作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

如太陽能、風能、熱電聯產 (CHP)、電池儲能系統 (BESS)，甚至傳統發電機等分布式能源資源 (DER)，都能極大地促進商業和工業設施的可持續性和恢復能力，而且將這些能源資源組合成一個微電網，通過自動化控制系統以智能方式協調、管理能源的產生、流動、存儲和消耗時，效果尤其明顯。

為了最大限度地提高微電網的環境和經濟效益，控制器必須能夠實時平衡 DER 的運行和集成，并能夠管理諸如照明、供暖通風和空調 (HVAC) 系統、電動汽車 (EV) 充電和信息技術裝置等智能負載，利用歷史需求信息預測未來的負載狀況，提供與公用電網之間的安全、高效的連接，以及利用實時能源價格數據來支持需求響應功能。

本文將回顧微電網的組成要素，介紹微電網架構，概述 IEEE 1547（該標準規定了 DER 互連的要求）和 IEEE 2030（該標準規定了描述微電網控制器功能的全面技術流程），然后探討微電網控制器如何增強可持續性、恢復力和經濟效益，最后簡要介紹微電網的網絡安全問題。

微電網需要什么？

微電網有許多實施方式和組成部分。要討論微電網和 DER 如何最大限度地提高可持續性和恢復力，最好從了解微電網組件和架構的定義和一些示例開始。美國能源部 (DOE) 將微電網定義為“在明確界定的電力邊界內，一組相互連接的負載和分布式能源資源，相對于電網而言，它們是單一的可控實體。微電網可以與電網連接和斷開，使其能夠以并網或孤島模式運行”。

雖然微電網的定義簡單明了，但在建設微電網時，需要在一系列微電網類別、運行模式和可能的子系統中進行選擇；要實現微電網的最大可持續性和恢復力，需要在建筑和運行方面做出許多選擇。自動化是一個重要的考慮因素。自動化子系統的示例包括（圖 1）：

• 微電網內發電，包括各種不同的 DER 和 CHP
• 配電網絡
• BESS
• 如 HVAC 系統、工業設施中的機器和電機等負載
• 管理電動汽車充電和車聯網 (V2G) 連接
• 微電網控制器和開關柜
• 與公用電網的互聯，用于并網裝置

圖 1：微電網可包括各種不同的 DER、CHP 和負載。（圖片來源：Schneider Electric）

微電網的分類

微電網可按離網或并網進行分類：

離網設施主導型是最常見的微電網類型。使用案例包括無商業公用電網服務的偏遠地區，如礦山、工業場所、山區住宅和軍事基地。

偏遠地區也有離網社區主導型。使用案例包括偏遠村莊、島嶼和社區。雖然設施主導型微電網由單一實體控制，但社區主導型微電網必須滿足一群用戶的需求。這類微電網可能需要更復雜的指揮和控制系統。

并網設施只有一個所有者，且在主電網不可靠而又需要供電的地區，或在微電網所有者提供的可甩負荷和其他服務有經濟激勵的情況下，并網設施用于提高可靠性。使用案例包括醫院、數據中心、連續加工制造廠和其他高利用率建筑。

并網社區有多個能源用戶和生產商與主電網相連，并作為一個單一實體進行管理。使用案例包括企業或大學校園、村莊和小城市。這些地方可能有各種各樣的能源用戶、生產商和儲存設施，其控制也最為復雜。

微電網有時是一座孤島

除了討論微電網的組成部分之外，DOE 的定義還提到了微電網在“并網模式和孤島模式”下的運行。這些模式的定義簡單明了，但實施起來卻比較復雜，一些 IEEE 標準對此做了相應的規定。

IEEE 1547-2018 分布式資源與電力系統的互連標準詳細介紹了 DER 與電網互連互通的技術要求。IEEE 1547 是一個不斷進化的標準。IEEE 1547 的早期版本是為低 DER 滲透率水平而制定的，并未考慮 DER 對大容量電力系統潛在的區域累積影響。IEEE 1547-2018 增加了有關電壓和頻率調節以及穿越能力的更嚴格要求，以提高輸電系統的可靠性。最近，又增加了 1547a-2020 修正版，以適應異常運行情況。

IEEE 2030.74 用兩種穩態 (SS) 運行模式和四種轉換 (T) 類型描述了微電網控制器的功能（圖 2）：

• SS1 即穩態并網模式，將微電網與公用電網相連。控制器可利用微電網中的組件為電網提供諸如削峰、頻率調節、無功功率支持和斜坡管理等服務。
• SS2 即穩定島模式，也稱為“孤島”模式，是指微電網與公用電網斷開并隔離運行。控制器需要平衡負載、微電網發電和儲能服務，以維持微電網的穩定運行。
• T1 是指按計劃從并網模式過渡到穩態孤島模式。即使在公用電網可用的情況下，也可能會存在經濟或運行方面的激勵因素促使人們轉而采用孤島模式。此外，這種模式還可支持微電網運行測試。
• T2 是指從并網模式到穩態孤島模式的非計劃過渡。這類似于數據中心的不間斷電源的運行，通常在主電網發生故障時投入使用。微電網可無縫斷開，作為獨立的電力網絡運行。
• T3 指的是孤島與公用電網的重新穩態連接。這是一個復雜的技術過程，微電網上的“電網形成”發電機會感知電網電源的頻率和相位角，并在重新連接之前將微電網與主電網精確匹配。
• T4 是進入穩態孤島模式的黑啟動。在這種情況下，微電網發生故障，且必須與公用電網隔離，然后以孤島模式重新啟動。之所以出現這種情況，可能是因為微電網控制器無法通過 T2 穩定過渡來應對意外停電，也可能是孤島無法發出足夠的電能或蓄能不足以繼續向所有負載供電，且必須在發電機投入前切斷所有非必要負載。此外，微電網上的任何 BESS 在重新連接之前都必須至少進行部分充電。

圖 2：IEEE 2030.74 要求微電網控制器能夠適應兩種穩態條件和四種狀態之間的轉換。（圖片來源：National Rural Electric Cooperative Association）

實施微電網

DER 和負載的組合幾乎與微電網一樣多，但自動控制器和開關設備是其共同元素。在大型微電網（如上圖 1 所示）中，微電網通常分為中央控制室、用于 DER 和負載的分布式開關設備，以及用于并網設計的變電站（作為微電網與公用電網之間的開關設備）。

微電網控制器需要信息，且為了最大限度地增強恢復力、可持續性，還需能夠快速反應。控制器利用傳感器網絡實時監控 DER 和負載的運行情況。對于并網型微電網，控制器還能監控本地公用電網的狀態。一旦出現異常，控制器會在幾毫秒內做出反應，并向相關的 DER、負載或開關設備發送指令。

開關設備的功率從幾千瓦到幾兆瓦不等，需要在幾毫秒內響應控制器的要求，否則可能會出現嚴重的故障。有些開關設備具有智能斷路器，可自動運行，提供額外保護。

對于較小的裝置，控制器和開關設備可合并為一個設備，有時稱為能源控制中心 (ECC)。ECC 可在工廠進行預接線、組裝和測試。ECC 簡化并加快了微電網的安裝，可管理多種能源，包括電網電力和具有優先負載的 DER。例如，[Schneider Electric]為樓宇級微電網提供了 ECC 1600 / 2500 系列 ECC（圖 3）。ECC 1600/2500 系列的部分功能包括：

• 可根據訂單進行配置，額定功率從 100 kW 到 750 kW 不等，并可針對現有建筑或新建筑進行優化
• 可與光伏、BESS、風能、燃氣和柴油發電機等多種 DER 配合使用
• 控制器可實現停電期間的恢復能力，包括將光伏發電與備用發電機或 BESS 等資源一起使用
• 自動智能計量可提供有關電能質量、能源使用和 DER 生產的信息
• 配電母線為 1,600 A 至 2,500 A 的開關設備
• 基于云的分析，最大限度地提高 DER 的恢復能力和投資收益

圖 3：ECC 將微電網控制器（左）和開關設備（右）合二為一。（圖片來源：Schneider Electric）

安全可靠的能源

網絡安全是能源安全和恢復力的一個重要方面。國際能源機構 (IEA) 將能源安全定義為“以可承受的價格不間斷地提供能源”。微電網可以極大地促進確保低成本、安全和有彈性的能源供應。

通信是微電網的基本要素。這意味著要與云進行通信，可能還需要與本地公用電網進行通信，以優化性能。此外，構成典型微電網的各種 DER 和負載來自不同的制造商，且采用不同的通信協議和技術。互聯網連接和無線技術（如 Wi-Fi）幾乎在所有微電網中都能看到，它們對實現最大效益至關重要。它們還支持輔助功能，如收集天氣預報信息以及燃料和能源的實時價格。

確保網絡安全是非常復雜的任務。除安全硬件外，還需要相應的政策、程序和人員來解決網絡漏洞問題，這些漏洞可使攻擊者訪問敏感的網絡和數據，甚至篡改控制軟件，損壞微電網運行。恐怖分子只是一方面；還要考慮競爭對手或不擇手段的員工。操作人員可能會出錯，網絡可能因軟件過時而存在未知漏洞等（圖 4）。對于網絡安全問題，不能事后諸葛亮。必須從一開始就將其設計到微電網硬件、軟件和流程的各個方面，這樣才能做到有效。

圖 4：人員、流程和物理安全漏洞形成的缺陷都可能成為微電網的攻擊向量。（圖片來源：Schneider Electric）

結語

微電網將眾多 DER 和負載整合到同一個系統中，以最大限度地提高電源的可持續性和恢復力。有多種微電網架構可用來支持具體的能源和連接需求。微電網數量的不斷增加和 DER 的日益普及，推動了 IEEE 1547 互聯標準的演變，并使得微電網網絡安全日益受到關注。