本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
作者：Dawn Santoianni
“能源独立”已成为政治词汇的一部分，并被吹捧为经济衰退的灵丹妙药。最近，这个概念已演变成“能源安全”，它不仅包括国内能源资源的丰富，还包括免受能源市场操纵的自由。然而，对于能源安全，仍然存在许多相互冲突的定义。能源安全是否意味着仅使用可再生能源或碳中和能源资源来防止进一步的人为全球变暖？化石燃料，特别是天然气，如何适应安全的能源未来？有一件事是肯定的——当我们看到能源安全失败时，或者更糟糕的是，亲身经历它时，我们就会知道。超级风暴桑迪的余波是最近的例子，说明社会在能源供应中断面前是多么脆弱。根据美国能源部的数据，超过 860 万用户在桑迪过后断电，比历史上任何其他风暴都多。然而，在东北部大范围停电期间，出现了“电力孤岛”，这可能为真正的能源安全指明方向。当电力传输系统发生故障时，微电网保持了照明。
微电网是本地发电资源和电力用户（负荷）的互连，针对反应性和可持续运行进行了优化。与提供输电网骨干的大型集中式发电厂不同，微电网利用分布式发电 (DG)，分布式发电可以来自传统发电机、燃料电池、高效热电联产系统和可再生能源。虽然微电网系统通常可以连接到区域输电网络，但当电网瘫痪时，它们也能够自给自足或“孤岛”运行。
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微电网应对气候变化的案例
根据美国进步中心的数据，在过去两年（2011 年和 2012 年）中，美国发生了十四 (14) 起极端天气事件，每起事件造成的损失都超过 10 亿美元。其中许多事件都造成了大范围停电。持续的干旱也是一个巨大的担忧，因为许多能源技术严重依赖水，包括蒸汽发电和天然气水力压裂。根据国际能源署 (IEA) 的数据，全球 50% 的用水量用于能源生产。虽然在国家层面上，尚未出台协调一致的政策来解决气候变化对能源安全的影响，但这种情况正在促使一些州调查微电网作为一种解决方案。在一系列风暴袭击该州并导致大规模停电后，康涅狄格州正在探索政策以鼓励微电网发展。康涅狄格州将成为一个重要的案例研究，研究如何制定政策以促进采用，以及与社区微电网相关的问题，包括公平性、公用事业参与和经济性。
在区域电力系统瘫痪的紧急情况下，能源供应的可持续性一直是微电网的主要驱动力。考虑一下微电网方法和集中式发电之间的区别。集中式发电严重依赖大型基荷核电站、燃煤电站和天然气电站。集中式发电厂和最终用户电力输送之间的电力中断可能发生在数百英里长的变压器、输电线路和变电站网络中的任何位置。脆弱性不仅限于风和洪水。电压不稳定、设备故障、计划外的发电机停运、恐怖袭击、冰和闪电都可能导致大范围停电。相比之下，微电网系统具有多个（通常是多样化的）发电来源以及靠近最终用户的储能能力。控制也是本地化的，可以响应输电网的不稳定性、补偿负荷减少以及有效部署可用发电量。
美国军方一直在探索使用微电网以满足野外作战期间明显的能源安全需求。最近的国防部 (DoD) 研究编录了 44 个现有、计划中或已演示的国防部微电网装置。微电网的其他应用包括无法接入大型输电网络的偏远地区、医院、数据中心和其他无法承受断电的关键任务系统。值得注意的两个机构微电网是圣丽塔监狱和 加州大学圣地亚哥分校的“活实验室”微电网。在荷兰，PowerMatching City 是一个拥有 22 户住宅的社区，正在那里演示先进的微电网技术。这些微电网系统提供了宝贵的技术审查和学习机会。在全球范围内，Pike Research 已确定现有微电网总容量为 3.2 吉瓦 (GW)。
微电网的可持续性案例
除了提高可靠性外，微电网还具有其他优势，包括能源效率和可再生能源的整合。微电网采用复杂的技术架构和控制，以实现需求响应、优化负载以响应发电变化以及在区域输电网发生破坏性事件时切换到孤岛运行。微电网经过设计和定制，以满足特定混合用途社区或装置所需的电力（有时是热力）组合，并允许自动可调和可切除负载以提高效率和可靠性。
并且由于微电网经常使用可再生能源和燃料电池，因此它们支持碳减排和绿色生活目标。可再生能源非常适合微电网，原因有二。区域电力平衡机构认为大多数可再生能源都是随机的（不可预测的），并且出于预测目的，将它们视为负荷而不是发电来源。必须从发电来源获得足够的运行备用，以满足一天中给定时间段的最高预计需求。这意味着发电资源存在大量冗余（有些人会称之为浪费）。此外，如果风电场等可再生能源产生的发电量超出预期，输电网络必须补偿因电力增加而引起的输电线路沿线的潜在电压和频率波动。通过将可再生能源发电与负荷侧（本地）的需求相匹配并利用储能，微电网有助于消除输送到电网的可再生能源发电的波动性。混合动力电源还减少了对传统发电机燃料（如柴油、丙烷和汽油）的依赖。
微电网的经济性案例
即使重新关注分布式发电和微电网的能源安全效益，该技术也需要大量的前期投资，这可能成为进入壁垒。西门子是微电网发电资源和管理软件的主要开发商，据估计，支持 40 兆瓦 (MW) 负荷的微电网可能需要高达 1.5 亿美元的投资。虽然大规模储能的成本一直令人望而却步，但微电网储能规模较小、效率提高以及本地配电网络管理间歇性的能力有望改善经济性。
除了增强能源安全外，微电网的经济理由还包括节能、效率提高和排放减少。由于发电资源、储能、智能电表、变压器、控制系统架构和通信网络有多种技术选择，微电网规划是一项复杂的投资优化练习。每种选择对系统成本和投资回报率 (ROI) 的影响并不明显。DNV KEMA 是一家在智能电网、微电网和能源市场方面拥有丰富经验的能源和可持续发展公司，它开发了一种直观的可视化工具来协助微电网的总体规划。DNV KEMA 的专有微电网成本/效益分析模型评估了一系列技术的财务决策，包括发电、储能、建筑效率、负载自动化、热负荷管理、分布式系统基础设施、遥测和控制。这种特定位置的优化工具允许用户在评估与气候、技术成本、能源价格和不断变化的需求相关的不确定性和风险的同时，评估成本、投资回报率、排放性能、可靠性和入住率（即对于混合用途开发项目）。此类优化工具可帮助确定长期投资方法、跟踪能量平衡并量化对关键负载的支持持续时间。除了为商业案例提供依据外，微电网优化模型还可以通过比较不同费率结构、激励措施和新技术的影响来为政策制定提供信息。
尽管存在成本障碍，但 最近一项由 IEEE 委托进行的智能电网高管调查报告称，医院和医疗机构是未来五年微电网的最大预期市场。该报告的结论是，私营和公共部门对微电网、分布式发电和电网级储能项目的资助将推进这些技术的经济高效应用。到 2020 年，全球微电网市场预计将达到 134 亿美元，比 2012 年的投资增加近三倍。
监管障碍
政策和监管障碍使微电网的开发变得复杂，并可能使经济效益降低。诸如管理发电资产所有权的法规、根据州法律将微电网归类为配电或蒸汽公用事业、公用事业作为最后手段提供者的法律责任、电网互连、输电费、通行权、不适用于微电网的州净计量政策以及可再生能源发电的上网电价结构等问题构成了法律和监管障碍。纽约州对微电网将受到的监管定义和法律要求进行了广泛评估，并制定了促进该州微电网发展的路线图。这份综合报告是制定州级政策的宝贵工具。
公用事业公司对微电网机会的反应一直不温不火，部分原因是缺乏已建立的微电网标准。2011 年，IEEE 发布了“分布式资源孤岛系统与电力系统设计、运行和集成指南”，联邦能源监管委员会提出了需求响应的实施标准，这为工程协议提供了急需的帮助。处于微电网开发前沿的公用事业公司是农村电力合作社，其服务区域无法选择连接到更大的输电网。
由于监管和经济方面的挑战，微电网在未来几年可能仍将是一种小众应用。但随着储能、可再生能源发电和智能电网自动化的成本变得更具竞争力，微电网将在追求能源安全方面发挥越来越重要的作用。
关于作者： Dawn Santoianni 是一位燃烧工程师，从事能源和环境问题研究已有 20 年。她曾作为美国环境保护署的承包商进行空气污染研究，并就一项拟议的环境法规在美国国会小组委员会作证。Dawn 目前通过她的公司 Tau Technical Communications LLC 担任技术写作顾问。当她没有辩论或撰写有关能源政策的博客时，Dawn 会在她的“酷”工作上度过时间——在一家教育野生动物机构做志愿者，在那里她帮助照顾狮子、老虎和狼。她喜欢阅读有关粒子物理学的书籍，并对大型强子对撞机的实验很感兴趣。在 Twitter 上关注 @tautechnical。Dawn 受邀撰写客座文章，邀请人是Plugged In 的 Melissa C. Lott。