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我们当前使用的电网始建于约一个世纪前，其设计架构围绕大型集中式能源展开，依赖水力、核能、煤炭及天然气发电厂中的重型旋转发电机供电（见图 1）。这类发电厂属于大型基础设施工程，从建设到投运需耗时 10-15 年，因此新增发电设施的难度极大。

1. 2023年美国能源来源和消耗估计。网格发生器用黄色方框表示。

然而，全球电力需求每年约增长4%。推动这一需求的有两个主要因素：

1. 电动汽车，随着交通日益电气化。

2. 人工智能，特别是支持AI计算工作负载所需的数据中心。

预计到 2030 年，仅电动汽车充电一项，就将占据全球约 2% 的电力需求。与此同时，每个 AI 数据中心将新增数十至数百兆瓦的电力负荷，给电网基础设施带来显著压力。

要满足这些新增需求，现有电网容量将面临严峻挑战，且新增能源项目的审批流程本就极为复杂。若要以必要的速度推进电网升级，就需要各方协同，对能源基础设施进行大规模投资。

或许有人会认为，只需扩建风电与太阳能发电装机容量，并全面推进交通工具电气化，就能填平能源需求缺口。但受电网现有架构限制，这种简单粗暴的方案根本行不通。

电网：一台时刻维持平衡的 “巨型机器”

要理解为何不能盲目将可再生能源并入电网，我们需要先深入了解电网的运行原理。电网必须时刻维持供需平衡，这是因为从实际应用角度来看，电网几乎不具备天然储能能力。

尽管储能技术正在快速发展，但目前真正具备电网级规模的储能设施仍极为有限。因此，只有让电力供应持续匹配实时需求，才能保障电网的稳定、可靠与经济运行。

欧洲电网的标准频率为 50 赫兹，北美等其他地区则为 60 赫兹。这一频率由驱动电网的发电机物理转速决定。电网频率的稳定性，主要依靠旋转发电机的转动惯量来维持 —— 转动惯量能够抵抗转速变化，帮助电网在供需出现波动时保持稳定。

电网运营商会持续监控电网频率，并通过自动化系统进行实时调节。他们会向发电机发送指令，要求其提高或降低发电量以匹配实时负荷，从而将频率控制在极小的稳定区间内。在大型电网中，频率波动通常被限制在 ±150 毫赫兹以内。

电网供需平衡必须时刻保持：当发电量与用电量匹配时，电网频率会稳定在额定值附近。

当电力需求超过供应时，发电机需要超负荷运转，导致转速下降，电网频率随之降低（见图 2）；反之，当发电量超过需求、出现电力盈余时，发电机涡轮转速会加快，进而推高电网频率。

2. 因发电和需求失衡而导致的电网频率影响。

电压也有类似的原理。当需求超过供给时，电压下降;当供给超过需求时，电压上升。虽然电压波动可以部分缓解，因为大多数电子器件设计用于在多个输入电压下工作，但这些差异仍然会影响电网在电压稳定性方面的性能。

加入可再生能源

关键挑战在于风能、太阳能和电动汽车是分散式能源，产生可变输出功率，而传统同步发电机则能提供高度稳定和稳定的电力。如今的电网最初并非为容纳大量分布式和可变资产而设计。

理论上，太阳能和风能等可变可再生能源的整合可能导致更多频率波动，因此需要现代控制系统来管理这些变化。因此，大规模整合这些分散资源需要有意识的战略规划和现代化网格架构的开发。这种架构将利用智能电网技术保持稳定性，支持双向电力流动，并确保长期可靠性。

构建现代化电网架构

构建现代化电网的核心概念，是引入分布式能源（DER）。分布式能源是被称为 “智能电网” 的新一代电网架构的基础组成单元。

分布式能源的核心通常是一台直流 - 交流转换器（即逆变器），它依靠电力电子技术实现能量转换，而非传统的旋转机械装置。至关重要的一点是，电网运营商能够对分布式能源进行远程编程与管理。这种远程控制能力，让运营商可以快速、动态地调节电网供需，确保电力供应始终匹配实时需求。

例如，在用电高峰时段，智能电网运营商可向电池储能系统等分布式能源下发指令，要求其向电网输送更多电力；反之，在电力供应过剩时，运营商则可命令光伏逆变器等设备降低输出功率。

关键在于，我们不能简单地将这些分布式能源接入电网，而必须通过合理整合，实现对它们的精准、协同管控。当数百万个小型分布式能源与数量相对稀少的大型旋转发电机协同工作时，精细化管理就显得尤为关键。

分布式能源资源的例子包括：

• 电动汽车的车载充电器

• 电动汽车充电站

• 光伏（PV）逆变器

• 电池储能系统（BESS）

• 燃料电池能源系统（ESS）

• 家庭能源管理系统（HEMS）

所有DER的共同特点是能够将电力重新送回电网。在某些情况下，如BESS或电动车，DER可以从电网获取电力为内部电池充电，并在电网需求增加时将电力回馈给电网（见图3）。

3. 仅消耗能源的设备与既能消耗能源又能将能量回馈电网的DER逆变器之间的功率流差异。

作为分布式能源设备，其不仅需要通过功能测试，还必须通过严格的标准化测试，确保自身能够成为合格、合规的“智能电网参与者”。

因此，分布式能源的核心测试要求包括：双向功率流动能力（例如电动汽车及充电桩的车网互联（V2G）功能）、设备互联互通标准、支持电网调度的通信协议、电网并网功能，以及网络安全要求。

标准化是必由之路

电网现代化升级的成败，从根本上取决于对分布式能源的高效管理能力。电网规范要求会进一步转化为正式标准，进而形成对应的设备认证体系。

维基百科对电网规范的定义是：“一套技术规范文件，明确了接入公共电网的设施必须满足的各项参数要求，以保障电力系统的安全、稳定与经济运行。这些设施可以是发电厂、电力用户或其他电网。电网规范通常由负责电力系统安全与电网运营的权威机构制定。”

由此可见，电网规范为分布式能源接入电网设定了明确规则。例如，IEEE 1547-2018就是一项针对分布式能源的电网规范，明确了分布式能源接入电网的各项规则与技术指标。为配合该规范落地，IEEE 1547.1-2020作为对应的测试标准，提供了分布式能源设备测试的具体流程与方法。

在此基础上，UL 1741 SB是一项产品认证标准，其通过采用 IEEE 1547.1-2020 中规定的测试方法，对设备是否符合性能要求进行验证。因此，UL 1741 SB 认证标志，是证明设备已通过相关测试、满足电网接入要求的官方 “产品合格印章”。

这些标准的要求极为严格，电网运营商绝不会允许任何不合规、未认证的设备接入电网。合规认证并非可选项，而是硬性要求。因此，分布式能源设备制造商在完成产品设计与研发后，还必须确保产品通过相关电网规范的认证测试。

关键词： 电网 可再生能源 分布式能源资源