如今，微電網(wǎng)和儲能行業(yè)的發(fā)展前景日益廣闊。日益增長的網(wǎng)絡(luò)安全威脅和頻繁的自然災(zāi)害給電力系統(tǒng)帶來了更大的風(fēng)險，這使得微電網(wǎng)解決方案成為客戶和公用事業(yè)公司改進(jìn)電力供應(yīng)的理想基礎(chǔ)設(shè)施。

然而有時候，“微電網(wǎng)”與“儲能”的術(shù)語可以互換使用。這意味著儲能系統(tǒng)可以提供備用電能，而人們認(rèn)識到微電網(wǎng)和儲能不是同一件事是很重要的。

儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)來說無疑是必不可少的因素。儲能系統(tǒng)是一種靈活的多功能分布式能源，可為微電網(wǎng)提供顯著的效益。然而，單獨部署儲能系統(tǒng)并不會構(gòu)成微電網(wǎng)，并且在很多情況下，微電網(wǎng)也可以在沒有部署儲能系統(tǒng)的情況下進(jìn)行設(shè)計和實施。

由于增加儲能資源會為微電網(wǎng)項目帶來額外的資本投資，因此客戶必須確定其彈性和能源安全目標(biāo)，并與能源解決方案合作伙伴開展合作以實現(xiàn)這些目標(biāo)。其合作伙伴應(yīng)該是獨立運營的，能夠提供最好的解決方案組合，擁有豐富的節(jié)能經(jīng)驗，并最大程度地提高成本效益，并具有發(fā)電、控制和儲能方面的專業(yè)知識，可以有效地開發(fā)、設(shè)計和實施成功的能源安全解決方案。

微電網(wǎng)的彈性范圍

重要的是要定義什么樣的微電網(wǎng)，這對于回答儲能系統(tǒng)對其設(shè)計的重要性的問題很重要。

在電網(wǎng)中斷時，微電網(wǎng)為用戶提供備用電源，并以安全可靠的方式獨立服務(wù)于現(xiàn)場的電力負(fù)荷。這種斷開狀態(tài)通常被稱為“孤島”，因為它實際上是一個小型動力系統(tǒng)，可以滿足用戶的需求，而無需將電力傳入或傳出孤島。如果一個站點的負(fù)載不能由現(xiàn)場發(fā)電服務(wù)，那么需要優(yōu)先考慮為那些被認(rèn)為對站點運營至關(guān)重要的負(fù)載提供電源。

Ameresco公司推出的一種微電網(wǎng)有效設(shè)計方法的核心功能包括：節(jié)能、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)控制，并在一定程度上儲存電能。這種以效率為中心的方法確保了微電網(wǎng)系統(tǒng)針對效率進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地減少能源的浪費，并將大部分成本有效地投資于新一代儲能和控制設(shè)備。

三個主要問題有助于對微電網(wǎng)的彈性進(jìn)行說明，這些彈性開始確定這些核心功能在多大程度上都是必需的。首先，用戶需要多久才能完成從并網(wǎng)狀態(tài)到孤島狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?其次，站點總負(fù)載中有多少是關(guān)鍵負(fù)載?第三，客戶期望服務(wù)于這些關(guān)鍵負(fù)載(例如幾分鐘或幾周)時間有多長?

圖中所示的微電網(wǎng)彈性范圍從沒有彈性到完全具有彈性，并且可以實現(xiàn)從連接到電網(wǎng)的實際無縫過渡。沒有部署微電網(wǎng)的客戶(例如住宅用戶)在電網(wǎng)中斷期間將會完全中斷。一旦電力公司診斷并解決了電網(wǎng)中斷或故障，其電力才會恢復(fù)正常。

其次，配備現(xiàn)場緊急備用發(fā)電和轉(zhuǎn)換開關(guān)的客戶可以部分恢復(fù)電力，因為他們的一些或全部負(fù)載可以根據(jù)發(fā)電機(jī)功率的大小來提供服務(wù)。其電力供應(yīng)將會暫時中斷，直到備用發(fā)電機(jī)可以為負(fù)載提供持續(xù)的電力。在這種情況下，一些特別關(guān)鍵的負(fù)載(例如計算機(jī)或數(shù)據(jù)服務(wù)器)可能將采用不間斷電源(UPS)提供的備用電源，以在有限的時間內(nèi)為特定關(guān)鍵負(fù)載提供電能。許多辦公樓就是這種場景的例子。

對于某些客戶來說，電力供應(yīng)的中斷對企業(yè)關(guān)鍵運營構(gòu)成重大風(fēng)險，或者生產(chǎn)力下降，產(chǎn)品的產(chǎn)量下降，大學(xué)或?qū)嶒炇噎h(huán)境下的研究中斷，或其他價值損失等形式造成顯著的經(jīng)濟(jì)損失。這就需要在電網(wǎng)受到干擾的期間不間斷地過渡到獨立的孤島運行，這意味著客戶設(shè)施內(nèi)的某些負(fù)載的電力根本不會中斷。

雖然具有不間斷電源的過渡(圖中右半部分所示)對許多客戶來說可能是需要的，但這種能力會增加微電網(wǎng)的復(fù)雜性和成本。為了實現(xiàn)不間斷地向孤島運行的過渡，并且不會影響供電的連續(xù)性，保護(hù)性電氣控制設(shè)備必須安全，并且立即將現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備與不穩(wěn)定的電力設(shè)施之間的連接進(jìn)行隔離，并且緊急發(fā)電設(shè)備必須立即為負(fù)載提供服務(wù)，在電網(wǎng)發(fā)生干擾和中斷時，可以提供現(xiàn)場發(fā)電，例如熱電聯(lián)供為負(fù)荷提供電力，并且采用微電網(wǎng)控制措施，能夠識別并迅速對電力干擾和中斷做出反應(yīng)，則可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。

關(guān)于成功不間斷地過渡到孤島運營的關(guān)鍵決定是，是否有足夠的發(fā)電量來為該場地的關(guān)鍵負(fù)荷提供服務(wù)，或者是否需要減少(關(guān)閉)較少的關(guān)鍵負(fù)荷以匹配可用的發(fā)電量。微電網(wǎng)控制措施可能需要迅速進(jìn)行，以維持現(xiàn)場柴油發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性，并維持電力供應(yīng)的連續(xù)性。

為了實現(xiàn)在電網(wǎng)和現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備之間不間斷轉(zhuǎn)換，具有完全彈性的微電網(wǎng)，如最右端的彈性范圍，需要有足夠的柴油發(fā)電機(jī)來滿足所有現(xiàn)場負(fù)載要求。在發(fā)生停電時以及連續(xù)數(shù)小時或數(shù)天時間之前，這必須實施，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常。即使在這種情況下，也可考慮使用微電網(wǎng)控制，以便響應(yīng)意外情況，如柴油發(fā)電機(jī)故障或負(fù)載水平發(fā)生意外變化。

微電網(wǎng)為電力用戶提供安全斷開電網(wǎng)的能力

如果有足夠的發(fā)電量或計劃實施，并且適當(dāng)?shù)奈㈦娋W(wǎng)控制和適當(dāng)?shù)奈㈦娋W(wǎng)控制基礎(chǔ)設(shè)施，則可以實現(xiàn)不間斷的過渡而不需要儲能。然而，向混合電網(wǎng)添加儲能系統(tǒng)可以顯著增強(qiáng)上述微電網(wǎng)場景。而對于沒有連續(xù)供電的備用電源的客戶而言，儲能系統(tǒng)成為微電網(wǎng)架構(gòu)的一個非常重要的方面。

微電網(wǎng)解決方案中儲能系統(tǒng)的作用

現(xiàn)代儲能系統(tǒng)的獨特之處在于它們的響應(yīng)速度非?？?，既可以產(chǎn)生電能，又可以吸收電能，并且在某些情況下可以調(diào)節(jié)配電系統(tǒng)中的實際和無功電源質(zhì)量。這些功能使儲能系統(tǒng)能夠服務(wù)于微電網(wǎng)內(nèi)的各種角色，例如客戶需要不間斷的孤島電源，不需要現(xiàn)場發(fā)電，或需要補(bǔ)充其配電系統(tǒng)中存在的現(xiàn)場發(fā)電。以下了解一下儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)的兩個截然不同的運行階段中扮演的角色：同時進(jìn)行從并網(wǎng)運行到孤島運行的轉(zhuǎn)變，或者繼續(xù)孤島運行。

有效地實現(xiàn)向孤島運作的過渡需要大量的協(xié)調(diào)和非?？焖俚目刂菩袆?，以毫秒為單位。在此期間，經(jīng)過商業(yè)驗證的電池儲能系統(tǒng)(如鋰離子電池)的高功率和快速響應(yīng)能力，可用于在有限的時間內(nèi)為微電網(wǎng)提供有效的瞬時功率，提供電網(wǎng)中斷期間的電力，直到現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備能夠在長時間為大部分負(fù)荷提供服務(wù)。如果沒有配備備用柴油發(fā)電機(jī)，微電網(wǎng)只能維持到儲能容量耗盡，其維持時間通常為15分鐘到幾個小時。在電網(wǎng)供應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩⒐聧u供電的過程中，一些儲能逆變器能夠調(diào)節(jié)孤島供電系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率，維持孤島電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。這個功能通常在電網(wǎng)正常運行時或通過柴油發(fā)電機(jī)來滿足，但如果設(shè)計得當(dāng)，則可以通過儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)。

一旦轉(zhuǎn)換到孤島運行完成后，儲能系統(tǒng)的作用就會從短時間響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笙薅鹊匮娱L微電網(wǎng)的工作持續(xù)時間。儲能系統(tǒng)的充放電能力創(chuàng)造了一種可調(diào)度的資源，可以遵循微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的指令來提供額外的發(fā)電量，或者通過電力需求來平衡現(xiàn)場發(fā)電的供應(yīng)。同樣，由于當(dāng)?shù)纳逃脙δ芟到y(tǒng)的容量通常只能提供四個小時的后備電源，所以儲能系統(tǒng)連續(xù)支持微電網(wǎng)的能力是有限的，除非通過現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備充電。因此采用沒有發(fā)電設(shè)備的儲能系統(tǒng)會對需要長時間關(guān)鍵電源的設(shè)備運營連續(xù)性帶來風(fēng)險。

來自現(xiàn)場發(fā)電的觀點

以Ameresco公司的微電網(wǎng)和儲能項目為例，用于說明微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的不同作用。 Ameresco公司的能源安全方法主要建立在開發(fā)、設(shè)計和實施適合客戶特定場地需求和條件的解決方案上。這對于為客戶提供具有成本效益和技術(shù)能力的解決方案至關(guān)重要，因為微電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)并非是一種萬能的概念。

Ameresco展示了其在英國樸茨茅斯海軍造船廠實施微電網(wǎng)解決方案而無需儲能的案例。該項目通過英國國防部ESTCP計劃資助，通過使用新的微電網(wǎng)控制對現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)和柴油發(fā)電(DG)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充，使該項目從電網(wǎng)向孤島運營過渡。

在實施之前，該現(xiàn)場的現(xiàn)有發(fā)電資產(chǎn)包括兩臺燃?xì)廨啓C(jī)和兩臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。然而，該地點的電力需求常常高于這些備用電源的容量。在正常運行期間，這個站點從電力公司購買電力以服務(wù)其現(xiàn)場發(fā)電所支持的負(fù)載。而在項目實施前，電網(wǎng)中斷或負(fù)荷超載時的電力中斷導(dǎo)致現(xiàn)場發(fā)生全面停電，而現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備不能承擔(dān)全部負(fù)荷，備用柴油發(fā)電機(jī)通常并不能立即恢復(fù)供電。

該項目專注于采用先進(jìn)的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以檢測即將發(fā)生的電力中斷何時到來，并且非常迅速(大約幾十毫秒)關(guān)閉整個基地的非關(guān)鍵負(fù)載，以防止更廣泛的停電。雖然大型儲能系統(tǒng)肯定會加強(qiáng)解決方案，但該項目顯示了儲能系統(tǒng)的部署對于有效的微電網(wǎng)并不總是一個嚴(yán)格的要求。

另一方面，Ameresco公司為美國中部地區(qū)的客戶提供了一個微電網(wǎng)解決方案。當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電不穩(wěn)，迫使其采用備用柴油發(fā)電機(jī)為其100%的電力負(fù)載提供服務(wù)。

Ameresco公司提供的方案中，采用了一個大型太陽能光伏發(fā)電陣列和一個大型電池儲能系統(tǒng)，以及一個先進(jìn)的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，從而降低這個站點的傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的備份容量。

這些發(fā)電組合可以讓這個客戶采用電網(wǎng)的電力，因為所提供的解決方案可以緩解原有的電網(wǎng)可靠性問題。當(dāng)電網(wǎng)的電力供應(yīng)中斷時，該站點部署的儲能系統(tǒng)將承擔(dān)控制系統(tǒng)電壓和頻率的重要責(zé)任，并在太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作的同時穩(wěn)定電源，直到備用分布式電源可以聯(lián)機(jī)供電。由于沒有電池儲能系統(tǒng)作為此解決方案的一部分，該站點無法實現(xiàn)微電網(wǎng)的不間斷過渡。

Ameresco公司已經(jīng)實施并正在開發(fā)眾多微電網(wǎng)和儲能項目，其中電池儲能系統(tǒng)為客戶提供重要的并網(wǎng)能力。其中一個例子就是在加利福尼亞州聯(lián)邦法院的項目。 Ameresco公司最近為其提供了一個750kW/ 1425Kwh的鋰離子電池儲能系統(tǒng)，以及屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)和建筑節(jié)能措施。電池儲能系統(tǒng)顯著降低了對電廠的電力需求費用和公用事業(yè)公司的峰值能耗。電力成本驅(qū)動因素促進(jìn)了該解決方案的開發(fā)，而不是能源安全。

結(jié)論

部署儲能系統(tǒng)并不會構(gòu)成微電網(wǎng)，因為需要考慮產(chǎn)生和控制以滿足客戶從電網(wǎng)服務(wù)向孤島運營的轉(zhuǎn)變，并在現(xiàn)場維持預(yù)期的停電持續(xù)時間。

儲能系統(tǒng)應(yīng)被視為一種可為微電網(wǎng)帶來顯著附加效益的有價值資產(chǎn)。通過提供瞬時發(fā)電、引入吸收和釋放電力的能力，維持孤島發(fā)電系統(tǒng)的電力質(zhì)量。儲能系統(tǒng)可以作為一種粘合劑將微電網(wǎng)結(jié)合在一起，同時在正常并網(wǎng)運行期間產(chǎn)生價值。電力需求響應(yīng)速度允許儲能系統(tǒng)提供一些客戶的備用發(fā)電設(shè)備無法提供的優(yōu)勢?？傊畬τ诳蛻魜碚f，并沒有“一刀切”的解決方案。考慮到電力彈性解決方案的用戶應(yīng)該尋求具有豐富經(jīng)驗的合作伙伴來幫助評估、設(shè)計、實施和運行一個成功的解決方案，以整合其現(xiàn)有資產(chǎn)、風(fēng)險承受能力、使命，以及成本目標(biāo)。