分布式能源与微电网——典型应用

最近输电系统有关电网现代化的讨论很多。电网现代化似乎是新的、意义广泛的短语，涵盖了很多不同的主题。尽管基于不同的角度，但重点可能是新形式的基础设施或提高电力系统的效率，也许专家们还有兴趣减少碳足迹或使用更新的智能电网技术、这方面也有很多讨论。当所有有关电网现代化的言论被重新审视和简化后，它就变得很简单：需要一个更加动态和灵活的电网来满足21世纪的需求。

 戈梅拉岛使用ABB提供的一个500千瓦基于飞轮储能的PowerStore，成为典型意义上的分布式能源。该解决方案提供高速电网稳定性，以保持供需平衡(ABB)

幸运的是，电网的相关各方从多年前即致力于通过在电网上部署大量数字技术来植入现代化的种子。传统电网的规模和复杂性使现代化成为一项巨大的挑战，但这些先进技术正在使现代化成为可能。技术发展已经实现平台智能化，如，实时动态监测，预测分析诊断，决策资产管理系统和下一代可调度的可再生能源。

近75.6%的电力公司已经或正在制定现代化政策(Black&Veatch)

技术转型

随着电网从电力供应商扩展到能源服务平台，消费者成为产消者，尖端技术正在被结合起来，以提供人们无法预料的、改变游戏规则的能源消费格局。“转型”一词在论文和讨论中不断涌现。这些非凡的技术正在将电力公司的传统业务模式转变为非常规业务战略，这些战略正在模糊发电商，配电商和客户之间的区别。他们也在通过使用更少的煤和核能以及更多的风能，太阳能和天然气来改变发电资源组合。

反过来，这为分布式能源(DER)系统开启了大门，许多专家宣称分布式能源将是电网现代化事业的最大加速器。原来的DER概念很简单：小型能源 - 例如汽油或柴油发电机，屋顶太阳能和燃料电池 - 被放置在电表后端客户侧，以保持照明或减少电费。从那时起，DER一直在发展，并演变成现在被称为DER系统的各种数字技术。

新的DER系统包括发电设备，监控系统，控制方案和能量存储系统(ESS)，这些系统能够在连接电力生产商和消费者时实现更高的实时响应能力。当这些独立的系统整合时，它们不仅仅再是它们各部分的总和，他们变得更加复杂。尽管不是什么尖端科学，但它确实需要更好地了解技术和用户的需求。可以说，DER系统在电网现代化过程中的价值表现为：它们可以满足高度定制化的要求，并在需要的地方准确应用。

分布式发电在电力企业的电网现代化计划中扮演着重要角色(Black&Veatch)

期望和策略

Black&Veatch每年都会发布其“战略方向报告”，该报告对公用事业高管们就行业中正在发生的关注和趋势进行了调查。2018年的报告包含几个主题，电网现代化就是其中之一。Black&Veatch报告说：“大部分公用事业受访者(76%)都在忙于开发电网现代化计划，或者已经制定了新的配电策略，其中40%正在实施已经制定的电网现代化计划，而有36%的人正在制定，在目前没有从事电网现代化的24%中，超过一半的人正在考虑这一点。“

Black&Veatch的研究证实了许多官方的说法：电网现代化对于电网公用事业和运营商非常重要。不管喜不喜欢，现代化正在发生。其中一个研究的要点是正在引起广泛兴趣的DER系统。今年的调查显示，在所有反馈当中，45.8%的公用事业高管选择将DER系统集成为其计划的驱动元素。

这不仅对他们很重要，而且也是电网现代化进程中的关键因素。这个细节很重要，因为在过去，DER系统已经连接到电力系统，但没有人担心如何将它们整合到电网的运行中。这可能看起来像拨开头发，但现在看来它还是很复杂的。当DER的渗透率增加时，将其整合到电力系统中，以确保电网作为一个实时运行实体，变得更为困难。

Navigant Research公布的一份报告显示，到2024年，全球安装的DER系统容量将达到530.7GW。报告指出：“在许多市场中，DER的部署正在挑战现有的电网运营模式，需要一个具有高级通信和预先设计的动态网络，确保稳定，效率和公平。“

Black&Veatch的调查现在成为焦点，要安装这个规模的DER，需要业主/运营商的大量资源。过去电力公司讨论整合DER系统似乎很容易，但530GW绝对是一个挑战。

一些组织和机构报告了DER系统的真正优势在于本地化，它们能够使区域各种不同的资源与负载相匹配。在当地实现匹配意义重大，因为像美国能源部(DOE)这样的权威机构多年来一直强调，90%的电力中断都发生在配电系统上。DER/ESS方案的本地化已被证明可以减少用户停电，这已经引起了配电网的关注。为了同样的目的，将DER系统应用到大电网侧也是一种进步。只需要有人说，“让我们把这些DER应用做得更大”，它为电网规模的DER方案打开一扇门，将改变输电和配电系统界面。

康涅狄格州电力能源合作社(CMEEC)的DER系统：包括一个光伏电站和具有先进控制技术的电池储能系统(CMEEC)

分布式能源与储能

这种转变有很多原因。可再生能源已经帮助改变了供用电的边界，从消费者到产消者的转变，我们的许多客户已经成为了产消者。极端天气事件也产生了影响。有趣的是，天气的影响已经得到监管机构和客户的更多关注。当冰暴和飓风摧毁供电系统时，每个人都感到不安，在大量资源用于加强电力系统以应对风暴之后，情况尤其如此。

大多数人都明白，面对龙卷风，火灾，洪水和其他灾难时，只有少部分技术可以做到保持照明，我们这是才会注意到DERs/ESS在这些地区的作用。这些小型设备为关键基础设施提供了电力，使其能够在电网停电后继续运行，这提高了对DER技术的认识。

当然，最受关注的还是微网，它是DER系列的重要组成部分。微网被定义为电网的小规模版本，配有分布式发电(通常是风能或太阳能)，先进控制系统，孤岛功能和储能设施。过去，这些设备都是位于电表后端用户侧的小型系统，适用于个人客户，但这种情况正在发生变化，目前的微网已经转移了电表的前端，并且规模越来越大，这帮助他们获得了电网所有者和运营商的认可。

由于岛上安装了太阳能设施，考艾岛公用事业合作社中午的太阳能发电几乎饱和。因此，合作社在其13兆瓦的光伏电站内安装了52MWh的锂离子(Li-ion)电池，以便储存太阳能。该合作社最近宣布将增加另外19.3MW的太阳能发电和70MWh的电池存储，加入到现有的屋顶太阳能，电池和可控负载等DER系统。这种电网级DER系统为太阳能发电提供持续的服务，并稳定电压转换。

康涅狄格市政电力能源合作社(CMEEC)及其合作伙伴SolarCity在康涅狄格州Bozrah，Norwich和Groton安装了多个太阳能设施，总装机容量为13MW，配备1.5MW/6MWh锂离子电池储能系统。根据新闻稿，“将在Norwich设置的电池储能将与SolarCity的GridLogic控制技术集成，使CMEEC能够远程调控存储能量来管理峰值负载并优化网络的运营效率。”

这些电网集中式的DER/ESS项目为CMEEC的网络提供了可靠性支持，并使能源更加安全。

分布式能源的部署

输电配电边界的移动并不新鲜，很多年以前就发生过。最早受到关注的是圣地亚哥燃气电力公司(SDG&E)的Borrego Springs微电网项目。Borrego Springs坐落在2007年被野火摧毁的辐射供电线路末端。在美国能源部和加利福尼亚能源委员会资助下，SDG&E为该镇建造了一个微电网。该系统与客户的屋顶太阳能装置相互连接，包括两台1.8MW柴油发电机组，一台500kW/1500kWh电池储能装置和三台较小的50kWh电池。

SDG&E Borrego Springs微电网具有多种能源资源，可以构建强大的系统(国家能源技术实验室)

该系统于2013年受到恶劣天气摧毁输电线路的考验。微电网在输电线路恢复的24小时中承担了全部负载。2015年该DER系统进行了升级，连接到26MW的太阳能设施。SDG&E表示，该项目经常被用作能源创新的代表。

原来的Borrego Springs微电网(如图所示)其在电网上的角色多年来不断变化(加州能源委员会)

另一个为大型DER项目提供实践经验的项目是Ameren技术应用中心DER项目。该项目毗邻伊利诺伊州Champaign的UIUC校园，于2016年12月成为北美第一个实用规模微电网。Ameren的微电网运行在4 kV和34.5 kV之间，具有多级控制。Ameren DER项目将太阳能发电场，风力发电机，天然气发电机和电池储能相互连接，产生1475kW的电力。

Ameren的DER系统由施耐德电气的EcoStruxure软件控制。这个基于云的软件平台简化了DER系统与电网的集成。Ameren系统使用100千瓦的Northern Power Systems风力发电机组，125千瓦英利太阳能太阳能电池阵列，两台500千瓦的Caterpillar天然气发电机和一台250千瓦的S&C Electric Co.电池储能系统，可以提供两小时的电力。

Ameren微电网将风力发电机，天然气发电，光伏电站和电池储能相互连接。微电网可以直接向当地客户输送电力，将电力输送到电网或进行存储(Ameren)

最近，Xcel能源公司宣布将与松下公司和丹佛国际机场一起安装大型DER系统。该项目包括位于馈线上的电池储能系统，太阳能约占30%。据一位项目发言人称，“松下项目的四个主要组成部分包括：1.6兆瓦直流机库顶部太阳能安装，松下公司的259千瓦直流屋顶光伏系统，1MW/ 2MWh锂离子电池以及开关和控制系统来操作储能系统和微电网功能。“

电池系统包含Younicos GmbH的Y.Cube，由Younicos提供的智能YQ储能控制软件。DER系统通过缓释控制提供频率调节，太阳能电网整合，以及电网调峰，电价套利和非日光时间的备用电力。

Xcel Energy与松下和丹佛国际机场建立了一个独特的公私合作伙伴关系，以建立一个大型DER系统示范项目(Xcel Energy)

分布式能源的消纳

由于ABB，伊顿，通用电气，S&C Electric，西门子公司和施耐德电气等制造商引进了更先进的DER系统，因此这些电网侧DER系统项目正在获得动力。这些努力的结果是越来越重视重新定义电网边界。电力研究院(EPRI)关于将DER系统纳入电网的报告称：“通过技术改进，政策激励和消费者在技术和服务方面的选择，DER在未来的作用可能变得更加重要。 “

EPRI在报告中指出，DER技术的真正价值在于它所提供的服务，但现有监管政策，程序和规则使其变得困难。幸运的是，这正在发生变化。监管机构和其他利益相关方更好地理解了DER技术为电网弹性，安全性，需求响应和效率提供服务。

几年前，当政策制定者开始改变互连规则并为部署DER系统提供激励时，友好的监管政策就已经开始了。联邦能源管理委员会(FERC)近几年已经连续发布新的指令，承认使用ESS的DER系统的价值。

通过890和719号指令，FERC允许安装储能技术的公司获得补偿。在2011年，联邦能源管理委员会通过755号指令接受了快速响应技术(例如电池和飞轮)的价值。2013年，联邦能源管理委员会的784号指令广泛地向DER / ESS技术开放辅助服务市场。2016年末，联邦能源管理委员会公布了一项提议的规则制定通知，以更有效地将电力存储资源整合到有组织的市场。

2018年储能取得更实质性的进展。FERC在2月15日的投票种一致通过——区域传输组织、独立系统运营商可以将储能资源纳入容量、能源和辅助服务市场，清除其为电网提供服务的障碍。

在欧盟，中央机构没有制定关于DER系统使用或部署的具体规定或政策。各国可以制定自己的战略并实施。英国，爱尔兰，德国和意大利正致力于建立气候友好型能源消费模式，通过具体指令和框架计划促进可再生能源的渗透和微电网的开发。

在中国，政府制定了优惠政策。其目标是鼓励大规模开发和部署可再生能源和分布式发电，以促进中国的DER系统。

像Navigant Research这样的分析师并没有忽视这一全球性努力。预计到2026年，分布式储能年发电量将从2017年的683.9兆瓦增加到19,699兆瓦。最近的市场分析显示2017年全球最大的DER市场(最新数据)将是美国，中国，德国，日本和英国。

更加分散的输电系统和成熟的DER系统已经成为电网的热点，对这些新技术的接受朝着积极的方向发展。

Xcel Energy的为期两年的54千瓦的社区能源储存项目将测试馈线上电表后端用户侧的电池储能以及电网侧大规模电池储能，以测试该技术(Xcel Energy)

基础工程

随着DER技术在能力和性能方面的扩展，其接受程度也会增加，但了解这些系统、如何评估和集成到电网中更为重要。随着技术复杂性的增加，技术的应用似乎越来越困难。但是，它仍然围绕着基础工程实践展开。并非所有的DER系统都是相同的。需要快速响应还是持续供电更好?DER系统可以提供几秒钟或几个小时的能量。是否需要大容量的兆瓦级电力，或者短时间爆发能够满足最佳需求?DER系统可以是几瓦或几兆瓦。

因此，了解需要解决的问题和现实能力至关重要。DER系统提供服务以支持电网并为客户提供可靠的电力。他们可以提高电能质量，并提供持续可靠的电力。该行业需要将DER系统成功整合到电网中。该技术正在改变输配电系统界面，并将产业转向电网的分散化。然而有一点很重要，理解DER系统和电网不是竞争关系，而是互补的技术。