原文标题：应对电力系统的脆弱性？提高弹性能力/Can the Electricity Industry Seize Its Resilience Moment:

发布日期：美国时间2018年11月12日

发布媒体：杜克能源/中国储能网/中国能源网

文章推荐：Xuan Zhang博士

哈佛大学博士后、牛津大学博士，拥有丰富智能电网系统设计经验

电力系统的弹性指的是其在故障、自然灾害、人为破坏（如网络攻击）等情况下的快速应对能力及恢复能力。随着电力系统结构的大规模化、复杂化及系统内不确定因素的增加，弹性这一指标越来越受到系统管理者、使用者的重视，亦成为商业投资领域关注的焦点之一。相比于传统能源模式，新能源（尤其是光伏）加储能组合的引入可以有效地提高电力系统的弹性；微电网结构的推广也能令电力系统在各种极端情况下变得更加坚固可靠：这些变化正在悄然发生，高弹性电力系统的未来可期。

美国能源部（DOE）今年5月宣布，作为美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）新计划的一部分，将投资3000万美元的项目资金，其中包括电力储能持续时间（DAYS）项目的投资。DAYS项目团队将构建创新技术，以实现电网的长时间储能，可以提供10至100小时的可靠电力。

储能系统将在未来的弹性电网中扮演越来越重要的角色。储能系统提供重要的服务，其中包括提高电网稳定性，提供备用电源，并允许更大程度地整合可再生资源。当今主导的储能系统具有一些局限性，限制了其作为长期电力解决方案的应用，特别是其高昂的成本。

美国能源部长Rick Perry说，“构建未来的电网需要新的工具和技术来确保人们获得可负担得起的安全能源。美国能源部正在关注能源领域，并确定我们需要支持未来电力系统的关键技术。这些新的储能选项将为我们提供机会，使电网更具弹性，同时实现美国能源资源的更好整合。”

电力储能持续时间（DAYS）团队将开发可部署在几乎任何位置的储能系统，并以每一个周期的成本目标放电，远低于当今可用的储能系统。

此次资助将会对一系列储能技术进行开放性的选择，其中包括热学、机械、电化学、化学等，其挑战是成本目标、选址、功率输出和工作周期一系列要求。

每当天灾过后，能源安全的议题就会再度受到重视，2012 年时珊迪飓风侵袭美东，造成纽约等地大断电，当时分布式能源的各种技术还在实验阶段，成本较高，本来不受重视，只在学校进行小型学术性试验，但当珊迪来袭，纽约一片黑暗，纽约大学校区因设置热电共生分布式能源系统，有电、有灯光、有暖气、有热水，成为灾区中的救难绿洲，其他如纽泽西州普林斯顿大学校区、康乃迪克州的南温莎（South Windsor）高中，也扮演相同角色。

5年过后，相关技术成本已大为下降，然而分布式能源发展仍侷限于特殊应用，如偏远地区等尚未能完全普及。哈维飓风侵袭，再度提醒世人集中式电网对应巨灾的脆弱性，以及分布式能源的重要。台湾许多人对分布式能源完全没有认知，经常误以为把电网切八段叫分散，或误以为只有分布式太阳能才是分布式能源，事实上，分布式能源的领域非常广，从最传统的备援柴油发电机，到最高阶的微电网系统，都是分布式能源的一环。

哈维飓风摧毁了输配电设施，造成超过20 万户断电，而大水造成电力公司根本无法前往抢修，于是大多数没有备援电力的用户，就这样被遗落在黑暗中。德州大多数居民具有分布式备援电力资源，多半还是传统在车库里的柴油发电机，这些柴油发电机尽管污染大，也不是什么最新科技，但是能让冰箱有电，食物不会腐坏，也能让重要的商家开店运营，以及维持医院运作。

家中没电或许只是不方便，商家没电可能只是少赚点钱，但对大型机构来说，备援电力准备是否充分至关重要。医院仰赖备援电力保住病人性命，珊迪飓风时，纽约就发生医院备援柴油发电机故障，导致病患得在风雨中转院的惨剧。在德州，此次哈维飓风也让多家医院发现备援电力失效，导致16 家医院关闭、1,000 多名病患得在风雨中转院。

此外，哈维飓风还吹垮了化学工厂。2004 年由道达尔（Total）重整时独立而成的阿科玛（Arkema）化学，其在德州克劳斯贝的化学工厂，受到哈维飓风侵袭，不仅打断电网供电，也淹没柴油发电机，造成两组备援电力系统失效，过氧化物冷冻储槽断电，阿科玛员工连忙把过氧化物转移到柴油发动的冷冻柜拖车上，但其中8 辆也发生故障，员工只好紧急撤离，过氧化物升温后分解，产生有毒烟雾，最后着火爆炸，消防单位疏散方圆1.5 英里范围。爆炸后散发的毒雾让许多警消人员都因为呼吸道刺激而送医。

相对的，在哈维飓风巨灾中，休士顿的德州医学中心（Texas Medical Center ）却是有备无患。2001 年时，飓风艾利森来袭，造成德州医学中心损失20 亿美元，在这次惨痛教训后，院方痛定思痛，斥资5,000 万美元，建立一系列防水门，以阻挡可能的洪水；此外，也找来热电共生系统商热能（Thermal Energy）安装热电共生系统。当哈维飓风来袭，德州医学中心安然继续运营，确保所有病人的安全。

德州H-E-B 连锁超市也获益于及早引进分布式能源系统。H-E-B 连锁超市与微电网服务商迷岩（Enchanted Rock）合作，以每月付固定服务费用的方式，让迷岩为大休士顿地区63 家店面安装、维护、运营燃气发电微电网系统。在平时，这套系统主要是用来在尖峰时间减少使用高价用电，或是甚至可逆向售电给德州独立电网ERCOT，这套系统也设计了“孤岛模式”，也就是当德州电网断电时，可以做为独立的微电网运作。当哈维飓风侵袭导致大断电时，18 家H-E-B 连锁超市进入孤岛模式后，可从不受狂风与水灾影响的地下天然气管线取用天然气，成功自我供电，而能持续运营。

可从防灾的能源安全角度出发

分布式燃气发电不仅成本低于柴油发电，也更可靠，让天然气成为取代传统柴油发电机的选项。迷岩的燃气发电微电网系统目前总安装容量已经达130 百万瓦（megawatt），并且无需补贴就有市场经济效益。

德州也有结合太阳能、能源储存、建筑能源管控系统的较复杂微电网。达拉斯电力公司安可（Oncor）就建立了一个示范微电网，此外，美国能源部也出资，挹注德州理工大学成立的可再生能源产学平台奈尔集团（Group NIRE），建立物联网能源管控系统，控制电池、电动车、空调设备、电热水器、LED 照明等100 项设备，以达成稳定管理微电网的目标，不过这两个计划都未受哈维飓风侵袭的考验。

佛罗里达州的主要电力公司之一，佛罗里达电力照明公司（Florida Power & Light）在2005 年威玛飓风侵袭造成350 万人断电之后，自2006 年起，投注30 亿美元升级既有电网，提高对天灾的防备能力，包括将木柱电线杆改为混凝土、在变电所安装洪水监测装置，以保护低洼地区的变电装置，也安装智慧电表，以便一旦电力网络受损时能立即察觉并尝试绕过受损地区。

但是哈维飓风之后，紧接着艾玛飓风来袭，佛罗里达州仍有900 万人断电，相当于4 成居民，乔治亚州与南卡罗来纳州也有100 万人断电，另外杜克能源所属区域也有100 万人断电。在艾玛飓风的强风侵袭下，连混凝土电线杆也应声折断，地下设施在飓风带来暴潮下淹没，大量设施损毁无法修复，必须重建，导致需要数周时间才能复电。

佛罗里达电力照明公司认为已经打造全美最强化、最智慧的电网，但仍然无法抵抗艾玛飓风，这再度提醒世人集中式电网面对天灾的脆弱性。当前的集中式电网，任何输配节点受损，就会造成后续区域或完全断电，这样的弱点，想要靠电网能全面升级加强至“金刚不坏”来弥补，由佛州经验可知，既旷日废时、效果不彰，经济上也不切实际。

分布式能源发展的第一步，并非立即取代现有的集中式电网，而是补其不足，既然无法把集中式大电网所有环节都打造得固若金汤，那就先从备援的思考角度补强。重要设施，小自红绿灯，大到医院、重要工厂，都必须建立自有的分布式能源，以因应一旦天灾人祸，不会因为缺电而酿成更大灾害。民生方面，住宅或社区有一定分布式能源备援能力，虽然可能不足以吹冷气，但至少冰箱有电，食物不会腐坏，抽水机有电，保持水塔有水，就能安然度过灾情。

继珊迪台风之后，此次哈维、艾玛飓风连续来袭，引起美国又一波分布式能源思考，纽泽西州公共事务委员会（New Jersey Board of Public Utilities）近来批准城中市区对微电网应用的研究，就表示珊迪飓风、哈维飓风的灾情，提醒人们需要更多准备，需要打造先进微电网以因应下次灾情。随着极端气候现象越来越显著，分布式能源的概念，可望先从防灾的能源安全角度出发，打下第一个利基市场。

当飓风哈维和伊玛席卷美国南部时，造成的断电事故影响了数百万人。在这类自然灾害发生时，保持供电将比平时更加关键。落基山研究所的研究认为，在城市和电力公司的重建过程中，可以考虑更具有前瞻性的解决方案使得电网更具弹性，如使用分布式能源，尤其是通过在配电网配置太阳能发电和电池储能设施等方法。

事实上，越来越多的证据表明，无论是一个州还是一个国家，都能够利用可再生能源、能效、需求响应和其它分布式能源资源替代老旧的、高成本的化石燃料热电厂，以更低的成本为电网服务带来更高的可靠性与弹性。

通过分布式能源资源提高电网弹性

全美各地的许多城市和大学都认识到了这一点。马萨诸塞州斯特林镇的斯特林政务照明部门在该镇修建了一套太阳能发电加储能设施的微电网。这套3兆瓦太阳能发电和2兆瓦/3.9兆瓦时电池储能设施能够在该地区断电情况下保证镇警察局和医院急诊调度中心运行至少2周的时间。美国西海岸也有这样的案例，在加利福尼亚州博里戈斯普林斯的输电线被闪电击坏后，圣地亚哥电气公司利用博里戈斯普林斯26兆瓦太阳能微电网为整个社区的2,800名居民供应了电力——避免了一次长达10小时的断电事故。

奥克拉科克岛的电力公司TidelandEMC利用控制热水装置和智能恒温器的方式限制了岛上的用电负荷。屋顶太阳能和备用柴油发电机为地方水处理厂等关键设施提供动力，而机动式紧急备用发电机则为该岛的配电网提供了动力。

NCEMC高级副总裁LeeRagsédale指出，仅靠太阳能和电池储能设施还不能保证持续的能源供应。他认为：“在大型风暴来袭时，输电线路和基础设施都可能遭到破坏。如果这类事件发生，太阳能发电和电池储能设备也只能为部分设施供电。微电网提供了备用电量与弹性，但它们并不能解决所有问题。它们只是完整解决方案的一部分。”

可再生能源降低能源使用成本

班德拉州立公园坐落于圣安东尼奥市郊的班德拉市，每年夏天，这里的麦地那河都是游客避暑的热门选择。每到7月4日的美国国庆长周末假期，这一地区都会迎来大批游客。平时，这里供电的变压器负荷系数通常维持在70%左右，但在国庆假期期间，该平均负荷系数会激增一倍，达到140%。BEC公司CEOBillHetherington表示：“在99%的时间里，我们的变压器都表现完美，但我担心这一个周末会烧毁我们的设备。”

如果更换更大的变压器，电力公司需要花费数十万美元的成本。Hetherington说：“现实是，更换更大的变压器意味着我们在为了峰值负荷建设冗余设施。也就是说，我们花费的高昂成本仅仅是为了一年中几个小时的用电负荷。”该电力公司最终并没有采取这种解决方案，而是选择通过购电协议的形式安装了一座1.9兆瓦装机太阳能发电厂。BEC将其中100千瓦时的太阳能电力出售给了想要支持太阳能发展，但又无法在自家屋顶安装太阳能发电设备的用户。

这一系统为电力公司提供了很好的经济回报，因此他们正计划在项目的下一阶段投资储能系统。

分布式发电技术并不仅仅能够提高电网弹性，降低系统运行成本。班德拉的太阳能系统为当地社区创造了就业，并提高了民众对可再生能源的认识，许多学校经常组织学生参观太阳能发电厂。在北卡罗来纳州，奥克拉科克岛的微电网为电力公司提供了现成的实验室来测试这些新兴技术的互通操作性。