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管理、轉換和存儲：向分布式電網轉型
前言：
作者：Nitin Sharma, 可持續能源總經理
David Ryan, 可再生能源總監
未來的幾十年，隨著全球人口持續上升以及各國的發展和經濟增長，預計能源需求將會更加旺盛。在這一轉型過程中，為滿足日益增長的需求，同時解決氣候問題，加快清潔可再生能源的供應至關重要，因為能源獲取影響著全球經濟以及所有人的福祉和安全。只有通過高效的能源管理、轉換和存儲，我們才能充分利用每一縷陽光或每一陣風，從而可靠地管理電網，推動經濟增長，并幫助確保地球的健康。
管理、轉換和存儲是支撐現代電網必然演進趨勢的基礎，而電氣化則基于現代電網來實現。打個比方，如果從金錢的角度來思考。人們需要對其進行管理：檢查、跟蹤和預測當前及未來的余額；進行轉換：旅行時，通過電子外匯，從瑞士法郎兌換成日元，再兌換成美元；以及存儲：存入儲蓄銀行，供日后收入下降、資金短缺或出現新需求時使用。與金錢一樣，管理、轉換和存儲的概念提供了可跟蹤性、靈活性和安全性。
集中式電網
100多年前1，電網發展為中心輻射模式。2在這種模式下，電力由大型集中式發電廠（通常使用化石燃料）的一些實體產生和控制。然后，電力通過輸電線路遠距離輸送到配電網絡。在該架構中，能源向一個方向流動——從發電站到變電站和輸電線，最后輸送至最終用戶。該模式可實現一定的規模經濟效益，但也面臨不少挑戰，例如效率不高，易受干擾，并且整合可再生能源的能力有限。
分布式電網
我們已從集中式發電站轉變為分布式可再生能源。3這是一個深度互連的網絡，其特點是向配電網供電的發電機規模較小且分布廣泛。分布式結構實現了雙向電力流動，其中，最終消費者成為產消者*，并將多余電力送回電網，因此有必要發展新能源市場。如果處理得當，分布式結構可提高能源彈性4 ，并減少傳輸損耗。5這需要投資基礎設施，并在小型發電機之間協調。
由于分布式可再生能源日益普及，電能的高效管理、轉換和存儲對于電網的成功運營和實現社會的可持續電氣化發揮著更加重要的作用。
管理
準確測量、監控和管理電網資產、電氣化基礎設施和能源流動。
轉換
在能源發電、存儲、分配和利用過程中，從交流電高效地轉換為直流電，以及高效地電壓變換。
存儲
通過分布式儲能系統(ESS)實現可靠、安全的能源存儲、運輸和供應，隨時隨地提供電力。
管理
“要增強電網智能、彈性和安全性，離不開能源管理。”——Dermot O'Keeffe，ADI智能電網解決方案產品線總監。
高效的電力管理確保優化分配和利用電力資源。通過采用智能電網技術，電力公司可實時監測和控制電流，從而減少浪費6 和停電7，同時有助于為工業流程、商業運營和日常生活提供更可靠的電力供應。實時數據以及從該數據中獲得的可行見解對于開發新系統和服務、培養能源市場至關重要。隨著能源、需求模式和新興技術越來越復雜并且不斷整合，高效管理至關重要。正確的電網管理能夠優化電力分配，最大限度減少傳輸損耗并確保電力以經濟高效的方式輸送給最終用戶。
轉換
“當電力流過電網時，從發電到輸電，到儲電，再到其目的地，比如電動汽車電機驅動器，電力多次從交流轉換為直流、從直流轉換為交流，并從直流轉換為直流。”——Vitaly Goltsberg，ADI能源轉換解決方案產品線總監。
太陽能板和風輪機等可再生能源產生直流電。因此，要促進可再生能源高效并入電網，將直流轉換為交流（然后再轉換回來）以及在直流電壓之間進行轉換的高效能源轉換技術至關重要。隨著越來越多的此類轉換系統（稱為逆變器）投入使用，我們有機會開發更智能、對電網狀態的響應更靈敏的控制器。
各國的能源目標差異很大，美國設定的目標是，到2030年，80%的電力來自可再生能源8，由太陽能和風能等異步或基于逆變器的能源產生。針對基于逆變器的無縫資源采用混合動力系統，目前還沒有成熟經驗。9ADI公司汽車電氣化和能源營銷總監David Ryan表示：“這讓我們感受到我們所面臨的不確定性和挑戰。在這種情況下，我們必須依靠經驗和技術專業知識來解決挑戰，并制定可行的解決方案。”
存儲
“要向基于可再生能源的分布式電網轉變，存儲技術需要實現巨大飛躍。”—Connor Power，ADI儲能解決方案產品線總監。
儲能是未來電氣化格局的基石。借助電池和其他存儲技術，能夠做到在低需求時段捕獲和存儲多余電力，以備在高需求時段釋放。
儲能系統可避免電網過載和崩潰的風險，從而節省數十億美元。此外，通過提供電池——相當于燃料的儲氣罐或煤炭的儲存倉庫——ESS可以輕松從容地應對需求突變。分布式發電站可將儲存的多余電力送回電網，從而實現新的能源交易商業模式。
電池管理系統(BMS)是ESS的基礎，為充分確保電池的健康狀況、延長壽命并實現電池的再利用和回收，了解電池的充電情況和完整生命周期至關重要。BMS可精確測量和監控單個電池單元，提供有關電壓和電流的信息，從而提高系統的容量、能源利用率和生命周期價值。
電網對高級能源管理、轉換和存儲解決方案的需求不斷增長
美國國家可再生能源實驗室表示，“當今商業化技術所實現的可再生能源發電，再加上更靈活的電力系統，足以滿足2050年美國總發電量的80%（而不是現在的20%）。”10屆時，電子（電力）將需要先進的方法和技術，以便在管理、轉換和存儲時實現更高的精度和可靠性。下面是主要示例。
監控對于深入了解用電量模式和電網性能至關重要。通過持續監控用電量（和發電量），電力公司可幫助識別高峰需求時段，檢測低效率，并制定數據驅動型決策，以幫助優化電網運營并減少停電的可能性。11
智能計量通過提供實時數據并允許在個人消費者層面做出關于用電的決策，將監控提升至全新的水平。智能計量有助于實現動態定價模型，鼓勵消費者將用電時間轉移到便宜的非高峰時段。通過精確監控流入和流出電網的電力，可確保準確計費。12
因此，可以培養新市場，有助于實現可再生能源的順利整合。13這些市場成功的關鍵在于能源流動的實時透明度、準確測量和跟蹤——如果無法測量，就無法交易。
需求側管理策略使用分時定價、智能家電、電動汽車充電和其他節能技術來管理和幫助減少用電量。14
智能電網技術將先進的傳感、通信和控制系統集成在一起，以便監控實時電網性能。該技術可實現高效的負載均衡、需求響應計劃和故障檢測，從而盡可能減少能源浪費并提高電網可靠性。
通過分布式電網各個組件之間的互連和通信，分布式能源資源(DER)、儲能系統和需求響應機制能夠協調工作，這有助于提高電網彈性、節省成本并提升能源效率。15–18
微電網是新興分布式電網模式的一部分。這些小規模清潔能源系統旨在發電、儲電和向特定區域或社區分配電力，它們可以獨立運行或聯合運行以向主電網供電。
對合作伙伴關系和透明度的需求
清潔能源行業需要各級合作，以減少效率低下的情況，同時增加數據收集點和數據收集頻率。首先實現整個電網基礎設施的透明度——從宏觀網絡層面，到覆蓋網絡的微節點，以及供應、需求和儲能路線中的實時能源流動。
透明度激活數據，數據賦予洞察力。通過調整管理、轉換和存儲技術，圍繞電網中各節點構建信息生態系統對我們的能源未來至關重要。
加速轉型
許多幾十年前設計的輸配電系統已不再適合如今的分布式可再生能源。要想實現靈活的能源分配，優化可再生能源并加速脫碳，利用智能電網技術對電網進行升級和現代化改造至關重要。這些技術還有助于提高運營效率，改善客戶服務并快速準確地檢測故障。19智能邊緣資產也必不可少，這些資產能夠自我優化，更加自立，支持實時決策，旨在充分提高效率，減少電網故障/崩潰，并在所有點提供能源流動的透明度。
管理、轉換和存儲技術可提高能源效率，優化能源利用率，實現可再生能源的無縫整合，并增強分布式電網的整體穩定性與可靠性。通過采用這些技術和進展，我們可以加速向可持續未來轉變，提高能源安全性，實現更清潔、更健康的世界。
參考文獻
*產消者：技術突破和用戶參與度的提高模糊了生產和消費活動之間的界限，消費者成為產消者。
1 James McBride和Anshu Siripurapu。“美國電網如何工作？”美國外交關系協會，2022年7月。
2 Ward Pincus。“去集中化的多種形式。”MAN Energy Solutions。
3 Sara Stefanini。“用分布式能源系統取代集中式電力需要新的政策和協調。”Energy Post，2022年1月。
4 Arnaud de Giovann和Ben Warren。“分布式能源能否變得足夠好、足夠快？”Ernst & Young，2022年11月。
5 “分布式能源系統在風能政策中的潛力。”Energy5，2023年9月。
6 Marcin Fr?ckiewicz。“智能電網在能源效率和節能方面的作用。”TS2 Space，2023年4月。
7 “智能電表可縮短停電和恢復時間。”NEMA。
8 H. J. Mai。“能源專家分享美國如何實現拜登的可再生能源目標。”美國國家公共廣播電臺，2023年2月。
9 “構成電網的逆變器控制。”美國國家可再生能源實驗室。
10 “關于可再生能源發電的未來的研究。”美國國家可再生能源實驗室。
11 “探索智能電網中實時能源監控的好處。”Energy5，2023年10月。
12 Matthew E. Kahn和Bhaskar Krishnamachari。“智能電表和動態定價可幫助消費者在低價時段用電，從而節省資金并減輕污染。”南加州大學多恩西夫分校，2022年10月。
13 Janet Richardson。“智能電表為何對實現可再生能源中心的凈零目標很重要。”可再生能源中心，2023年7月。
14 “需求側管理及其在電力市場中的應用。”NRG Energy，2023年6月。
15 “分布式能源資源。”美國能效經濟委員會。
16 Lai, Chun Sing；Locatelli, Giorgio；Pimm, Andrew；Wu, Xiaomei；Lai, Loi Lei。“回顧具有儲能的長期電力系統建模。”Journal of Cleaner Production，2020年9月。
17 Pooja Shah。“電網遭遇考驗：儲能如何成為可靠電網的關鍵。”Det Norske Veritas集團(DNV)。
18 “需求響應。”國際能源署(IEA)。
19 “電信基礎設施在智能電網中的作用。”Utilities One。2023年8月。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Nitin Sharma是一位在半導體行業深耕25年的技術高管，擁有十分豐富的經驗。Nitin熱衷于發現新興市場趨勢，通過創造創新技術來滿足市場需求，并對地球產生積極影響。他目前擔任ADI公司可持續能源事業部總經理，負責為日新月異的能源市場制定技術和市場增長策略。他的工作涵蓋全球能源生態系統，包括發電、電網自動化、電能計量和管理、電動汽車基礎設施和電源轉換。Nitin曾在多家重要的半導體和電信公司擔任多個工程、產品開發、營銷和管理方面的職位。Nitin擁有約翰斯·霍普金斯大學電氣工程碩士學位和波士頓大學高級工商管理碩士學位。
David Ryan是ADI公司可再生能源事業部總監，負責推動開發技術解決方案，通過電氣化加速脫碳進程。David在半導體行業深耕20余年，積累了豐富的經驗，曾為包括WiMAX和雷達系統在內的廣泛應用開發新型射頻芯片組。過去10年來，David一直致力于芯片和寬禁帶半導體的交叉研究，先是推動GaN在蜂窩基站中的商業化，目前專注于研究電網應用的能源轉換。David擁有IE商學院（西班牙）工商管理碩士學位、瓦爾登大學（美國）通信和集成電路碩士學位，以及科克大學（愛爾蘭）工學學士學位。
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