微电网与备用电源：能源韧性的完美组合

在当今日益不可预测的气候和地缘政治背景下，能源韧性已从一种奢侈品转变为必需品。随着欧洲和北美的天气事件频率和严重性增加，传统的备用电源系统在长时间停电面前显得力不从心。

微电网则是一种分散式系统，它结合了最佳的可再生能源发电、能源存储和智能控制系统，提供了强大的备用电源能力以及其他优势，从而可以支持正常运营。

弹性微电网的剖析

传统备用电源主要依赖于柴油发电机。虽然它们可靠，但在长时间停电期间，由于燃料供应、预算和运营限制，其局限性也暴露无遗。现代微电网带来了一场范式转变，创造了可以在干扰期间断开与主电网连接的自给自足能源岛，从而维持对关键负载的电力供应。

对于无法容忍电力中断的设施(如医院、数据中心、制造设施和重要公共服务)，微电网是能源韧性战略的核心。它们不仅提供应急电力，在正常运行时还能通过削峰填谷、参与需求响应以及集成可再生能源来创造价值。

在几次引人注目的电力中断事件之后——例如2019年8月英国发生的大规模停电事件影响了近100万客户，导致数千名通勤者被困地下——微电网采用的历史进程显著加速。这显示了传统电网基础设施的脆弱性——英国系统已有50多年历史。这些事件催化了监管改革和全球范围内对分散式能源解决方案的机构投资。

典型的弹性微电网由多个部件组成，即：

• 分布式发电资源：太阳能光伏、风力涡轮机、热电联产(CHP)系统和备用发电机。集成可再生能源可减少对化石燃料的依赖，从而支持可持续发展。这种集成促进了环境目标的实现，并提供了多样化的能源组合，增强了抵御燃料供应中断的能力。
• 储能系统：电池阵列、热能存储和新兴储能技术。例如，将特斯拉的电池储能系统(BESS)集成到微电网中可平衡供需，储存多余的电力用于高需求或可再生能源发电不足的时期。这对于电力需求波动较大的行业非常有用，可确保稳定可靠的供电。
• 先进的控制系统：具有孤岛功能和快速切换技术的控制器。
• 智能负载管理：自动负载削减和优先级系统。
• 孤岛模式操作：在电网故障期间保持对关键负荷的电力供应状态。此功能可确保基本工业过程不会间断，从而保障数据完整性和运营连续性。

德国西门子智能基础设施公司已在全球部署了多个展示这些能力的微电网项目。该公司表示，其Gridscale X软件产品使设施能够在区域停电期间维持运营，同时在正常条件下优化经济表现。

变压器是配电网中的重要部件，可调节电压水平以确保电力的安全高效传输。在正常情况下，大多数变压器的实际经济寿命平均为30年。然而，随着可再生能源的不断集成以及电气化需求的上升，这些老化资产面临的压力也日益增大。

实施挑战和解决方案

尽管微电网实施具有显著的优势，但其实现仍面临一些常见挑战：

1.监管障碍

许多监管框架仍然包含阻碍微电网部署的条款，特别是在电网互联、电力出口和市场参与方面。然而，进展是显而易见的。

欧盟的清洁能源一揽子计划为微电网部署创造了更有利的环境。能源社区和活跃消费者的认可为当地能源系统开辟了新的道路。

标准化工作已经开发出技术标准，以促进微电网组件和现有电网基础设施之间的互操作性。IEEE 1547标准为连接到配电网的发电厂提供了统一的要求。

2.技术集成

将遗留设备与现代微电网控制器集成会带来技术挑战，特别是对于已经拥有既定备用系统的现有设施而言。

供应链困难，如确保变压器和电池等部件的供应，进一步延迟了能源转型和脱碳目标。过去十年间，随着全球对电气设备需求的增加，零件的交货时间翻倍甚至达到三倍，关键部件的价格也大幅上涨。目前，采购大型电力变压器可能需要长达四年的时间才能完成。

欧洲各国积极推进国内电池制造能力建设，例如瑞典的Northvolt超级工厂，旨在通过绿色电池解决这些制约因素。此外，各国还致力于打造关键能源基础设施部件的区域制造能力。

3.财务和运营结构

除了技术和监管挑战之外，微电网的所有权和运营组织结构也在不断发展。新的商业模式出现，降低了资本门槛。

能源即服务(EaaS)模式将微电网投资从资本支出转变为运营支出。这种安排使企业能够实施弹性能源基础设施，而无需从核心业务投资中转移资金。

未来方向

微电网与更广泛的智慧城市倡议的整合代表了韧性规划的下一个前沿。先进的微电网越来越多地与交通系统、水利基础设施和通信网络互动，以创建多领域的韧性。

欧盟资助的Smarter Together项目下的慕尼黑智慧城市倡议展示了这种方法，互联的微电网支持电动汽车充电站和共享出行。在正常运营期间，这些系统跨领域优化资源使用——在紧急情况下，它们优先考虑关键服务，同时维持基本功能。

微电网与人工智能(AI)和物联网(IoT)的融合也将彻底改变能源管理。

• 预测性维护：AI算法可以分析来自IoT传感器的数据以预测设备故障，从而实现主动维护并减少停机时间。对于机器可靠性至关重要的行业而言，这种能力特别有益。
• 需求响应优化：AI可以预测能源需求模式，使微电网能够优化配电和储能。这确保了各行业在需要时能够获得电力，从而提高了运营效率。
• 增强网络安全：将AI集成进来可以增强微电网的网络安全，通过实时检测和应对潜在威胁，保护敏感的工业流程免受网络攻击。
• 车辆到电网(V2G)集成：电动汽车(EV)车队可作为微电网的分布式存储资源。荷兰阿姆斯特丹能源竞技场展示了这一能力，该系统集成了固定式储能和双向充电功能，可供设施内的车队车辆使用。林肯实验室为美国国防部进行的一项测试表明，在电网故障期间，这些电动汽车可以提供补充电力，以维持关键运营。

氢气等新兴能源载体为微电网架构中的长期储能提供了新的机遇。西班牙瓦伦西亚的H2Ports项目——首个利用氢燃料电池为重型港口设备供电的欧盟项目——结合了氢气生产、存储和燃料电池系统与传统微电网组件，扩展了其能力。它还被发现可以减少约69%的温室气体排放。

氢能集成解决了电池储能的时间限制问题。季节性储能能力从根本上改变了独立微电网的可能性，特别是对于具有高热需求的工业应用。

充分利用微电网

微电网，辅以强大的备用电源系统，为寻求增强能源韧性的行业提供了一种可行的解决方案。随着技术进步不断推动创新，集成AI、物联网和智能储能将进一步加强全球微电网系统的可靠性和可持续性。对于依赖持续供电的工业部门而言，投资这些解决方案是战略上的当务之急，以减轻风险、提高效率并为未来的能源不确定性做好准备。

（原文刊登于EE Times欧洲版，参考链接：Microgrids and Backup Power: A Perfect Match for Energy Resilience，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。