微電網和分散式能源如何讓工業和商業設施達到最高永續性和彈性

太陽能、風能、熱電聯產 (CHP)、電池儲能系統 (BESS) 等分散式能源 (DER)，甚至傳統發電機，都可以大幅提升商業和工業設施的永續性和彈性，尤其是以自動化控制系統加入微電網，就能智慧協調和管理能源的產生、流動、儲存和消耗。

若要讓微電網達到最佳環境和經濟效益，其控制器必須即時平衡分散式能源的操作和整合；管理照明、暖通空調 (HVAC) 系統、電動車 (EV) 充電和資訊技術裝置等智慧負載；從需求資訊記錄預測未來負載概況；與公用電網建立安全、高效率的連接；透過即時能源定價資料，支援需量反應功能。

本文回顧組成微電網的要素、說明微電網架構，並且概述 IEEE 1547 (制定分散式能源互連的要求) 和 IEEE 2030 (提供描述微電網控制器功能的全面技術流程)，並且考量微電網控制器如何加強永續性、彈性和經濟效益，最後簡要概述微電網的網路安全問題。

建立微電網的需求為何？

微電網有多種實作方式和要素。討論微電網和分散式能源如何最大程度提升永續性和彈性，可從微電網組件和架構的定義和一些範例開始。美國能源部 (DOE) 將微電網定義為「一組在明確定義的電氣邊界內互連的負載和分散式能源，充當電網的單一可控實體。微電網可以與電網連接和斷開，使其能夠以連網和孤島模式運作。」

雖然微電網的定義很簡單，但在建立微電網時，有一系列的微電網類別、操作模式和可用的子系統，若要讓微電網達到最高永續性和彈性，涉及眾多架構和運作選擇。自動化是一項重要的考量因素。自動化子系統的範例 (圖 1)：

• 微電網內進行發電，包括各種分散式能源和熱電聯產
• 配電網路
• 電池儲能系統
• 暖風空調系統以及工業設施中的機器和馬達等負載
• 管理電動車充電和車輛到電網 (V2G) 連接
• 微電網控制器和配電盤
• 併網設備用於連接到公用電網的互連裝置

圖 1：微電網可以包括各種分散式能源、熱電聯產和負載。(圖片來源：Schneider Electric)

微電網類別

微電網能依據離網或併網分類：

離網設施主導是最常見的類別。使用範例包括商業公用電網未服務的偏遠地區，例如礦區、工業站點、山區住宅、軍事基地。

離網社區主導在偏遠地區也可見。使用範例包括偏遠村莊、島嶼、社區。設施主導的微電網由單一實體控制，社區主導的微電網則必須滿足一組使用者的需求。他們可能需要更複雜的指揮命令和控制系統。

併網設施為單一擁有者，用於在主電網不可靠且需要電力的區域，可提升其可靠性，或者微電網擁有者提供可卸載負載和其他服務的經濟誘因。使用範例包括醫院、資料中心、連續製程製造廠房和其他高可用性建築。

併網社區有多個連接到主電網的能源使用者和生產者，以單一實體管理。使用範例包括商業、大學校區、村莊、小城市。可能有各種能源使用者、生產商和儲存設施，可能需要最複雜的控制。

微電網有時候是孤島

除了討論微電網的組成要素，美國能源部的定義還涉及微電網在「併網模式和孤島模式」下的操作。這些模式的定義很簡單，實作上則較為複雜，有列於一些 IEEE 標準中。

IEEE 1547-2018《分散式資源與電力系統互連標準》詳細介紹分散式能源與電網互連和互操作性的技術要求。IEEE 1547 標準不斷演化。之前的 IEEE 1547 版本是針對低分散式能源穿透率所設計，未考慮分散式能源對大規模電力系統的整體區域影響。IEEE 1547-2018 增加了更嚴格的電壓和頻率調節要求以及穿越能力，以提升傳輸系統可靠性。近期新增了 1547a-2020 修正標準，以納入異常操作效能。

IEEE 2030.74 根據兩種穩態 (SS) 運作模式和四種轉換類型 (T) 描述微電網控制器的功能 (圖 2)：

• SS1 即穩態併網模式，將微電網併入公用電網。控制器可以使用微電網中的組件向電網提供削峰、頻率調節、無功功率支援、斜坡管理等服務。
• SS2 即穩態孤島模式或稱「孤島運作模式」，指微電網與公用電網斷開並孤立運作。需要由控制器平衡負載和微電網發電與儲能服務，以維持微電網穩定運作。
• T1 指有計畫地從併網模式轉換到穩態孤島模式。即使有公用電網可用，也可能存在切換到孤島模式的經濟或操作誘因。此外，此模式還可以支援微電網運作測試。
• T2 是未計畫的從併網轉換到穩態孤島模式。這類似資料中心不斷電系統的作業方式，通常在主電網故障時使用。微電網會無縫斷開，並以獨立的電力網路運作。
• T3 指穩態孤島重新連接到公用電網。這是一個複雜的技術程序，微電網上的「獨立電網形成 (grid-forming)」發電機感測電網功率的頻率和相位角，並在微電網與主電網重新連接前精確匹配。
• T4 是進入穩態孤島模式的黑啟動。在這種情況下，微電網已經癱瘓，必須與公用電網隔離並以孤島模式重新啟動。這可能是由於微電網控制器無法使用 T2 穩定轉換處理意外斷電，或者孤島沒有足夠的發電或儲能設備繼續供應所有負載，因此必須關閉所有非必要負載，才能讓發電機上線。此外，微電網上的任何電池儲能系統在重新連接之前都至少必須部分充電。

圖 2：IEEE 2030.74 要求微電網控制器納入兩種穩態條件以及這些狀態之間四種類型的轉換。(圖片來源：美國國家鄉間電力公司協會)

實作微電網

分散式能源和負載的組合幾乎與微電網一樣多，自動化控制器和配電盤是常見的要素。圖 1 所示的大型微電網，通常分為集中控制室、用於分散式能源和負載的分散式配電盤，以及用於併網設計的變電站，充當微電網和公用電網之間的配電盤。

微電網控制器需要資訊，為了達到最高彈性和永續性，需要極快的速度。此控制器使用感測器網路，即時監控分散式能源和負載的功能。針對併網微電網，控制器還需監控當地公用電網的狀態。若有任何異常，控制器會在數毫秒內回應，並向相關分散式能源、負載或配電盤發送命令。

配電盤從幾千瓦到幾兆瓦，需要在幾毫秒內回應控制器的需求，否則可能會出現嚴重故障。有些配電盤搭載智慧斷路器，可以自主運作，提供額外的保護層。

對於較小的安裝，控制器和配電盤可以組合成單一設備，有時稱為能源控制中心 (ECC)。能源控制中心提供預接線、組裝、原廠測試。能源控制中心簡化並加速微電網的安裝，並且可管理多種能源，包括電網電力和具有優先負載的分散式能源。例如，Schneider Electric 提供適用於建築規模微電網的能源控制中心 ECC 1600 / 2500 系列 (圖 3)。ECC 1600 / 2500 系列的一些功能如下：

• 可依照訂單配置 100 至 750 kW 的額定功率，並可針對現有或新建築進行最佳化
• 適用於多種分散式能源 (DER)，例如光伏、電池儲能系統、風能、燃氣和柴油發電機
• 控制器可在停電期間進行恢復，包括將光伏結合備用發電機或電池儲能系統等錨定資源
• 自動化智慧量測可深入瞭解電能品質、能源使用和分散式能源生產
• 具有 1,600 至 2,500 A 配電匯流排的配電盤
• 雲端分析可讓分散式能源達到最高彈性和投資回報

圖 3：能源控制中心將微電網控制器 (左) 和配電盤 (右) 組合成單一設備。(圖片來源：Schneider Electric)

安全有保障的能源

網路安全是能源安全和彈性的重要層面之一。國際能源署 (IEA) 將能源安全定義為「能源在價格可負擔之下供應不間斷」。微電網可以確保提供低成本、有保障和有彈性的能源。

通訊是微電網的基本要素。這代表與雲端進行通訊，或是與當地公用電網進行通訊，以最佳化效能。此外，構成典型微電網的各種分散式能源和負載來自各家製造商，並採用異質通訊協定和技術。幾乎所有微電網都搭載網際網路連線和 Wi-Fi 等無線技術，是達到最高效益的關鍵。除此之外，還支援輔助功能，如收集天氣預報以及即時燃料和能源價格。

確保網路安全十分複雜。除了需保障硬體安全，還需要政策、流程和人員因應網路漏洞。這些漏洞能讓攻擊者存取敏感網路和資料，甚至操縱控制軟體，導致微電網運作受損。恐怖分子只是問題之一；還需面對競爭對手或不道德的員工。還包括操作人員失誤、軟體過時而導致網路存在未知漏洞等各種因素 (圖 4)。網路安全必須未雨綢繆。安全性必須從一開始就設計至微電網硬體、軟體和流程的各個方面才有用。

圖 4：人員、流程和實體安全漏洞，可能會成為微電網攻擊媒介。(圖片來源：Schneider Electric)

結論

微電網將眾多分散式能源和負載整合到單一系統，達到最高能源永續性和彈性。多種微電網架構可用於支援特定的能源和連接需求。微電網數量不斷增加，分散式能源也日益普及，促成 IEEE 1547 互連標準的演變，並促使人們更加重視微電網的網路安全。