“微電網(wǎng)”，是相對傳統“大電網(wǎng)”而言的一個(gè)概念，是指采用先進(jìn)的控制技術(shù)以及電力電子裝置，把分布式能源和它所供能的負荷以及儲能等設備連接形成一個(gè)微型的完整電網(wǎng)。這種“微型”的電網(wǎng)是從發(fā)電、輸變電，直到終端用戶(hù)的完整電力系統，既可以自身形成一個(gè)功能齊全的局域性能源網(wǎng)絡(luò )，以不干擾輸配電系統的方式“孤網(wǎng)運行”；也可以通過(guò)一個(gè)公共連接點(diǎn)與市政電網(wǎng)并網(wǎng)連接：當微電網(wǎng)電源功能不足時(shí)可以通過(guò)大電網(wǎng)補充缺額，發(fā)電量大時(shí)可以將多余電量饋送回大電網(wǎng)。必要時(shí)，兩種模式間可以進(jìn)行切換，這充分維護了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩定運行。
作為多種分布式能源的集大成者，“微電網(wǎng)”技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間和應用場(chǎng)景。在一套完整的微電網(wǎng)系統中，分布式能源作為發(fā)電側的供能主體，不同品類(lèi)的能源之間能夠協(xié)同互補；在用電側，系統對用電負荷進(jìn)行監測和控制；在控制系統層面，微電網(wǎng)需要進(jìn)行內部調度以及與外部的溝通，實(shí)現高度自治；蓄冷、蓄熱和電儲能使得微電網(wǎng)兼具安全性以及靈活性。按照是否與大電網(wǎng)聯(lián)接，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類(lèi)。離網(wǎng)型微電網(wǎng)的應用場(chǎng)景包括解決海島和偏遠地區的用電問(wèn)題，并網(wǎng)型則為用戶(hù)的供能安全添加了一份保障，聯(lián)網(wǎng)運行也可以改善系統的經(jīng)濟效益。
分布式能源在離岸海島微電網(wǎng)的應用
英國蘇格蘭的埃格島（IsleofEigg）是海島離網(wǎng)型微電網(wǎng)成功應用的典范。因地制宜的微電網(wǎng)充分利用了當地的自然資源，其中發(fā)電系統主要由分布式光伏、小型風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電設施組成，總裝機容量為184千瓦。多余的可再生電力被儲存到電池陣列中，天氣條件不佳的情況下，電池組可以為全島提供一整天的電力。微電網(wǎng)中還包括兩臺70千瓦的柴油發(fā)電機，以備不時(shí)之需。整個(gè)系統的裝機容量雖不算大，但足以滿(mǎn)足近百名居民的電力需求，可以稱(chēng)得上是“小而美”的海島微電網(wǎng)。
微電網(wǎng)中，各種能源在不同季節、不同時(shí)段中協(xié)同運行，多能互補也成為埃格島電力系統的最佳配置。得益于較高的緯度，夏季的埃格島可以享受較長(cháng)時(shí)間的日照，再加上夏季雨水較少，光伏系統的利用率也隨之提高。受天氣影響，風(fēng)電和水電在夏季的出力狀況不甚理想，居民全天的電力消費都來(lái)自光伏和儲能電池，只有在游客增多等少數情況下，備用的柴油發(fā)電機才開(kāi)始供電。到了冬季，島上降雨增多，三臺小型水力發(fā)電機成為主要的電力來(lái)源。埃格島微電網(wǎng)的控制系統可以監測發(fā)電設施的運行，優(yōu)化電池的充放電循環(huán)，并且在電力短缺時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機。
微電網(wǎng)極大地提升了埃格島的電力消費品質(zhì)。微電網(wǎng)建成之前，居民靠自家的柴油發(fā)電機供電，在支付高昂成本的同時(shí)，還要忍受設備的噪音和空氣污染。島上的柴油依靠渡輪運輸，儲備有限的住戶(hù)會(huì )面臨斷電的風(fēng)險。如今，微電網(wǎng)保證了埃格島的不間斷供電，每年超過(guò)90％的電力消費都來(lái)自可再生能源，二氧化碳的排放量也降低了接近一半。另一方面，島上的微電網(wǎng)展示了出色的經(jīng)濟性。整個(gè)項目的設計和建設成本約為166萬(wàn)英鎊，而跨海架設電網(wǎng)的成本則高達400多萬(wàn)；目前，埃格島的電力價(jià)格仍高于英國的平均水平，但已經(jīng)比過(guò)去降低了60％。風(fēng)、光、水、儲的有效整合使居民擺脫了化石能源的限制，埃格島的經(jīng)驗也證明，離網(wǎng)型海島微電網(wǎng)可以滿(mǎn)足現代生活的電力需求。
分布式能源在偏遠區域微電網(wǎng)的應用
除了可以改善現有的供電系統外，離網(wǎng)型微電網(wǎng)還是無(wú)電地區實(shí)現電力普及的重要一環(huán)。國際能源署（IEA）的數據顯示，截至2014年，全球仍有12億人缺乏電力供應。在印度，無(wú)電人口的數量達到2．4億，約占印度人口總數的20％，其中絕大部分人生活在偏遠的農村地區，這給印度政府的全國電氣化計劃帶來(lái)不小的的技術(shù)和經(jīng)濟性挑戰。比哈爾邦（Bihar）是印度電力缺口最大的邦之一，全邦79％的農村家庭無(wú)電可用，其中超過(guò)一半的家庭沒(méi)有接入電網(wǎng)；其他所謂的“通電”家庭則依賴(lài)于單一的柴油發(fā)電機，這使得該區域對柴油特別依賴(lài)，提高了用能成本并造成了空氣污染。
以光伏作為主、柴油發(fā)電機作為備用的分布式能源系統可以解決這些偏遠地區的用電問(wèn)題。研究人員為農村家庭開(kāi)發(fā)了光伏微電網(wǎng)，包括一塊125瓦的太陽(yáng)能電池板、1千瓦時(shí)的儲能電池、控制箱和直流家電。不同于普通的交流用電，這套戶(hù)用微網(wǎng)以直流電運行，避免了光伏、電池和家電之間交直流轉換引起的能量損失。整套系統的成本比架設電網(wǎng)的方式更低，供電也更加可靠。已經(jīng)接入市政電網(wǎng)的家庭也可以將其作為優(yōu)質(zhì)的備用電源，免除電網(wǎng)頻繁斷電帶來(lái)的困擾。同時(shí)，研究人員也開(kāi)發(fā)了覆蓋多戶(hù)家庭的500瓦和7．5千瓦的微電網(wǎng)。目前，這套系統已經(jīng)為超過(guò)4000戶(hù)的農村家庭提供了電力。在比哈爾邦的農村社區，分布式光伏、儲能電池與已有的柴油發(fā)電機構成微電網(wǎng)系統，為用戶(hù)提供可靠電力的同時(shí)也降低了用電成本，在柴油價(jià)格走高之時(shí)，光伏的替代作用使系統的經(jīng)濟性更加出眾。目前，印度大多數的微電網(wǎng)和獨立供電系統仍采用柴油發(fā)電機，但成本日趨下降的分布式光伏和因地制宜的小型水電、風(fēng)電設施正逐漸凸顯出經(jīng)濟和環(huán)境效益，這在農村地區顯得尤為重要。離網(wǎng)型微電網(wǎng)將在印度的電氣化進(jìn)程中起到關(guān)鍵作用，這項技術(shù)也值得向全球的其他無(wú)電地區推廣。
分布式能源在城市社區微電網(wǎng)中的應用
如果說(shuō)離網(wǎng)型微電網(wǎng)是海島和偏遠地區實(shí)現電力普及的必選項，那么在可靠電網(wǎng)覆蓋的城市開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)系統則將起到錦上添花的作用。并網(wǎng)型微電網(wǎng)可以在聯(lián)網(wǎng)和獨立運行兩種狀態(tài)之間自由切換。當大電網(wǎng)出現故障時(shí)，微電網(wǎng)可以選擇與大電網(wǎng)斷開(kāi)，保障區域內用戶(hù)的供能安全；當選擇聯(lián)網(wǎng)運行時(shí)，微電網(wǎng)也可以通過(guò)出售多余電力和需求響應等方式獲得額外的經(jīng)濟收益。
并網(wǎng)型微電網(wǎng)滿(mǎn)足了美國最大的居民住宅——紐約聯(lián)合公寓城（Co－OpCity）的能源需求，并且在極端天氣的情況下保障系統的供能安全。該項目的核心設備是西門(mén)子公司生產(chǎn)的能夠實(shí)現冷、熱、電三聯(lián)供（CCHP）的燃氣輪機、蒸汽輪機以及控制系統。該能源站總裝機容量達到40兆瓦，可以滿(mǎn)足全部6萬(wàn)名居民24兆瓦的用電負荷峰值需求，其余16兆瓦容量發(fā)出的電力被出售給大電網(wǎng)。2012年10月，颶風(fēng)“桑迪”席卷美國東海岸并造成大面積斷電期間，聯(lián)合公寓城的微電網(wǎng)持續供能，6萬(wàn)名住戶(hù)未受影響。除公寓城外，處于颶風(fēng)登陸區域的紐約大學(xué)和普林斯頓大學(xué)也配備了以天然氣分布式能源站為主的微電網(wǎng)，兩所大學(xué)與大電網(wǎng)斷開(kāi)并切換至“孤島模式”，保證了市政電網(wǎng)斷電期間校園的能源供應。這些案例都充分體現了微電網(wǎng)系統的穩定性。
歸功于先進(jìn)的微電網(wǎng)系統，加拿大渥太華的亞崗昆學(xué)院（AlgonquinCollege）得以大幅降低校園的用能成本。值得一提的是該微電網(wǎng)系統的“智能化”大腦——西門(mén)子SpectrumPower分布式能源微網(wǎng)系統管理平臺（MGMS），該系統集成建筑自動(dòng)化和負荷管理技術(shù)，擁有最大容量超千萬(wàn)條數據點(diǎn)，可以監測并記錄校內建筑的能源消耗，并對暖通、空調、照明等設施進(jìn)行遠程控制，在不影響正常教學(xué)的前提下提高建筑的能源效率。校內微電網(wǎng)主要由容量為4兆瓦的天然氣CCHP機組供能，以及分布式光伏、儲能和電動(dòng)汽車(chē)充電站等系統，但發(fā)電功率略低于校園的峰值負荷。在需要進(jìn)行獨立運行時(shí)，控制系統將識別并削減不必要的負荷，使微電網(wǎng)平穩過(guò)渡到孤島模式。另一方面，控制系統還會(huì )根據能源市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)，調節校園內的供電比例。當地電力市場(chǎng)的電價(jià)每小時(shí)都會(huì )發(fā)生變化，控制系統的算法可以預測微電網(wǎng)的用電負荷，比較CCHP機組和電網(wǎng)供電的綜合成本，并最終選擇最為經(jīng)濟可靠的方案。通過(guò)微電網(wǎng)和其他節能技術(shù)，亞崗昆學(xué)院每年節約的運營(yíng)成本高達320萬(wàn)美元。除此之外，微電網(wǎng)的獨立性可以使學(xué)校參與電力公司的需求響應項目，在電網(wǎng)供電緊張的時(shí)段主動(dòng)提升能源自給的比例，降低校園對電網(wǎng)電力的需求，從而獲得電力公司的經(jīng)濟激勵。
