我們當(dāng)前使用的電網(wǎng)始建于約一個(gè)世紀(jì)前，其設(shè)計(jì)架構(gòu)圍繞大型集中式能源展開，依賴水力、核能、煤炭及天然氣發(fā)電廠中的重型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)供電（見圖 1）。這類發(fā)電廠屬于大型基礎(chǔ)設(shè)施工程，從建設(shè)到投運(yùn)需耗時(shí) 10-15 年，因此新增發(fā)電設(shè)施的難度極大。

1. 2023年美國能源來源和消耗估計(jì)。網(wǎng)格發(fā)生器用黃色方框表示。

然而，全球電力需求每年約增長4%。推動(dòng)這一需求的有兩個(gè)主要因素：

1. 電動(dòng)汽車，隨著交通日益電氣化。

2. 人工智能，特別是支持AI計(jì)算工作負(fù)載所需的數(shù)據(jù)中心。

預(yù)計(jì)到 2030 年，僅電動(dòng)汽車充電一項(xiàng)，就將占據(jù)全球約 2% 的電力需求。與此同時(shí)，每個(gè) AI 數(shù)據(jù)中心將新增數(shù)十至數(shù)百兆瓦的電力負(fù)荷，給電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施帶來顯著壓力。

要滿足這些新增需求，現(xiàn)有電網(wǎng)容量將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，且新增能源項(xiàng)目的審批流程本就極為復(fù)雜。若要以必要的速度推進(jìn)電網(wǎng)升級(jí)，就需要各方協(xié)同，對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模投資。

或許有人會(huì)認(rèn)為，只需擴(kuò)建風(fēng)電與太陽能發(fā)電裝機(jī)容量，并全面推進(jìn)交通工具電氣化，就能填平能源需求缺口。但受電網(wǎng)現(xiàn)有架構(gòu)限制，這種簡單粗暴的方案根本行不通。

電網(wǎng)：一臺(tái)時(shí)刻維持平衡的 “巨型機(jī)器”

要理解為何不能盲目將可再生能源并入電網(wǎng)，我們需要先深入了解電網(wǎng)的運(yùn)行原理。電網(wǎng)必須時(shí)刻維持供需平衡，這是因?yàn)閺膶?shí)際應(yīng)用角度來看，電網(wǎng)幾乎不具備天然儲(chǔ)能能力。

盡管儲(chǔ)能技術(shù)正在快速發(fā)展，但目前真正具備電網(wǎng)級(jí)規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施仍極為有限。因此，只有讓電力供應(yīng)持續(xù)匹配實(shí)時(shí)需求，才能保障電網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

歐洲電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為 50 赫茲，北美等其他地區(qū)則為 60 赫茲。這一頻率由驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)物理轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，主要依靠旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來維持 —— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能夠抵抗轉(zhuǎn)速變化，幫助電網(wǎng)在供需出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定。

電網(wǎng)運(yùn)營商會(huì)持續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)頻率，并通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。他們會(huì)向發(fā)電機(jī)發(fā)送指令，要求其提高或降低發(fā)電量以匹配實(shí)時(shí)負(fù)荷，從而將頻率控制在極小的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。在大型電網(wǎng)中，頻率波動(dòng)通常被限制在 ±150 毫赫茲以內(nèi)。

電網(wǎng)供需平衡必須時(shí)刻保持：當(dāng)發(fā)電量與用電量匹配時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)穩(wěn)定在額定值附近。

當(dāng)電力需求超過供應(yīng)時(shí)，發(fā)電機(jī)需要超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，電網(wǎng)頻率隨之降低（見圖 2）；反之，當(dāng)發(fā)電量超過需求、出現(xiàn)電力盈余時(shí)，發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速會(huì)加快，進(jìn)而推高電網(wǎng)頻率。

2. 因發(fā)電和需求失衡而導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率影響。

電壓也有類似的原理。當(dāng)需求超過供給時(shí)，電壓下降;當(dāng)供給超過需求時(shí)，電壓上升。雖然電壓波動(dòng)可以部分緩解，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電子器件設(shè)計(jì)用于在多個(gè)輸入電壓下工作，但這些差異仍然會(huì)影響電網(wǎng)在電壓穩(wěn)定性方面的性能。

加入可再生能源

關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于風(fēng)能、太陽能和電動(dòng)汽車是分散式能源，產(chǎn)生可變輸出功率，而傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)則能提供高度穩(wěn)定和穩(wěn)定的電力。如今的電網(wǎng)最初并非為容納大量分布式和可變資產(chǎn)而設(shè)計(jì)。

理論上，太陽能和風(fēng)能等可變可再生能源的整合可能導(dǎo)致更多頻率波動(dòng)，因此需要現(xiàn)代控制系統(tǒng)來管理這些變化。因此，大規(guī)模整合這些分散資源需要有意識(shí)的戰(zhàn)略規(guī)劃和現(xiàn)代化網(wǎng)格架構(gòu)的開發(fā)。這種架構(gòu)將利用智能電網(wǎng)技術(shù)保持穩(wěn)定性，支持雙向電力流動(dòng)，并確保長期可靠性。

構(gòu)建現(xiàn)代化電網(wǎng)架構(gòu)

構(gòu)建現(xiàn)代化電網(wǎng)的核心概念，是引入分布式能源（DER）。分布式能源是被稱為 “智能電網(wǎng)” 的新一代電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)組成單元。

分布式能源的核心通常是一臺(tái)直流 - 交流轉(zhuǎn)換器（即逆變器），它依靠電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，而非傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。至關(guān)重要的一點(diǎn)是，電網(wǎng)運(yùn)營商能夠?qū)Ψ植际侥茉催M(jìn)行遠(yuǎn)程編程與管理。這種遠(yuǎn)程控制能力，讓運(yùn)營商可以快速、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電網(wǎng)供需，確保電力供應(yīng)始終匹配實(shí)時(shí)需求。

例如，在用電高峰時(shí)段，智能電網(wǎng)運(yùn)營商可向電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等分布式能源下發(fā)指令，要求其向電網(wǎng)輸送更多電力；反之，在電力供應(yīng)過剩時(shí)，運(yùn)營商則可命令光伏逆變器等設(shè)備降低輸出功率。

關(guān)鍵在于，我們不能簡單地將這些分布式能源接入電網(wǎng)，而必須通過合理整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的精準(zhǔn)、協(xié)同管控。當(dāng)數(shù)百萬個(gè)小型分布式能源與數(shù)量相對(duì)稀少的大型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)協(xié)同工作時(shí)，精細(xì)化管理就顯得尤為關(guān)鍵。

分布式能源資源的例子包括：

• 電動(dòng)汽車的車載充電器

• 電動(dòng)汽車充電站

• 光伏（PV）逆變器

• 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）

• 燃料電池能源系統(tǒng)（ESS）

• 家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）

所有DER的共同特點(diǎn)是能夠?qū)㈦娏χ匦滤突仉娋W(wǎng)。在某些情況下，如BESS或電動(dòng)車，DER可以從電網(wǎng)獲取電力為內(nèi)部電池充電，并在電網(wǎng)需求增加時(shí)將電力回饋給電網(wǎng)（見圖3）。

3. 僅消耗能源的設(shè)備與既能消耗能源又能將能量回饋電網(wǎng)的DER逆變器之間的功率流差異。

作為分布式能源設(shè)備，其不僅需要通過功能測試，還必須通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化測試，確保自身能夠成為合格、合規(guī)的“智能電網(wǎng)參與者”。

因此，分布式能源的核心測試要求包括：雙向功率流動(dòng)能力（例如電動(dòng)汽車及充電樁的車網(wǎng)互聯(lián)（V2G）功能）、設(shè)備互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)、支持電網(wǎng)調(diào)度的通信協(xié)議、電網(wǎng)并網(wǎng)功能，以及網(wǎng)絡(luò)安全要求。

標(biāo)準(zhǔn)化是必由之路

電網(wǎng)現(xiàn)代化升級(jí)的成敗，從根本上取決于對(duì)分布式能源的高效管理能力。電網(wǎng)規(guī)范要求會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為正式標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而形成對(duì)應(yīng)的設(shè)備認(rèn)證體系。

維基百科對(duì)電網(wǎng)規(guī)范的定義是：“一套技術(shù)規(guī)范文件，明確了接入公共電網(wǎng)的設(shè)施必須滿足的各項(xiàng)參數(shù)要求，以保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這些設(shè)施可以是發(fā)電廠、電力用戶或其他電網(wǎng)。電網(wǎng)規(guī)范通常由負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)安全與電網(wǎng)運(yùn)營的權(quán)威機(jī)構(gòu)制定。”

由此可見，電網(wǎng)規(guī)范為分布式能源接入電網(wǎng)設(shè)定了明確規(guī)則。例如，IEEE 1547-2018就是一項(xiàng)針對(duì)分布式能源的電網(wǎng)規(guī)范，明確了分布式能源接入電網(wǎng)的各項(xiàng)規(guī)則與技術(shù)指標(biāo)。為配合該規(guī)范落地，IEEE 1547.1-2020作為對(duì)應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，提供了分布式能源設(shè)備測試的具體流程與方法。

在此基礎(chǔ)上，UL 1741 SB是一項(xiàng)產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其通過采用 IEEE 1547.1-2020 中規(guī)定的測試方法，對(duì)設(shè)備是否符合性能要求進(jìn)行驗(yàn)證。因此，UL 1741 SB 認(rèn)證標(biāo)志，是證明設(shè)備已通過相關(guān)測試、滿足電網(wǎng)接入要求的官方 “產(chǎn)品合格印章”。

這些標(biāo)準(zhǔn)的要求極為嚴(yán)格，電網(wǎng)運(yùn)營商絕不會(huì)允許任何不合規(guī)、未認(rèn)證的設(shè)備接入電網(wǎng)。合規(guī)認(rèn)證并非可選項(xiàng)，而是硬性要求。因此，分布式能源設(shè)備制造商在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)后，還必須確保產(chǎn)品通過相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范的認(rèn)證測試。