原文標(biāo)題：應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)的脆弱性？提高彈性能力/Can the Electricity Industry Seize Its Resilience Moment:
發(fā)布日期：美國(guó)時(shí)間2018年11月12日
發(fā)布媒體：杜克能源/中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)/中國(guó)能源網(wǎng)
文章推薦：Xuan Zhang博士
哈佛大學(xué)博士后、牛津大學(xué)博士，擁有豐富智能電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
電力系統(tǒng)的彈性指的是其在故障、自然災(zāi)害、人為破壞（如網(wǎng)絡(luò)攻擊）等情況下的快速應(yīng)對(duì)能力及恢復(fù)能力。隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大規(guī)?；?fù)雜化及系統(tǒng)內(nèi)不確定因素的增加，彈性這一指標(biāo)越來(lái)越受到系統(tǒng)管理者、使用者的重視，亦成為商業(yè)投資領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。相比于傳統(tǒng)能源模式，新能源（尤其是光伏）加儲(chǔ)能組合的引入可以有效地提高電力系統(tǒng)的彈性；微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的推廣也能令電力系統(tǒng)在各種極端情況下變得更加堅(jiān)固可靠：這些變化正在悄然發(fā)生，高彈性電力系統(tǒng)的未來(lái)可期。
美國(guó)能源部（DOE）今年5月宣布，作為美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署（ARPA-E）新計(jì)劃的一部分，將投資3000萬(wàn)美元的項(xiàng)目資金，其中包括電力儲(chǔ)能持續(xù)時(shí)間（DAYS）項(xiàng)目的投資。DAYS項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將構(gòu)建創(chuàng)新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，可以提供10至100小時(shí)的可靠電力。
儲(chǔ)能系統(tǒng)將在未來(lái)的彈性電網(wǎng)中扮演越來(lái)越重要的角色。儲(chǔ)能系統(tǒng)提供重要的服務(wù)，其中包括提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，提供備用電源，并允許更大程度地整合可再生資源。當(dāng)今主導(dǎo)的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有一些局限性，限制了其作為長(zhǎng)期電力解決方案的應(yīng)用，特別是其高昂的成本。
美國(guó)能源部長(zhǎng)Rick Perry說(shuō)，“構(gòu)建未來(lái)的電網(wǎng)需要新的工具和技術(shù)來(lái)確保人們獲得可負(fù)擔(dān)得起的安全能源。美國(guó)能源部正在關(guān)注能源領(lǐng)域，并確定我們需要支持未來(lái)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。這些新的儲(chǔ)能選項(xiàng)將為我們提供機(jī)會(huì)，使電網(wǎng)更具彈性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源資源的更好整合?！?
電力儲(chǔ)能持續(xù)時(shí)間（DAYS）團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)可部署在幾乎任何位置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并以每一個(gè)周期的成本目標(biāo)放電，遠(yuǎn)低于當(dāng)今可用的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
此次資助將會(huì)對(duì)一系列儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行開(kāi)放性的選擇，其中包括熱學(xué)、機(jī)械、電化學(xué)、化學(xué)等，其挑戰(zhàn)是成本目標(biāo)、選址、功率輸出和工作周期一系列要求。
每當(dāng)天災(zāi)過(guò)后，能源安全的議題就會(huì)再度受到重視，2012 年時(shí)珊迪颶風(fēng)侵襲美東，造成紐約等地大斷電，當(dāng)時(shí)分布式能源的各種技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)階段，成本較高，本來(lái)不受重視，只在學(xué)校進(jìn)行小型學(xué)術(shù)性試驗(yàn)，但當(dāng)珊迪來(lái)襲，紐約一片黑暗，紐約大學(xué)校區(qū)因設(shè)置熱電共生分布式能源系統(tǒng)，有電、有燈光、有暖氣、有熱水，成為災(zāi)區(qū)中的救難綠洲，其他如紐澤西州普林斯頓大學(xué)校區(qū)、康乃迪克州的南溫莎（South Windsor）高中，也扮演相同角色。
5年過(guò)后，相關(guān)技術(shù)成本已大為下降，然而分布式能源發(fā)展仍侷限于特殊應(yīng)用，如偏遠(yuǎn)地區(qū)等尚未能完全普及。哈維颶風(fēng)侵襲，再度提醒世人集中式電網(wǎng)對(duì)應(yīng)巨災(zāi)的脆弱性，以及分布式能源的重要。臺(tái)灣許多人對(duì)分布式能源完全沒(méi)有認(rèn)知，經(jīng)常誤以為把電網(wǎng)切八段叫分散，或誤以為只有分布式太陽(yáng)能才是分布式能源，事實(shí)上，分布式能源的領(lǐng)域非常廣，從最傳統(tǒng)的備援柴油發(fā)電機(jī)，到最高階的微電網(wǎng)系統(tǒng)，都是分布式能源的一環(huán)。
哈維颶風(fēng)摧毀了輸配電設(shè)施，造成超過(guò)20 萬(wàn)戶斷電，而大水造成電力公司根本無(wú)法前往搶修，于是大多數(shù)沒(méi)有備援電力的用戶，就這樣被遺落在黑暗中。德州大多數(shù)居民具有分布式備援電力資源，多半還是傳統(tǒng)在車庫(kù)里的柴油發(fā)電機(jī)，這些柴油發(fā)電機(jī)盡管污染大，也不是什么最新科技，但是能讓冰箱有電，食物不會(huì)腐壞，也能讓重要的商家開(kāi)店運(yùn)營(yíng)，以及維持醫(yī)院運(yùn)作。
家中沒(méi)電或許只是不方便，商家沒(méi)電可能只是少賺點(diǎn)錢，但對(duì)大型機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，備援電力準(zhǔn)備是否充分至關(guān)重要。醫(yī)院仰賴備援電力保住病人性命，珊迪颶風(fēng)時(shí)，紐約就發(fā)生醫(yī)院備援柴油發(fā)電機(jī)故障，導(dǎo)致病患得在風(fēng)雨中轉(zhuǎn)院的慘劇。在德州，此次哈維颶風(fēng)也讓多家醫(yī)院發(fā)現(xiàn)備援電力失效，導(dǎo)致16 家醫(yī)院關(guān)閉、1,000 多名病患得在風(fēng)雨中轉(zhuǎn)院。
此外，哈維颶風(fēng)還吹垮了化學(xué)工廠。2004 年由道達(dá)爾（Total）重整時(shí)獨(dú)立而成的阿科瑪（Arkema）化學(xué)，其在德州克勞斯貝的化學(xué)工廠，受到哈維颶風(fēng)侵襲，不僅打斷電網(wǎng)供電，也淹沒(méi)柴油發(fā)電機(jī)，造成兩組備援電力系統(tǒng)失效，過(guò)氧化物冷凍儲(chǔ)槽斷電，阿科瑪員工連忙把過(guò)氧化物轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)動(dòng)的冷凍柜拖車上，但其中8 輛也發(fā)生故障，員工只好緊急撤離，過(guò)氧化物升溫后分解，產(chǎn)生有毒煙霧，最后著火爆炸，消防單位疏散方圓1.5 英里范圍。爆炸后散發(fā)的毒霧讓許多警消人員都因?yàn)楹粑来碳ざ歪t(yī)。
相對(duì)的，在哈維颶風(fēng)巨災(zāi)中，休士頓的德州醫(yī)學(xué)中心（Texas Medical Center ）卻是有備無(wú)患。2001 年時(shí)，颶風(fēng)艾利森來(lái)襲，造成德州醫(yī)學(xué)中心損失20 億美元，在這次慘痛教訓(xùn)后，院方痛定思痛，斥資5,000 萬(wàn)美元，建立一系列防水門，以阻擋可能的洪水；此外，也找來(lái)熱電共生系統(tǒng)商熱能（Thermal Energy）安裝熱電共生系統(tǒng)。當(dāng)哈維颶風(fēng)來(lái)襲，德州醫(yī)學(xué)中心安然繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，確保所有病人的安全。
德州H-E-B 連鎖超市也獲益于及早引進(jìn)分布式能源系統(tǒng)。H-E-B 連鎖超市與微電網(wǎng)服務(wù)商迷巖（Enchanted Rock）合作，以每月付固定服務(wù)費(fèi)用的方式，讓迷巖為大休士頓地區(qū)63 家店面安裝、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)燃?xì)獍l(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)。在平時(shí)，這套系統(tǒng)主要是用來(lái)在尖峰時(shí)間減少使用高價(jià)用電，或是甚至可逆向售電給德州獨(dú)立電網(wǎng)ERCOT，這套系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了“孤島模式”，也就是當(dāng)?shù)轮蓦娋W(wǎng)斷電時(shí)，可以做為獨(dú)立的微電網(wǎng)運(yùn)作。當(dāng)哈維颶風(fēng)侵襲導(dǎo)致大斷電時(shí)，18 家H-E-B 連鎖超市進(jìn)入孤島模式后，可從不受狂風(fēng)與水災(zāi)影響的地下天然氣管線取用天然氣，成功自我供電，而能持續(xù)運(yùn)營(yíng)。
可從防災(zāi)的能源安全角度出發(fā)
分布式燃?xì)獍l(fā)電不僅成本低于柴油發(fā)電，也更可靠，讓天然氣成為取代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的選項(xiàng)。迷巖的燃?xì)獍l(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)目前總安裝容量已經(jīng)達(dá)130 百萬(wàn)瓦（megawatt），并且無(wú)需補(bǔ)貼就有市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。
德州也有結(jié)合太陽(yáng)能、能源儲(chǔ)存、建筑能源管控系統(tǒng)的較復(fù)雜微電網(wǎng)。達(dá)拉斯電力公司安可（Oncor）就建立了一個(gè)示范微電網(wǎng)，此外，美國(guó)能源部也出資，挹注德州理工大學(xué)成立的可再生能源產(chǎn)學(xué)平臺(tái)奈爾集團(tuán)（Group NIRE），建立物聯(lián)網(wǎng)能源管控系統(tǒng)，控制電池、電動(dòng)車、空調(diào)設(shè)備、電熱水器、LED 照明等100 項(xiàng)設(shè)備，以達(dá)成穩(wěn)定管理微電網(wǎng)的目標(biāo)，不過(guò)這兩個(gè)計(jì)劃都未受哈維颶風(fēng)侵襲的考驗(yàn)。
佛羅里達(dá)州的主要電力公司之一，佛羅里達(dá)電力照明公司（Florida Power & Light）在2005 年威瑪颶風(fēng)侵襲造成350 萬(wàn)人斷電之后，自2006 年起，投注30 億美元升級(jí)既有電網(wǎng)，提高對(duì)天災(zāi)的防備能力，包括將木柱電線桿改為混凝土、在變電所安裝洪水監(jiān)測(cè)裝置，以保護(hù)低洼地區(qū)的變電裝置，也安裝智慧電表，以便一旦電力網(wǎng)絡(luò)受損時(shí)能立即察覺(jué)并嘗試?yán)@過(guò)受損地區(qū)。
但是哈維颶風(fēng)之后，緊接著艾瑪颶風(fēng)來(lái)襲，佛羅里達(dá)州仍有900 萬(wàn)人斷電，相當(dāng)于4 成居民，喬治亞州與南卡羅來(lái)納州也有100 萬(wàn)人斷電，另外杜克能源所屬區(qū)域也有100 萬(wàn)人斷電。在艾瑪颶風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)侵襲下，連混凝土電線桿也應(yīng)聲折斷，地下設(shè)施在颶風(fēng)帶來(lái)暴潮下淹沒(méi)，大量設(shè)施損毀無(wú)法修復(fù)，必須重建，導(dǎo)致需要數(shù)周時(shí)間才能復(fù)電。
佛羅里達(dá)電力照明公司認(rèn)為已經(jīng)打造全美最強(qiáng)化、最智慧的電網(wǎng)，但仍然無(wú)法抵抗艾瑪颶風(fēng)，這再度提醒世人集中式電網(wǎng)面對(duì)天災(zāi)的脆弱性。當(dāng)前的集中式電網(wǎng)，任何輸配節(jié)點(diǎn)受損，就會(huì)造成后續(xù)區(qū)域或完全斷電，這樣的弱點(diǎn)，想要靠電網(wǎng)能全面升級(jí)加強(qiáng)至“金剛不壞”來(lái)彌補(bǔ)，由佛州經(jīng)驗(yàn)可知，既曠日廢時(shí)、效果不彰，經(jīng)濟(jì)上也不切實(shí)際。
分布式能源發(fā)展的第一步，并非立即取代現(xiàn)有的集中式電網(wǎng)，而是補(bǔ)其不足，既然無(wú)法把集中式大電網(wǎng)所有環(huán)節(jié)都打造得固若金湯，那就先從備援的思考角度補(bǔ)強(qiáng)。重要設(shè)施，小自紅綠燈，大到醫(yī)院、重要工廠，都必須建立自有的分布式能源，以因應(yīng)一旦天災(zāi)人禍，不會(huì)因?yàn)槿彪姸劤筛鬄?zāi)害。民生方面，住宅或社區(qū)有一定分布式能源備援能力，雖然可能不足以吹冷氣，但至少冰箱有電，食物不會(huì)腐壞，抽水機(jī)有電，保持水塔有水，就能安然度過(guò)災(zāi)情。
繼珊迪臺(tái)風(fēng)之后，此次哈維、艾瑪颶風(fēng)連續(xù)來(lái)襲，引起美國(guó)又一波分布式能源思考，紐澤西州公共事務(wù)委員會(huì)（New Jersey Board of Public Utilities）近來(lái)批準(zhǔn)城中市區(qū)對(duì)微電網(wǎng)應(yīng)用的研究，就表示珊迪颶風(fēng)、哈維颶風(fēng)的災(zāi)情，提醒人們需要更多準(zhǔn)備，需要打造先進(jìn)微電網(wǎng)以因應(yīng)下次災(zāi)情。隨著極端氣候現(xiàn)象越來(lái)越顯著，分布式能源的概念，可望先從防災(zāi)的能源安全角度出發(fā)，打下第一個(gè)利基市場(chǎng)。
當(dāng)颶風(fēng)哈維和伊瑪席卷美國(guó)南部時(shí)，造成的斷電事故影響了數(shù)百萬(wàn)人。在這類自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，保持供電將比平時(shí)更加關(guān)鍵。落基山研究所的研究認(rèn)為，在城市和電力公司的重建過(guò)程中，可以考慮更具有前瞻性的解決方案使得電網(wǎng)更具彈性，如使用分布式能源，尤其是通過(guò)在配電網(wǎng)配置太陽(yáng)能發(fā)電和電池儲(chǔ)能設(shè)施等方法。
事實(shí)上，越來(lái)越多的證據(jù)表明，無(wú)論是一個(gè)州還是一個(gè)國(guó)家，都能夠利用可再生能源、能效、需求響應(yīng)和其它分布式能源資源替代老舊的、高成本的化石燃料熱電廠，以更低的成本為電網(wǎng)服務(wù)帶來(lái)更高的可靠性與彈性。
通過(guò)分布式能源資源提高電網(wǎng)彈性
全美各地的許多城市和大學(xué)都認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)。馬薩諸塞州斯特林鎮(zhèn)的斯特林政務(wù)照明部門在該鎮(zhèn)修建了一套太陽(yáng)能發(fā)電加儲(chǔ)能設(shè)施的微電網(wǎng)。這套3兆瓦太陽(yáng)能發(fā)電和2兆瓦/3.9兆瓦時(shí)電池儲(chǔ)能設(shè)施能夠在該地區(qū)斷電情況下保證鎮(zhèn)警察局和醫(yī)院急診調(diào)度中心運(yùn)行至少2周的時(shí)間。美國(guó)西海岸也有這樣的案例，在加利福尼亞州博里戈斯普林斯的輸電線被閃電擊壞后，圣地亞哥電氣公司利用博里戈斯普林斯26兆瓦太陽(yáng)能微電網(wǎng)為整個(gè)社區(qū)的2,800名居民供應(yīng)了電力——避免了一次長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的斷電事故。
奧克拉科克島的電力公司TidelandEMC利用控制熱水裝置和智能恒溫器的方式限制了島上的用電負(fù)荷。屋頂太陽(yáng)能和備用柴油發(fā)電機(jī)為地方水處理廠等關(guān)鍵設(shè)施提供動(dòng)力，而機(jī)動(dòng)式緊急備用發(fā)電機(jī)則為該島的配電網(wǎng)提供了動(dòng)力。
NCEMC高級(jí)副總裁LeeRagsédale指出，僅靠太陽(yáng)能和電池儲(chǔ)能設(shè)施還不能保證持續(xù)的能源供應(yīng)。他認(rèn)為：“在大型風(fēng)暴來(lái)襲時(shí)，輸電線路和基礎(chǔ)設(shè)施都可能遭到破壞。如果這類事件發(fā)生，太陽(yáng)能發(fā)電和電池儲(chǔ)能設(shè)備也只能為部分設(shè)施供電。微電網(wǎng)提供了備用電量與彈性，但它們并不能解決所有問(wèn)題。它們只是完整解決方案的一部分。”
可再生能源降低能源使用成本
班德拉州立公園坐落于圣安東尼奧市郊的班德拉市，每年夏天，這里的麥地那河都是游客避暑的熱門選擇。每到7月4日的美國(guó)國(guó)慶長(zhǎng)周末假期，這一地區(qū)都會(huì)迎來(lái)大批游客。平時(shí)，這里供電的變壓器負(fù)荷系數(shù)通常維持在70%左右，但在國(guó)慶假期期間，該平均負(fù)荷系數(shù)會(huì)激增一倍，達(dá)到140%。BEC公司CEOBillHetherington表示：“在99%的時(shí)間里，我們的變壓器都表現(xiàn)完美，但我擔(dān)心這一個(gè)周末會(huì)燒毀我們的設(shè)備。”
如果更換更大的變壓器，電力公司需要花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元的成本。Hetherington說(shuō)：“現(xiàn)實(shí)是，更換更大的變壓器意味著我們?cè)跒榱朔逯地?fù)荷建設(shè)冗余設(shè)施。也就是說(shuō)，我們花費(fèi)的高昂成本僅僅是為了一年中幾個(gè)小時(shí)的用電負(fù)荷。”該電力公司最終并沒(méi)有采取這種解決方案，而是選擇通過(guò)購(gòu)電協(xié)議的形式安裝了一座1.9兆瓦裝機(jī)太陽(yáng)能發(fā)電廠。BEC將其中100千瓦時(shí)的太陽(yáng)能電力出售給了想要支持太陽(yáng)能發(fā)展，但又無(wú)法在自家屋頂安裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的用戶。
這一系統(tǒng)為電力公司提供了很好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，因此他們正計(jì)劃在項(xiàng)目的下一階段投資儲(chǔ)能系統(tǒng)。
分布式發(fā)電技術(shù)并不僅僅能夠提高電網(wǎng)彈性，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。班德拉的太陽(yáng)能系統(tǒng)為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)創(chuàng)造了就業(yè)，并提高了民眾對(duì)可再生能源的認(rèn)識(shí)，許多學(xué)校經(jīng)常組織學(xué)生參觀太陽(yáng)能發(fā)電廠。在北卡羅來(lái)納州，奧克拉科克島的微電網(wǎng)為電力公司提供了現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)室來(lái)測(cè)試這些新興技術(shù)的互通操作性。
