力机会，尤其是在电网发展有限或供应依赖于昂贵的进口化石燃料的地区。 微电网可以仅关注关键需求，将可削减负载离线，直到充足电网供应的全面系统可用性恢复。除了获得自主性的弹性好处外，微电网还可以在有利的情况下恢复到电网供电的安排。 经济实惠且盈利 微电网允许用户通过选择最优化组合的本地供应和使用，以实现最具成本效益的系统平衡，仅在成本效益时才依赖电网或昂贵的备用供应。在出现不平衡时，多余的供应可以被储存或调度到电网中。在能源短缺或供应成本较高的情况下，则可能从储存中提取能源，并且非关键负载可以暂时削减，直到供应状况恢复。从分配转换中的最小损失意味着能源以成本效益的方式被使用。 可持续低碳 可再生能源在混合能源中的渗透率不断提高，既带来了可持续低碳资源的诸多益处，同时也引入了间歇性和供需挑战。微电网非常适合将间歇性可再生能源与各种需求要求相匹配。该系统可以从可再生能源供应源维持关键负载，同时调整其他负载并释放非关键需求，直到供应挑战过去。从光伏等直流源向直流负载供电的组合减少了转换损耗，以及本地使用能源和降低配电网损耗。 安全可靠 凭借其自包含系统的特性，微电网能够抵御能源供应中断。这种弹性的持续时间从能够持续运行直到燃料或可再生能源耗尽的无电网系统，到为防止电网中断的不利影响而运行较短时间的系统各不相同。 微电网能够通过供需的精心匹配以及任何不平衡的智能控制，在可用供应和期望负载需求之间维持平衡。 微电网可以根据所需的可靠性、可持续性和经济性重点进行多种配置，同时考虑到当地电网的特点和可用性。微电网维持供需平衡的能力是其关键属性。 每种供应、需求和存储类型都可以根据其在微电网环境中的可控性和可靠性进行分类： 微电网能源供应包括从易于控制到间歇性和不可控制的多个类别。该范围包括一端的可调度发电，如柴油发电机或燃料电池，通过可预测的间歇性供应，如光伏或微型水电，到另一端的更不可预测的间歇性供应，即风力发电。 微电网能源负荷具有一系列可控特性，从一端的临界负荷（如数据系统或生命维持设备）到另一端的可调负荷（如供暖/降温、照明或电网调度）。负荷可以调节的程度以及可以改变的时间周期是关键特性。在某些情况下，可能还需要临时削减部分负荷。 微电网储能提供关键供应储备，同时也是一个将自身发电“时间推移”以匹配负荷需求的方式。 利益与不断演变之解决方案 微电网（μG）应用 μG是一种多功能的方案，其应用范围广泛，包括非并网社区、高科技产业、关键任务操作和低碳商务。 商业与工业 远程与离网 社区与公用事业 •适用于商业中心或关键制造业区域•倾向于拥有多个所有者的微电网•主要受安全和成本效益驱动•预计在接下来的几年中将看到显著增长 •共同拥有的优势•提供最佳的近期发展机遇。•市场细分易发展先进微电网•代表美国微电网管道的40%，到2015年新增940兆瓦的容量，价值27.6亿美元。 •目前市场细分规模最小，但开始有所增长。•主要驱动因素是安全性，通过整合可再生能源分布式发电作为保障电力供应的方式，无需依赖任何供应的燃料或电网。 •包含主要住宅客户。•主要由可负担性和安全性驱动•不太可能在没有标准到位和监管障碍消除之前得到广泛的商业认可。 •代表了目前全球运营的微型电网中数量最多的，但平均容量最小。•预期将持续成为由偏远地区太阳能光伏（PV）部署推动的市场细分领域。小型风力发电也预计将发挥越来越重要的作用。 撒哈拉以南乡村偏远社区低碳岛屿农村教育综合体 通常，这些偏远社区的特征是能源需求适度，但目前由不可靠的单点电网连接或低效且昂贵的化石燃料发电设备提供的服务不佳。可再生能源是有可用的，但通常以PV（光伏）、充电电池或阅读灯的形式存在。风力发电可能可用，微型水力发电也可能存在，然而这些发电形式在季节性和每日上都具有间歇性。 微电网能够在未来预期电网连接之外，为构建一个协调且功能齐全的本地配电网络带来机遇。一旦可靠的电网连接达到社区，它可能能够降低能源成本；但在此期间，社区能够有效地运作和发展，尤其是在教育、健康和轻工业方面。 微型电网在失去电网电力的情况下仍能有效运行的能力对依赖长距离单一电网连接的社区有利。即使在电网连接状态下，他们也可能选择依赖多种供应来源，但若因电网故障而“岛式运行”，他们也能有效运作。 一个可靠的、经济实惠的基于微电网的系统可以减少在提供水或烹饪等活动上花费的时间，同时提供有效教育所需的照明。 贝克恩教育园区 蓝筹IT园区 低碳办公楼 零售中心 低碳领导者渴望展示他们的企业社会责任，同时通过早期开发和采用关键技术，将自己定位为其特定领域的先驱。在他们的房地产方面，这体现在对可再生能源的最大部署和需求响应（DSR）。 然而，尽管热衷于拓展边界，这些早期采用者并不希望仅仅为了表明立场而影响他们的日常运营和生产效率。他们希望从可持续能源供应中获得与从传统电网供应中预期的相同或更高的可靠性水平。他们还希望确保电网连接，但旨在整体上实现平均“净零”供应。 该应用中微电网的部署使得能够实现最大的可持续能源贡献，同时为最终用户提供可预测的结果，这对表现优异的组织及其房地产合作伙伴来说是一个关键敏感性。 这种微型电网的重要特性在于能够同步调度能源至配电网或当“负瓦时”价格使其具有商业吸引力时迅速降低需求。 (μG) 应用 – 关键供应链 安全证券交易所芯片或制药制造商低碳数据中心紧急服务及医院 对于某些活动和客户，供应中断的社会或财务成本可能非常显著。因此，确保关键负载能按需提供能源，而次要负载则需降低或临时切除，这一点至关重要。紧急服务可靠性、生产停机时间、重新启动预防、保证交易能力和数据中心可用性都是在各自领域的关键因素。 尽管通常对于这样的客户来说，依赖来自电网或当地可再生能源的现场和非现场供应可能是明智的，但当这些供应无法满足整体负荷或更重要的是关键负荷本身的需求时，挑战就出现了，尤其是如果供应损失是由于远程电源的快速中断。由于极端天气、恶意活动或广泛的技术困难导致的电力快速中断可能会引起服务长期中断，这会产生财务成本。 在这些情况下，微电网部署可以使关键负荷纳入一个更广泛的现场能源网络，该网络能够快速减少非必要负荷，重新分配可用本地供应，并在备用发电和最终电网恢复完成的同时调配储存的能量。 基于微电网的针对性负荷管理与弹性可再生能源、储能和备用发电的结合，为关键负荷支持提供了一个比仅由不间断电源（UPS）和应急柴油发电机提供的更安全的环境。 配送仓库综合体 水处理厂 军营 港口船舶补给 某些客户通过最大化使用其本土可再生能源或其他发电能力获得商业利益。其他客户则因自身环境和运营需求而被迫实现独立和保障，例如军事营地。 在这些情况下，通过部署微型电网，可在客户边界内产生的以及使用的可再生能源量得以优化。通过对可预测间歇性（例如：光伏）或不可预测间歇性（例如：微型或海上风）的响应进行负荷调制或储能，意味着最大限度的可再生能源可以在现场使用。 在某些情况下，某些可再生能源的日间发电模式与需求曲线之间存在“时间错位”不匹配。例如，一个仓库可能全天24小时运营，负载需求相对适度，但其广泛屋顶上的光伏单元在白天中提供峰值供应。在整个白天平滑供应，同时可能从电网中抽取峰值能源，将带来最大效益。 越来越多的停靠船只需要使用“清洁”的岸上供应而不是船上发电机，并且将从微电网安排中受益，以降低供应的成本和碳足迹。 比较交流电和直流电的益处 关于交流电（AC）、直流电（DC）或混合微电网的使用，存在与之相关的优势和挑战。交流电系统是最常见的，其次是直流电，而高频交流电（HfAC）应用通常在飞机或类似设备中使用，但正逐渐进入主流市场。 可应对的挑战 关键益处 直流微电网缺乏现有直流低压配电系统 直流微电网直流电源由光伏系统、燃料 AC微电网 AC微电网直流转换为交流以及 电池和电池产生/储存，由越来越多的电气设备使用，降低转换要求，直流转交流比交流转直流更容易且更便宜，所需设备数量减少（例如电池充电器），节省约5-15%的能源，可靠性提高，因为故障点更少，适用于零能耗建筑，适用于数据中心。 的应用目前缺乏批准的标准和规范用于直流低压设备、配电系统和微电网对直流低压配电系统设计的熟悉度不足缺乏批准/认可的直流低压系统架构（例如，公共母线收集和分配电力）与交流低压配电系统相比，不同的安全和保护实践从交流系统升级到直流系统所需的基础设施改造 再次转换为直流的转换需求增加，转换过程中的能量损失增大，需要更多的设备和装置。 混合微电网系统控制是一项挑战。 混合微电网适用于产生和消耗交流 电和直流电的应用，类似直流微电网的优点。 技术挑战的解决方案 关于更多信息，请联系： microgrid@arup.com energy@arup.com