分散式能源正在改变全球能源环境,将发电从大型、偏远的发电厂转移到与配电网直接相连的小型、局部设施。 这些资源,包括屋顶太阳能电池板、小型风力涡轮机、电池储存系统以及可控制负荷,在住宅和商业部门都迅速增长。 随着采用这些能源,DER正在从根本上改变发电、发电和消费方式,对原先为单向电力流动而设计的传统配电基础设施提出了新的要求。

什么是分散能源资源?

分散式能源资源是指位于接近消费点的模块化小型发电和储存技术,与集中发电不同,集中发电依赖于几个连接高压输电线路的大型发电厂,DER的站点位于配电层——典型的是在客户房地或当地公用事业网络内。

  • Solar光伏(PV)系统 – 将阳光转化为电力的屋顶或地面板,容量从几千瓦到几兆瓦不等.
  • 风力涡轮机 – 小型涡轮机(通常低于100千瓦)安装在房屋,农场或商业地产上.
  • 电池能量储存系统(BESS) – 锂离子,流,或其他电池技术存储过量的生成,供以后使用,提供峰值刮和频率调节等网格服务.
  • 混合热电(CHP)单元[] – 既能从单一燃料来源,也能够产生电力和有用热能的系统,通常能从天然气或生物质中产生.
  • 具有车对电网(V2G)能力的电动车(EV)充电机[ – 双向充电机,使EV电池能够输出电源回网.
  • 可控负载 – 智能电器,热水器,以及HVAC系统,可以远程管理,以响应电网条件而转移需求.

能源开发公司通常由个人、企业或第三方开发商拥有,而不是传统的公用事业。 这种所有权模式可以让消费者有更大的选择、能源独立和参与电力市场。 根据美国能源部[,2023年初,仅美国分布式太阳能发电量就超过40千兆瓦,这比过去十年有了显著的增长。

发展改革司如何改变传统分配基础设施

遗留的配电网是为单向电流设计的,从中央发电站到输电线、分站和支线到终端消费者。 DER引入双向电流、间断发电和可变电质量条件。 这些变化为配电系统操作员既带来了机会,也带来了挑战。

中央网格上负载减少

当DER在当地发电时,中央输电和配电资产在阳光高峰或风暴时期的净需求会降低,这可以推迟成本高昂的升级到分站和输电线,减少长途运输的能源损失,提高整体系统效率。 在一些地区,DER的渗透率高,使得公用事业避免建造新的高峰工厂。 然而,需求减少也意味着依赖量产销售的公用事业收入减少,这是收费率和商业模式必须解决的一个财政挑战。

网格稳定性和电压管理

变电的可再生DER(特别是太阳能光电)的渗透率高,会导致电压波动,分配支线的逆电流,以及发电量超过当地负荷时潜在的超压条件。 分配系统最初不是为这种情景设计的。 具有智能电网通信的先进反转技术可以通过提供反应电源支持、电压调节和斜坡率控制来帮助减轻这些影响。 然而,如果没有适当的规划和积极管理,公用事业可能面临可靠性问题,如频率偏差和保护协调问题。

基础设施升级的必要性

为了安全地整合大量的DER,分销网络需要现代化. 关键升级包括:

  • 再导支线处理增加的容量和双向流.
  • 总和电压调节器和电容器库[以保持电源质量.
  • 部署传感器和通信网络[,用于实时监测和控制.
  • 集成分布式能源资源管理系统[DERMS],协调数千个小型发电机.

国家可再生能源实验室发表了广泛的研究报告,表明主动的电网现代化——而不是被动的固定办法——大大降低了集成成本,提高了系统的复原力。

网格现代化和智能网格技术

使用智能电网技术的分销基础设施现代化对于释放DER的全部潜力,同时保持可靠性至关重要。 智能电网可以使公用事业和DER设备双向通信,从而能够对不断变化的条件做出自动反应。

高级计量基础设施(AMI)

智能计提供了颗粒式、时间同步的消费和生成数据。这些数据使得公用事业能够实施使用时间率、更快地检测出断电量以及核实净计量信用。 AMI还支持需求响应程序,这些程序可以转移负荷,使之与可再生发电峰值保持一致。

分发自动化

自动交换机、重置器和断层定位系统可以在最小的人工干预下隔离断路和重新配置支线,这些系统与DER岛式能力相结合后,可以创建微网,在全网断电期间继续服务关键负荷. IEEE标准1547-2018为DER与分配自动化的互联和互操作提供了指南.

能源储存一体化

电池存储是间歇性DER输出、平滑变异和提供快速反应能力的缓冲器。 存储系统可以在中午吸收过多的太阳能发电,在晚高峰时排放,有效地将可再生能源转移到更高值的时代。 公用事业在分配子站越来越多地与太阳能对等存储,以推迟升级和增强可靠性。 DOE的太阳能技术办公室[强调存储是高渗透性可再生电网的关键增强器。

经济和管理考虑

发展改革措施的经济可行性取决于净计量、饲料上网关税、税收优惠和市场准入等政策。 这些政策的改变会极大地影响部署率以及公用事业和投机商的财务健康。

净计量和关税设计

净计量使DER所有者能够从反馈到电网的超代获得信贷。 随着DER渗透率的提高,一些公用事业公司认为,净计量成本转移给非参与者,导致关于利率改革的辩论。 正在试行替代的关税结构,如净计费、全购/全售安排或固定收费,以便更好地使补偿与DER服务的价值保持一致。 需要精心设计,以保持公平的成本回收,同时保持对采用清洁能源的鼓励。

市场参与和综合

个别的能源开发公司太小,无法直接参与批发市场。 聚合公司——汇集了数千个能源开发公司的第三方公司——能够将这些资源用于向能力、能源和辅助服务市场投标。 美国联邦能源监管委员会(FERC)第2222号令开放这些市场,将分布资源汇总起来,而这一里程碑仍在由区域传输组织实施。 这一监管转变使消费者能够从能源开发公司获得收入,同时提供能提高可靠性的电网服务。

未来展望

能源开发项目的一体化并不是一个过去的趋势,而是向分散、去碳化和数字化能源系统的根本转变。 随着太阳能、风能和电池的成本持续下降,随着电动车辆的激增,对分配基础设施的影响将加深。 需要注意的关键发展包括:

决策者、公用事业、技术提供者和消费者必须合作设计一个可以加强而不是紧张电网的未来。 基础设施投资、更新的监管和电网意识的部署可以把挑战转化为机遇 — — 向所有人提供更清洁、更具有复原力和更负担得起的电力。