幾十年來，關鍵任務設施一直依賴于公用事業公司擁有和運營的集中式發電廠。然而，傳統模式正在發生變化。微電網形式的智能分布式發電系統正在為老化的電網提供急需的穩定性。設施的能源需求是微電網系統設計的關鍵。為了確保效率和彈性，微電網結合不同的組件來滿足給定的需求，同時優化成本。
關鍵部件
通過組合不同的組件，可以根據每個客戶的需求定制微電網，提供理想的技術和經濟解決方案。這些系統旨在滿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。微電網最常以孤島模式運行，但它也可以連接到電網。
孤島電網組成
分布式能源
這些包括傳統資源，如天然氣或柴油發電機，它們通過機械方式轉換燃料以產生電力和熱能，以及利用自然資源的可再生系統，如太陽能和風能。
儲能
能量被儲備以根據需要調度以補充其他分布式資產。系統包括電化學（BESS）、機械（飛輪）、熱（熱水）和能量轉換。這種能源可以來自可再生能源的過度生產，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
智能控制用于優化可用資產，通過自動將供應分配給最高效的資源來提供最低的電力成本。例如，當兩臺發電機組以最高負載率運行時關閉一臺發電機組以提高燃油效率。控制系統可以在有或沒有動態控制（智能電網）的情況下運行。
成功的微電網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。無論是離網還是并網，這些強大可靠的分布式能源發電系統都可以在任何現場條件下提供高性能。
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，并鼓勵開發靈活、可持續、具有成本效益的能源解決方案，如微電網。因此，全球微電網的容量和收入持續增長。
微電網和儲能的好處
通過結合可再生能源發電、電力存儲和傳統發電來滿足能源需求，微電網可以提供成本節約、可靠性和可持續性。
○ 能源成本優化
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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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盡管電網限制，工業負荷仍增加
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城市地區的電動汽車充電
○ 供應質量和安全
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停電時備用
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電壓和頻率穩定
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減少燃料依賴
○ 積極的環境影響
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增加光伏和風能的能源使用：減少碳足跡
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激勵措施、稅收優惠、避免罰款
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名聲
○ 新的收入來源
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電網服務和能源市場的收入
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提高可再生能源的適銷性
實施挑戰
每個微電網都是不同的。為了提供滿足設施需求的正確能源組合，在設計階段必須考慮幾個關鍵參數。
○ 可靠和經濟的運行
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獨立運行模式下間歇性發電的高滲透率
○ 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，讓客戶對電網需求做出反應并推動供應
○ 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/商業模式設計
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新模式允許由節油驅動的間歇性能源競爭參與
○ 即插即用開發
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表現出 P&P 特征的市場和控制機制允許隨著時間的推移無縫集成
○ 電壓/頻率控制
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開發控制技術以應對電力電子接口 DG 的增加
○ 網格代碼
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解決微電網并網的電網合規問題
分布式發電的市場條件
經濟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、更具成本效益的能源解決方案的需求不斷增長，正在引導政府和行業從煤炭和天然氣等傳統能源轉向太陽能和風能等可再生能源。
四大趨勢正在改變能源世界，引發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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能源轉型
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波動性可再生能源增加
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環保意識
○ 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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環保意識
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扇區耦合
○ 數字化
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新的商業模式
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提高計算性能
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服務的數據量和能源需求高
代價高昂的后果
系統必須到位，以確保在極端條件下為社區供電。過時且壓力過大的電網使網絡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，聯合愛迪生公司不得不關閉紐約市居民的電力供應。在北加州，PG&E 一直在通過輪流停電來主動關閉電力，以避免在一年中的高風險時期發生火災。
2019 年，天氣/氣候事件 14 次造成超過 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，并造成了巨大的經濟損失。同樣在 2020 年，愛荷華州的一場風暴使超過 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 萬美元。對于數據中心來說，每發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
以電網規模風能和太陽能形式出現的不可調度可再生能源發電量的增加增加了電網的整體不穩定性。太陽能、風能和其他可再生能源提供了主要優勢，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。智能微電網使用存儲和/或互補發電技術來優化可再生能源的使用。
由于輸配電網絡的整體時代，電網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、獨立的電力供應的需求從未如此強烈。
客戶、主要優勢和配置
○ 電力
示例：電網系統運營商、公用事業公司、獨立電力生產商
主要優勢：新的收入來源、能源成本優化
典型配置：
○ 行業
示例：農業、制造業、采礦業、大宗商品
主要優勢：能源成本優化、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
主要優勢：能源成本優化、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
主要優勢：能源成本優化、供應質量和服務
典型配置：
效率和彈性的設計因素
在真正的微電網應用中，負載或能源需求是能源系統設計的關鍵。設計效率和彈性意味著平衡這些資產與運營成本、可用空間、燃料資源和政府法規。
分布式發電系統的生命周期成本
發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。
與傳統的發電技術相比，分布式發電系統通常會降低運營成本。正確部署分布式發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重要的建筑系統。
二次燃料成本
許多微電網使用熱電聯產 (CHP) 模塊，該模塊可以從同一種燃料中產生電能和熱能，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，同時產生與單獨的熱電系統相同的功率和有用的熱能。與傳統的發電和熱能發電相比，CHP 模塊可減少約 50% 的碳排放。
最大限度地提高熱電聯產應用效率的挑戰是將熱副產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電機組或過程的熱量輸出，并增加來自鍋爐的熱量。
完美的平衡
在為任何應用設計微電網系統時，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
由于分布網絡廣泛，天然氣通常用于北美微電網系統。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。排放規則可以限制燃料類型。例如，柴油可能僅在某些地區用于備用，并且每年運行時間為 100 小時或更短。
○ 風力
強度：無需燃料
○ 太陽能
強度：無需燃料
○ 天然氣 (CHP)
優勢：使用沼氣的機會
劣勢：需要天然氣管道或儲存，某些區域需要排放控制
○ 柴油發電機
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
優勢：實現可再生能源的整合，提高發電機組的靈活性
● 電網連接和許可
每個單獨的公用事業公司都創建了一套規則來管理與其輸配電系統并行運行的過程和成本。即使電力保持在電表后面，在電網并聯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將如何影響與公用事業提供商的關系。
○ 風力
優勢：無碳排放、聯邦和地方激勵措施
劣勢：不可調度、視覺和噪音污染、資本成本
○ 太陽能
優勢：無碳排放、聯邦和地方激勵措施
劣勢：需要大空間（綠地）
○ 天然氣 (CHP)
優勢：使用沼氣的機會，可調度
○ 柴油發電機
強度：可調度
缺點：高 CO2 排放、高 NOx 排放、有限的運行時間
○ 儲能
優勢：聯邦和地方激勵措施
● 環境條件和工廠運營
設施負載或需求將決定微電網的規模和形狀。即使負載和設計相似，單獨分析每個站點也很重要，因為位置會影響當地法規。此外，高海拔和高溫等環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設計的主要早期驅動因素之一。
○ 風力
弱：視天氣情況而定
○ 太陽能
強度：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
○ 燃氣 (CHP)
優勢：電力供熱和制冷、高效、經濟的連續運行
○ 柴油發電機
強度：啟動時間快（<20 秒）
缺點：運行和維護成本高
○ 儲能
優勢：靈活使用多種應用，低運維成本
劣勢：電池容量隨時間衰減
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