利用電氣化和自動化建立更高效率、更永續的電網 - 第 1 篇 (共兩篇)

電氣化是指以永續、綠色能源取代傳統電網能源。本文 (第 2 篇) 討論與電氣化相關的一些挑戰，以及自動化如何幫助提高效率和永續性。本系列的第 2 篇將討論能源與環境先導設計 (LEED) 和零能耗建築 (ZEB) 認證，以及如何藉此減少碳排放及提高永續性。

電氣化是以光伏 (PV) 和其他綠色技術取代使用石油、煤炭和天然氣等石化燃料發電的系統，並以電動車 (EV) 取代內燃機 (ICE) 車輛。運用電氣化系統，加上使用自動化，將之互相連接並支援智慧電網和微電網，是推動社會的未來邁向更永續和更綠色的重要因素。

現今的電網並不是為大量電動車充電所設計，智慧電網和微電網預計將成為支援電動車普遍替代內燃機車輛所需的關鍵技術。加州州長近期發布一項行政命令，要求到 2035 年銷售的所有新車和乘用輕型卡車均為零排放車輛 (EV)。智慧電網和微電網的開發商必須滿足一系列嚴格的國際標準才能加以因應。例如，IEEE 已批准或正在制訂 100 多項與智慧電網相關的標準，其中包括美國國家科學技術中心 (NIST) 的智慧電網架構與互通性標準中指定的 20 多項 IEEE 標準。除 IEEE 標準外，微電網也受 IEC 62898 微電網系列和其他標準的管轄。

本文是兩篇相關文章中的第一篇。著重於實作電氣化、整合分散式能源 (DER)、智慧電網和微電網之間的異同，以及自動化如何提高其效率和永續性 (包括支援電動車的普及) 之相關挑戰。首先，深入探討分散式能源以及其適用範圍，接著研究公用事業微電網如何模糊微電網和智慧電網之間的界線。無論採用何種實作，DigiKey 都提供各種支援電氣化和分散式能源整合的工業自動化產品 。第二篇文章探討如何在綠建築中使用電氣化和自動化，以便獲得能源與環境先導設計 (LEED) 和零能耗建築 (ZEB) 認證。

什麼是分散式能源 (DER)？

依據北美電力可靠度公司 (NERC) 定義，「分散式能源是指在配電系統中，不包含北美電力可靠度公司正式定義的大容量電力系統，產生電力的任何資源」。

「北美的配電系統」一詞是指通常從變電所到最終使用者的 34.5 kV 或更低的電力線路。大容量電力系統 (BPS) 包括進入變電所的線路，通常以長距離承載 100 kV 以上，連接大型大容量發電設施與互連資源和變電所 (圖 1)。

圖 1：分散式能源存在於配電系統中 (藍)；其他再生能源資源位於大容量電力系統中 (綠)。(圖片來源：NERC)

分散式能源是任何非大容量系統資源，包括風力渦輪機和光伏裝置等發電機組、儲能裝置、大多數電池儲能系統 (BESS)、電動車電池充電器 (也稱為電動車服務設備，EVSE) 和微電網。分散式能源存在於公用電表後方以及直接位於配電系統上。在電表後方，分散式能源包括光伏陣列、電池儲能系統、聯網電動車以及備用備援電源，例如資料中心和其他地點的大型柴油發電機裝置。微電網是一種特殊類型的分散式能源。

智慧電網、微電網、電氣化

微電網是分散式能源，但並非所有分散式能源都是微電網。從大容量電力系統的角度來看，微電網和分散式能源是指發電或儲存資源的類型。智慧電網一詞是指大容量電力系統用於確保彈性和高效率運作的通訊和控制技術。另一個區別在於微電網包括發電和儲存資源以及負載。智慧電網主要由發電資源組成，有一些儲存能力但沒有負載。智慧電網可以與負載進行通訊，但與電網分開。

電氣化以不同的方式影響微電網、大容量電力系統、智慧電網。大容量電力系統正在將電氣化添加至既有電網中，如果管理不當，在作業上可能會產生非預期的負面後果。這就是智慧電網技術的用武之地。

雙向通訊和控制是智慧電網的主要區別。這些控制系統包括監測電網穩定性的感測器，以及監控電力需求的先進儀表，並使用各種可控電源切換和電力品質裝置管理電流。在大容量電力系統中，感測器扮演重要角色，可讓再生能源 (RE) 資源和電氣化更深入運用並確保電網穩定性。此外，感測器和控制元件支援對電力擾動做出更快、更有效的響應，並且能夠平衡和保護電網；特別是在高峰需求期間和針對可變的再生能源可用性。智慧電網技術也支援微電網與配電系統和大容量電力系統的協調和整合。

相反地，微電網的設計旨在適應再生能源、電池儲能系統和電動車等電氣化技術。微電網和智慧電網需要自動化控制，包括分散式能源管理 (DERM) 系統。

分散式能源管理的重要性

分散式能源管理和自動化在智慧電網和微電網中的定義和實作方式不同。智慧電網包括廣泛分佈的多種發電來源和電力使用者，並由一個集中控制中心進行電網管理 (圖 2)。電網管理是大容量電力系統中智慧電網控制的關鍵概念。現有的大容量電力系統是在需要支援電氣化之前設計和建造，並且隨著越來越多可調度 (可控制) 的石化燃料發電由不可預測 (較不可控制) 的再生能源取代，可能會經歷不可靠的作業過程。此外，為大量電動車充電大多不可調度，也不能由公用事業直接控制。智慧電網技術採用集中式自動化控制，可補足用於電氣化和電動車充電的再生能源不像傳統公用電網元件可預測的特性。

圖 2：智慧電網仰賴自動化控制器和分散式能源管理進行即時電網管理。(圖片來源：ETAP)

智慧電網和微電網控制器需要各種感測器提供的資訊，即時監控所連接的資源。隨著電動車和充電站的興起，控制器還有助於管理充電的電力需求，並且可以使用車輛到電網 (V2G) 通訊，協調電動車與電網或微電網的連接，以提供增量能源儲存容量。

除了監控連接資源狀態，聯網微電網的控制器還必須監控當地公用電網的狀態。配電盤是智慧電網和微電網重要的一部分，必須在毫秒內做出反應，確保電網穩健運作。配電盤的尺寸從小型微電網的數千瓦 (kW) 到大型微電網和公用電網的數兆瓦 (MW) 不等。小型微電網中，配電盤和控制器可以置放於同一機櫃中，進而降低成本並加快安裝速度。智慧電網和微電網分散式能源管理 (DERM) 包括能源生產和能源消耗的智慧量測，其量測值可用於雲端分析，讓分散式能源管理達到最高經濟效益，並且支援高水準的恢復能力。分散式能源管理的確切架構依微電網的種類，可能會有所不同。

微電網類型

微電網可以根據其應用和架構進行分類。有三種微電網架構，分別為遠端、網路和聯網。遠端微電網位於島嶼或偏遠礦業和農業作業等地方。亦稱為離網微電網，在實體上與任何公用事業大容量電力系統分開，必須完全自給自足。

網路或巢狀微電網是連接到公用事業配電系統的多個單獨分散式能源或微電網的網路。通常由集中監控系統控制，該系統平衡微電網運作的需求並支援更廣泛的公用電網。控制器通常會為微電網和分散式能源指定重要性等級，以確保保護最關鍵的要素。網路微電網的應用包括社區微電網、智慧城市和新興的公用事業微電網。

網路微電網是聯網微電網的子類別之一。所有聯網微電網都以實體連接到配電網，並且在與配電網連接的共同耦合點 (PCC) 處有一個切換裝置。正常運作時，聯網微電網與配電網連接。它可以向電網提供服務，例如頻率和電壓調節、有功和無功功率支援以及需求響應以減少容量模仿。

在孤島運作中，微電網不會連接到公用配電網。由於配電網中斷或維護等其他需求，可能會發生孤島現象。從孤島過渡到聯網運作時，這些微電網在重新連接之前需要感測配電頻率並同步作業。

微電網應用很多，包括校園、醫院和醫療中心、商業設施、社區和工業設施。最新的應用類別是公用事業微電網 (圖 3)。

圖 3：微電網通常以其應用進行分類。(圖片來源：Siemens)

模糊界線

公用事業微電網正在部署，模糊了智慧電網和微電網之間的界線。在此過程中，分散式能源的定義從分散式能源轉變為專用能源。公用事業微電網旨在減少因極端天氣事件、野火和其他不可預見的挑戰而造成的停電。在既有的電網架構中，為了安全起見，遭遇極端事件時，大部分電網都會斷電。

這些意外的大規模停電造成的嚴重影響之一是阻礙電動車的使用。公用事業微電網被視為電動車普及的關鍵。美國各地正在提議和部署公用事業微電網。例如，Southern California Edison (SCE) 提議開發公用安全斷電微電網，以協助在野火期間盡可能廣泛地維持電力供應。其他公用事業公司將新的電網架構稱為社區微電網 (圖 4)。

圖 4：公用事業微電網可以包括分佈在相對廣泛的地理區域的各種資產，並模糊傳統微電網和智慧電網之間的界線。(圖片來源：Edison International)

公用事業微電網的孤島能力是比目前更精細提高電力供應的關鍵。預計它將部署在各種微電網規模中，從完整的住宅社區到公用場所，包括學校和消防站、醫療中心和疏散中心等其他要地。充電站設備是大多數社區微電網設計的重要組成。按照設想，充電站將支援電動車聯網，作為額外的備用電源以及為電動車充電。

結論

電氣化對於確保更永續的電網和減少 CO₂ 排放非常重要。光伏能源和電動車等許多電氣化技術不如所取代的傳統資源那樣可預測。這代表電氣化必須由智慧電網和微電網中先進感測器網路和自動化控制系統進行支援。