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要实现拜登政府制定的雄心勃勃的脱碳目标，即到 2035 年实现 100% 清洁电力以及到 2050 年实现净零排放经济，需要大幅增加清洁和可再生能源在发电组合中的份额。为了经济有效地实现这些脱碳目标，可再生能源需要增长到当前水平的数倍。输电系统无法应对预期的电力流量大幅增加；其容量和可用性的缺乏导致电网拥塞，从而导致能源价格上涨并限制可再生能源。此外，随着经济电气化的预期导致未来需求大幅增加，电网的负担不断增加。REPEAT 项目的一份报告估计，要充分利用《减少通货膨胀法案》(IRA) 提供的补贴，输电容量必须每年增长约 2.3%，是过去 10 年增长率的两倍多。然而，由于规划、选址和许可方面的复杂性，新项目的建设可能需要十多年的时间。州和联邦政策制定者已经承认这一挑战，并采取措施支持新传输的建设。《基础设施投资和就业法案》(IIJA) 和 IRA 为输电扩建提供了支持，分别拨款 125 亿美元和 50 亿美元。此外，拜登政府最近宣布计划通过能源部（DOE）简化输电线路的联邦许可程序，以促进扩建。尽管如此，专家们仍然怀疑我们能否及时建造足够的新变速器来支持不断变化的发电结构和增加电气化以实现气候目标。然而，建设新线路并不是增强弹性、可靠性和可负担性的唯一方法。几种不同类型的投资可以带来类似的结果。电网增强技术可以增加现有线路的容量，分布式能源可以分散发电资源，使其更接近负荷中心，微电网可以利用现场发电来支持部分负荷，并使校园或社区免受电力系统问题的影响。更广泛的网格。这些解决方案可以带来好处，但每种解决方案都最适合特定的情况，并且在实施方面面临着自己的技术和监管障碍。本报告调查了有关不同类型网格解决方案的文献。我们讨论这些技术是如何工作的，在什么情况下它们可以作为传输扩展的替代品，它们的影响的证据，以及实施它们的挑战（技术和监管）。新线路无疑将成为能源转型的重要组成部分，但探索这些额外类型的投资可以帮助我们了解何时何地成本更低、部署更迅速的替代方案可以为我们的一些输电问题提供解决方案。![]()
对新输电的需求是由电网运营商的两个核心目标驱动的：可靠性和可承受性。新线路可以通过将更多发电资源连接到电网并将整个区域与不同类型的资源连接起来来提高可靠性。例如，一条将太阳能充足的地区与风能充足的地区连接起来的线路可以在其中一种资源不可用时帮助延长电力可用性。新的传输还可以提供可负担性，特别是在具有竞争性发电的放松管制的地区。通过增加进入市场的发电机数量，负载服务实体有更大的机会找到低成本电源，因为更激烈的竞争会导致价格更低。对于在某种情况下被视为输电“替代品”的投资，它必须为感兴趣的地区提供更高的可靠性和可承受性。在某些情况下，投资不会取代对新传输的需求，但可能会推迟它。这些投资可以在短期内带来效益，但这对新生产线来说是一个挑战。我们探索的投资通过以下方式提高可靠性和可承受性：(2) 将低成本资源（尤其是可再生能源）连接到负载， (4) 提高灵活性和响应能力实时处理不确定性的速度。我们讨论了在某些情况下可以替代新输电的三大类投资：电网增强技术（GET）是提高电网效率和可靠性的硬件和软件；分布式能源（DER）是在使用地点或附近发电和供电的小规模、模块化资源和技术；微电网是本地化能源系统，可以自主生成、存储电力并将其分配给连接的设施，无论是否连接到传统的高压电网。GET 增强了高压线路的容量并减少拥堵。我们探讨了三种主要 GET 类型的价值：动态线路额定值 (DLR)、灵活交流输电系统 (FACTS) 和拓扑优化 (TO)。我们回顾每种技术及其具体优点和局限性。架空线路的最大载流能力（称为“载流量”）取决于温度、线路垂度/张力、建筑材料和天气（IRENA 2020）。传统上，输电系统运营商 (TSO) 使用静态线路额定值 (SLR)，依靠一组保守的天气测量（例如低风速、高太阳辐射和高温）来预先确定固定的载流量水平。这些收视率通常会因季节而异，称为“季节性静态收视率”（Tsuchida et al. 2021）。相比之下，DLR 系统根据环境温度、风速和风向以及阳光等环境因素的实时监控，主动改变线路额定值 (IRENA 2020)。环境调整等级 (AAR) 出现在某些地区，其动态性介于 SLR 和 DLR 之间。这些设备使用线路特定数据和环境空气温度数据，但不会实时监控变化，也不会考虑太阳辐射、风或其他接近实时产生更准确线路额定值的因素（图 1；纽约电力局 nd） ）。最近的 FERC 命令 881 和 881a 要求输电提供商在 2025 年 7 月之前对输电线路采用 AAR（Thappetaobula 2023）。图 1. 不同类型的线路额定值
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LR 系统旨在优化线路使用，从而减少拥堵并提高各线路的换乘能力。举一个常见的交通类比，SLR 就像始终保持较低的速度限制以适应雨雪路况，而 DLR 就像根据不同的天气和路况实时调整速度限制（Mendell 等人，2022 年；Tsuchida 等人）等2021）。就物理基础设施而言，DLR 系统通常包括线路上或附近的传感器、处理 DLR 数据的信息中继通信和分析系统、控制系统以及根据 DLR 信息做出线路使用决策的操作员。图 2 描绘了 DLR 系统。![]()
DLR 系统可以为电网带来许多好处。DOE 和 ONCOR 的一项联合研究发现，相对于 SLR，DLR 可以将线路的传输能力提高 5-25%，从而降低拥堵成本和可再生能源削减（Tsuchida 等人，2021）。风电并网的容量增加尤其明显，因为强风同时发电并冷却附近的线路，从而增加了其传输能力（美国能源部，2020）。宾夕法尼亚州和纽约州北部的两个案例研究（Tsuchida 等人，2023）展示了拥堵线路上的 DLR 如何避免预计每年 2350 万美元的拥堵成本，并将风能和太阳能弃风量减少超过 350 兆瓦。与重新铺设和重建线路相比，DLR 设备的成本更低，安装速度更快，而重新铺设和重建线路可能需要数年时间，并且需要延长线路停运时间。PJM 的一项研究表明，使用 DLR 技术升级密歇根和伊利诺伊州之间的线路，花费 50 万美元，每年可节省 400 万美元的拥堵成本，而传统解决方案可能花费 22-1.76 亿美元。此外，DLR 设备可以快速部署和重新定位，为传输所有者提供宝贵的灵活性。DLR 技术还通过增强态势感知来保护设备免受安全隐患。例如，实时监控可以在动态额定值低于静态额定值并且线路面临风险时（在极热且无风的一天可能发生）通知操作员。线路上的定期数据和反馈有助于跟踪系统的健康状况，检测任何异常情况，并为未来的输电和发电规划预测提供信息。当极端天气事件与线路承载能力增强相关时，DLR 还可以增强弹性，例如在寒流期间，供暖需求异常高，但线路可以承载更多电流。尽管 DLR 系统具有多种优点，但它们也有局限性。首先，该设备很容易出现测量和建模错误，这些错误可能是由于传感器校准不当、天气预报和数据收集错误以及传感器部署稀疏造成的。此外，DLR 仅对负载较重的线路有效。美国能源部智能电网示范计划下的两个 DLR 项目发现传感器无法收集轻载线路的精确数据。在交通繁忙的线路上使用 DLR 并在 DLR 估计中包含置信区间可以减轻错误的影响。尽管 ISO 和 RTO 可以在其现有控制系统中利用 AAR，但纳入 DLR 可能需要改变市场运营或投资新的控制系统，而这可能会很昂贵。在风速变化不大的某些地区，DLR 超出 AAR 的增量效益可能很小。DLR 项目可能面临另一个劣势，即公用事业费率监管结构所产生的激励措施。具体而言，与新线路和铁塔的投资不同，DLR 不是资本密集型的，因此对公用事业公司赚取回报率的能力贡献不大。因此，业主当前的商业模式倾向于资本密集型方式。总体而言，DLR 是一种低成本技术，可在短期内增加现有线路容量并缓解拥堵。当天气凉爽时，它增加了最大的传输能力，因此它可能更适合冬季高峰期间风力充足或拥堵的环境，而不是热浪期间由高太阳能发电引起的拥堵。此外，它确实需要负载更重的线路才能有效运行。在拥有许多现有线路且负载较重的地方，以及由于空间限制而难以建设用于增加容量的新基础设施的地方，例如人口稠密的地区，它作为传输的替代品将是最有用的。尽管 DLR 会对线路的热特性做出响应，从而限制各个电路上的电流，但这些限制通常更广泛，并且与整体网络性能相关。添加通过增强系统阻尼提供动态电压支持和稳定性的设备。可以帮助克服此类问题。FACTS 是一种先进的潮流控制系统，它使用静态设备来拉动和推动线路上的电力，以最大限度地利用它们，从而增加输送的总电流。它可以快速、动态、灵活地控制潮流和电压稳定性，而无需改变发电机调度（US DOE 2020）。具有闲置容量的线路可以拉动更多电力，减少对另一条线路的限制并增加电网的整体电力传输能力。使用交通类比，FACTS 类似于当一个平台受到太多火车到达和出发的限制时，切换铁轨以将火车重定向到可用的铁路站台（Mendell 等人，2022）。在 20 世纪 70 年代引入更先进的 FACTS 设备之前，移相变压器 (PST) 或相角调节器被用来执行类似的功能，并且它们仍然很常见。然而，这些第一代机械开关器件具有响应速度慢的特点。最新一代的设备，如静态同步补偿器（STATCOM）、静态同步串联补偿器（SSSC）和统一潮流控制器（UPFC），都是FACT的例子，它们具有完全控制的功率半导体，并提供更大的灵活性和并发性。控制所有基本系统参数。然而，由于成本原因，它们的部署较低。FACTS 具有多种独特的优势。先进的 FACTS，尤其是最新一代的设备，可提高响应速度和灵活性，以解决干扰、故障和不可预见的不稳定电网情况。所有这些功能都可以提高电网的长期可靠性和弹性。这些设备对于将间歇性可再生能源整合到电网中尤其重要，因为它们的可变性会影响线路上传输的电力的电压和频率。此外，FACTS 设备可以减少生产线建设和升级期间的影响。例如，一项研究发现，在附近的线路上安装 FACTS 设备以避免在其他线路升级期间过载，可以在 3.5 年的升级时间内节省大约 7000 万美元的避免重新调度成本。此外，安装投资成本将相当于避免拥堵成本的 2-6%。
FACTS 也面临着限制和障碍。初始成本相当高，并且设备需要定期维护，这增加了成本。动态响应 FACTS 技术（例如 SSSC、STATCOM 和 UPFC）比没有这种能力的 PST 成本高得多。尽管如此，与新的传输相比，它们仍然可以节省大量成本。此外，由于空间限制，潮流控制（PFC）技术一般不太适合地下线路系统。FACTS 也很难整合到电网可靠性规划中。系统规划人员在其既定的规划模型中考虑最坏的情况，例如线路中断，以确定系统是否能够正常运行。在互连网络中，可以通过使用 FACTS 设备将负载转移到其他线路来减轻电压和频率限制风险。输电规划者需要知道如何对这项技术对停电可能性的影响进行建模，而不是在外生建模时测试其有效性。需要更复杂的建模方法和工具才能全面了解对稳定性和电压限制的影响。如果规划者在规划过程中不考虑 FACTS 对减少停电的影响，他们就会低估它。FACTS 可能会给更广泛的电网带来好处，但第三方需要获得业主的同意才能进行任何 PFC 升级。此外，FERC 第 1000 号命令维护了现任所有者在拥有、建造和收回其设施升级成本方面的权利，并允许他们拒绝此类升级。该条款可能会阻止想要向竞争市场销售 PFC 解决方案的新参与者的进入。另一种可能性是，如果现有企业提出 PFC 升级作为缓解新输电需求的一种方式，非现有企业可能会认为这限制了新输电项目的建设，从而限制了竞争。总体而言，FACTS 解决方案非常适合需要快速动态响应、负载和电压变化频繁且改造这些相对较大的物理资产（与其他 GET 相比）的空间限制较少的场所。因此，尽管 DLR 系统可能在人口稠密的地区提供更好的服务，但 FACTS 可能更适合可再生能源发电变化较大的地区以及发电需要有效地与电网互连而不会出现故障的地区。通常，公用事业规模的可再生能源发电发生在人口稀少、空间充足且线路建在地面以上的地区。在这些地区，事实证明，FACTS 在增加现有线路容量、同时维持电压和稳定性限制方面是有用且具有成本效益的，从而减少了整合可再生能源发电的新输电需求。电网中的拓扑是指如何布置线路和变压器等分支元件以提供供电。TO（拓扑控制的一种应用）是指使用人工智能来确定重新配置电网的方法的软件解决方案，通过打开和关闭断路器以转移电力，绕过瓶颈重新路由电力流，减少拥堵并优化传输能力（美国能源部 2020）从拥挤的线路转移到其他线路。拓扑控制算法 (TCA) 是主要的 TO 工具，可自动识别最佳配置选项来管理拥塞、响应突发事件（例如过载和约束）并帮助规划中断。该软件就像网格的“谷歌地图”，它评估并呈现最可行的路线。使用交通类比，TO 类似于将交通转移到不太拥堵的道路上，以使拥堵道路上的交通更加顺畅。TC 的工作原理与基于硬件的 FACTS 设备类似，并且可以对其进行补充。TO 软件可以与现有设备一起使用，因为开关基础设施已经就位，并且断路器通过监控和数据采集系统进行远程控制。TSO 临时执行拓扑控制，严重依赖操作员经验（图 3）。鉴于网格的复杂性不断增加，此手动过程变得越来越耗时。人工智能的最新进展以及美国能源部高级研究计划署（DOE ARPA-E）在开发 TCA 方面的支持已经使寻找最佳传输控制操作的过程自动化。![]()
相对于手动重新配置，这些 TCA 具有多项优势，例如更低的实施成本、实时解决方案以及更好的管理和规划。TCA 旨在与现有系统一起运行，不需要资本投资或硬件安装，这使得它们比其他 GET（例如 FACTS）成本更低。根据 Brattle Group 2021 年的一项研究，每个开关周期（打开和关闭断路器）的成本将为 10-100 美元，这只是拥堵节省的一小部分。因此，在某些情况下，TO 也可能被证明是比建设新线路更具成本效益的选择。TCA 还可以快速为系统操作员提供多种选项以及对每种选项的影响评估，这对于满足应急约束和电压标准特别有用。两个 RTO（西南电力联营 (SPP) 和中大陆独立系统运营商 (MISO)）的案例研究表明，TO 软件为面临约束约束的线路和变压器找到了重新配置解决方案，从而可靠地增加了流量，从而节省了避免拥堵的成本。在 PJM 中，TO 软件识别的重新配置使实时拥堵成本下降了 50%，预计 PJM 足迹每年的价值约为 1 亿美元。此外，TO 可以减少可再生能源弃风，从而更多地利用现有可再生能源、降低能源价格并带来排放效益。在 TO 的 SPP 试点中，拥堵导致 285 MW 风电被削减，但 TO 缓解了拥堵并消除了弃风。TO 还改善了运营管理，减少了系统违规和停机的次数。如果自然灾害改变了线路的状态，TCA 提供的最佳纠正措施可以加速恢复，同时将客户中断降至最低，从而提高整体系统的弹性。此外，TO 通过寻找针对计划停电的重新配置解决方案以及针对停电期间发生的任何系统中断的实时解决方案来改进运营规划。TO 解决方案并非在所有情况下都有效。由于美国电网的规模，重新配置分支的计算量可能会很大。此外，由于需要实时采用解决方案，大量可能的线路切换组合可能会使操作员计算和识别最佳解决方案变得缓慢而费力（US DOE 2020）。通过过度简化来降低复杂性是一种解决方案，但可能会损害结果的准确性和可靠性。因此，需要更多关于提高计算性能的研究，特别是随着网格的不断扩展。TO 也可以磨损网格本身。频繁切换断路器会加速其老化，增加维护成本，并对可靠性产生负面影响。将开关速率等参数纳入 TO 问题并量化增加开关的成本有助于减少这些担忧。此外，持续切换 TO 断路器可能会妨碍电网稳定性并导致故障或停电。随着电池、风能和太阳能等更多可变和基于逆变器的可再生能源的部署，这种担忧尤为重要。传统的控制措施可能无法调整来处理这些资源引起的意外情况，并且调整它们可能并不那么容易。预测第二天负荷和调度的日前能源市场还包括对由于线路传输限制而导致的当地价格差异的预测，从而为金融传输权持有者从拥堵费的一部分中创造收入。由于 TO 会影响哪些线路拥堵并实时重新配置它们，因此如果市场参与者不建模和考虑这些动态变化（包括切换操作可能导致的输电中断），它可能会影响日前的市场结构并导致财务损失。这些限制可能成为采用该技术的障碍。总体而言，TO 相对于 FACTS 具有重要的成本优势，因为它不需要实物资本投资。因此，它通过帮助运营商找到改变电力流和优化传输系统的最佳方法，补充了 FACTS 等资本密集型 PFC 技术。FACTS 还可以补充子电网上的 TO 软件，在子电网中，间歇性可再生能源的比例很高，可能会导致电网不稳定。最后，随着软件计算速度和能力的提高，TO 可以通过增加线路的长期价值来支持未来的输电升级投资，并在短期内推迟线路升级。在缓解新输电需求方面，TO 可能在因输电拥堵而导致可再生能源弃电严重的地区影响最大。GET 最大限度地提高了现有通行权的容量，减少了对一些新输电项目的需求并推迟了其他项目的建设。总体而言，这些技术比新建技术的成本要低得多，并且具有更快的成本回收潜力。它们根据影响系统的变量的动态变化提供多种实时潮流解决方案，从而提高了现有系统的灵活性。这种灵活性对于经济效率尤为重要，因为越来越多的间歇性、不可调度的可再生能源进入电网，并且潮流的变化需要更快地发生。许多 GET 都是可扩展的，由于其便携性，可以重新部署到其他生产线，甚至可以拆除和重新安装，这与资本密集型投资不同。在修建或升级线路时，GET 可以通过优化电网重新配置来最大限度地减少停电频率和长度。随着新项目投入使用，GET 可以提高其价值，提高这些传统投资的效益成本比，并有可能提高其批准率。然而，对于所有三种 GET，电力市场和监管结构都没有提供足够的激励措施来实现广泛采用和快速实施。例如，控制系统需要对系统操作软件进行昂贵的更新，以集成从传感器和硬件设备接收到的所有实时数据。由先进技术支持的动态系统也会增加批发市场运营的复杂性，例如预测和投标。除了增加系统复杂性之外，监管结构还激励大量资本投资，输电所有者可以获得固定回报率。GET 通常不涉及大量资本投资，特别是与新的输电项目相比。此外，减少拥堵和使用低成本可再生能源带来的经济效益不是由业主获得，而是直接由客户获得。因此，能够实施 GET 的代理几乎没有动力这样做。FERC 2023 年命令要求传输提供商在其互连集群研究中调查替代传输技术，但并不强制他们实施特定解决方案 。![]()
分布式能源是位于用电地点附近的小型发电或存储资源。分布式能源包括附属于配电网的小型住宅、社区和商业电源。分布式发电机可以是可再生的，也可以是不可再生的。Cleary 和 Palmer (2022) 描述了分布式可再生能源。通常，分布式能源的容量不到10兆瓦，但在过去10-15年里迅速扩张；一些估计预计 2022 年至 2027 年间产能将翻一番。分布式能源大致分为燃料发电、零排放发电、电池储能系统、需求响应和通过虚拟发电厂（VPP）进行需求管理。接下来我们将讨论其中的每一个以及它们的具体优点和局限性。基于燃料的分布式能源包括备用发电机、微型涡轮机、生物质燃烧以及热电联产系统。通常，它们可以在紧急情况、停电、电网电压问题和恶劣天气事件时提供必要的备用电源。生物质燃烧是一种可再生的分布式能源；有机材料，如农业和植物残留物、木材和动物废物，可以使用不同的方法转化为电力，包括直接燃烧或燃烧。所有基于燃料的分布式能源都可以在商业或工业规模上部署，以满足客户现场的需求，特别是在高峰负荷运行期间，并向配电网供电。基于燃烧的分布式能源在发电的同时释放热量。这种热能可用于加热/冷却水或内部空间以及工业过程，而不是燃烧更多的燃料。同时使用电能和热能的过程称为“热电联产”(CHP) 或“热电联产”。热电联产可以降低专门使用燃料用于供暖和其他目的的成本和环境影响。尽管基于燃料的分布式能源为分布式发电提供了可靠性和低成本的选择，但清洁电力转型和脱碳目标需要最终逐步淘汰化石分布式能源；这些不应被视为传输的替代品，而是随着化石燃料的逐步淘汰而成为潜在需求增加的来源。基于燃料的分布式发电的用户将转向电网（增加输电网络的压力）或过渡到无排放的分布式发电技术。二氧化碳零排放的分布式能源包括小型太阳能、风能、水力发电和氢燃料电池。最常见的来源是太阳能光伏 (PV) 面板或太阳能电池阵列（连接面板），其中包含可将阳光直接转化为电能的电池。EIA 将小型太阳能装置定义为发电量低于 1 MW 的装置。这些光伏系统通常安装在住宅和商业屋顶上，平均功率通常为 5 kW分别为 200 kW 和 200 kW。对于社区太阳能，场外阵列为多个客户提供服务，例如家庭和企业。由于成本下降和政策激励，太阳能电池板是增长最快的可再生能源技术之一。上网电价（公用事业公司以固定费率从房主和企业购买太阳能）和净计量（客户在向电网输送剩余电力的账单上获得积分）都支持分布式太阳能的增长（康明斯公司，2021）。然而，由于规模经济，平准化能源成本（LCOE）6公用事业规模太阳能发电量是分布式太阳能发电量的 25-40%，NREL 预测未来这一情况仍将如此。即使到2050年，在先进技术情景下，住宅光伏的LCOE预计将至少是公用事业规模光伏的3倍，而商业光伏的LCOE将高出约2.2倍。目前尚不清楚这种成本差距有多少可以被输电和配电线路的额外需求或集中式公用事业规模发电的潜在环境成本所抵消。Brattle Group 2015 年的一项研究考虑了此类输电和配电成本，得出的结论是公用事业规模的太阳能仍然会更便宜，但分析仅限于该国的一个公用事业和地区，因此需要更多的研究。风能在美国清洁和可再生电力中占有最大份额，过去十年中电网规模的风能每年增长约 30% (EERE nda)。分布式风电 (DW) 的定义是发电厂距离最终用途或配电基础设施的远近程度，而不是其规模。然而，DW 能源通常使用较小的风力涡轮机，功率范围从 5 kW 到多兆瓦，可以安装在住宅、农业以及小型商业和工业规模 (EERE ndb)。DW 要么安装在电表的“客户”侧（例如，满足其自身负载的制造设施），要么直接向配电网络供电和支持。住宅涡轮机的功率为 1-10 kW，而社区规模的能源设施拥有多兆瓦涡轮机，总容量高达 20 MW (EERE ndb)。与太阳能一样，分布式风能和公用事业规模风能之间的成本差异很大，特别是对于住宅 DW（高出 6 倍）。然而，到 2035 年和 2050 年，商业、中型和大型 DW 的 LCOE 预计将约为陆基公用事业规模风电的 1.6-1.8 倍，这可能使这些类型的 DW 项目具有可比性，甚至更便宜。包括与公用事业规模项目相关的输电成本。住宅分布式风电的成本差距预计将缩小至公用事业规模陆上风电成本差距的 2.1-2.4 倍。另一种零排放分布式能源是小型或微型水力发电。水力发电是美国第二大可再生能源。尽管公用事业规模的发电厂（容量超过 30 MW）通常采用水坝，但小型径流式涡轮机（最大 5 MW）也可以用作分布式能源。这些微型发电厂的容量高达 100 kW，可以建在河流、溪流和其他流动水源的地方，为单个家庭或社区提供足够的电力 (EERE ndc)。与水电大坝相比，较小的径流式水坝可以减少对环境的影响，并且项目的批准速度可能会更快。小型水电通常可以调度，但可能会受到干旱的影响。最后，氢燃料电池通过低排放或零排放的热化学过程提取氢气并产生直流电。该过程的副产品是水、热量和一些二氧化碳（不使用纯氢时）。燃料电池在运行期间安静，因此适合住宅和商业场所或附近的分布式发电（FEMP 2002）。此外，正在开发的可逆燃料电池可以以氢气（EERE nde）的形式存储太阳能和风能产生的多余电力。然而，燃料电池比其他分布式能源更昂贵，研究人员正在研究可以使用哪种电解质来提高其效率。此外，从天然气或丙烷等燃料产生氢气的过程会产生排放，因此它们提供零排放电力的能力取决于丰富的可再生能源。总体而言，所描述的零排放分布式能源可能只能部分取代依赖可再生能源的电网中输电扩展的需求。特别是，分布式太阳能和风力发电都可以在靠近最终用户的地方产生清洁电力，并且可以减少对线路的需求。然而，两者都是可变来源，因此客户仍然需要连接到电网以维持可靠的供应。如果一个地区严重依赖一种分布式资源类型，那么当该资源不可用时，电网可能会出现需求大幅激增，从而增加传输压力。需求管理和现场存储等额外投资可以帮助解决这个问题。最终，人口密度、地理位置和资源可用性等因素将决定分布式能源较高的平准化度电成本是否会被集中发电所需的新输电选址、许可和建设成本所抵消。需要更多的研究来捕捉分布式发电的全部客户和系统利益，例如需求侧管理、对客户账单的影响、对弱势社区的好处以及极端天气事件的恢复能力，以确定分布式能源能够在多大程度上减少对分布式发电的需求。新的传输。储能设备从电网或其他来源（例如可再生分布式能源）捕获能量，并在出现意外高需求、与天气相关的停电或缺乏风和阳光时提供这些能量。锂离子电池最为常见，例如用于为手机、笔记本电脑和电动汽车 (EV) 供电的锂离子电池。其他类型的电池正在开发中，以提高效率、存储持续时间和经济性。这些系统以各种规模存在——从大型集中式系统到小型家用电池组。常见的住宅存储涉及可直接用作备用电源的基于电池的逆变器（例如，存储来自屋顶电池板的太阳能的 Tesla Powerwall）或可将电力输送回配电网并在需要时向客户供电的电动汽车电池。分布式电池可以在支持分布式可再生能源的可靠性和缓解传输系统的压力方面发挥重要作用。需求响应涉及消费者在高峰期减少或转移使用量，以响应公用事业公司提供的激励措施，例如可中断服务协议、使用分时定价和关键峰值定价 (OE nd)。最初，需求响应选项主要限于工业客户，他们同意在需要时减少用电量，以换取补偿。最近，它也成为住宅和商业客户的一种选择，特别是那些使用分布式发电资源的客户，例如屋顶太阳能、电动汽车和备用电源。未来，需求响应可用于将电力需求转移到低成本时间，以吸收可能会被削减的可再生能源，并用它在高峰供暖时间之前预冷房屋或预热水以供以后使用。当跨客户聚合时，分布式需求响应是最有效的。一所房屋或企业减少负载可能对电网没有多大作用，但汇总后，需求响应可以削减很大一部分峰值负载，从而充当虚拟分布式能源。国家输电需求研究估计，能源最昂贵的 5% 小时约占缓解输电拥堵价值的 50%。这种价值的集中凸显了技术的独特机会，这些技术可以改变需求以缓解传输系统的压力。VPP 利用 DER 和需求响应系统网络来参与主动需求管理。VPP 可以包括多种有形资产的组合（屋顶太阳能、DW 能源、备用发电机、电动汽车和电池/逆变器），公用事业公司或系统运营商可以集体控制这些资产，以确定向电网输送或从电网获取哪些资源。VPP 运营商还可以直接远程控制客户设备，例如空调、恒温器和热水器，以帮助平衡系统的需求和供应。作为交换，客户可以获得更低的电费和/或经济奖励。然而，建立需求管理计划和 VPP 需要某些电网增强功能。具体来说，需要双向通信技术来发送和接收数据并实现远程控制。一些例子包括智能恒温器、先进的计量基础设施（“智能电表”）和家庭局域网。聚合软件对于有效地将所有单独的来源汇集在一起并创建支持 VPP 的协调也至关重要。VPP 通过支持电网可靠性来实现可再生能源并网和脱碳，并且由于它们通常比建造新发电厂更便宜，因此它们还支持电力的可承受性。电池存储系统、需求响应和 VPP 的优点在于，它们提供了更大程度的控制，有助于平衡大多数单独的 DG 无法单独提供的系统。在某种程度上，这些系统可以改变电网的电力消耗以适应可再生能源供应的波动，它们可以减少对区域之间大型输电交换的依赖来提供此类支持。他们还可以通过吸收多余的发电量来为电池充电或在电力充足且便宜的时间内预冷建筑物，从而更容易地减少可再生能源的削减。例如，拥有存储系统和正确类型的能源费率设计的客户可以在高净峰值负载（以及相关的高价格）的时间内使用电池并放电，并在价格较低的其他时间充电。VPP 是一种相对较新的电网解决方案，其在平滑消费和缓解发电和输电系统压力方面的效果如何，还有待观察。总体而言，与从建筑输电到公用事业规模集中发电相比，分布式能源的优势包括更快的安装时间、避免能源损失和输电成本，这可能会导致能源供应成本降低。由于分布式能源规模较小，而且通常建在现有场地上（例如房屋屋顶太阳能），因此部署速度要快得多，而且与新的输电和公用事业规模项目相比，它们在选址和与电网互连方面面临的监管障碍更低。与 GET 不同，那些投资可再生 DER 的人（例如可以与配电公司进行交易的住宅和商业客户）是投资的直接受益者，因为他们为所有者提供了能源。尽管分布式能源具有可靠性和其他优点，但它也有局限性并面临着重要的障碍。首先，建立分布式能源系统仍然占用空间，并且可能会让附近的居民感到不愉快，因为某些类型的资源存在噪音和不吸引人的视觉美感。与受影响各方进行仔细规划和协商对于选址和实施大型社区规模项目非常重要，而更多地依赖电池等安静资源可以抵消一些担忧。其次，技术挑战可能与采用分布式能源并将其连接到电网有关。这些障碍主要与当地公用事业公司在监管范围内安全地做到这一点的能力有关。具体而言，公用事业公司必须确保分布式能源不会对电网的可靠性、稳定性和安全性产生负面影响。例如，分布式能源发电的波动性增加可能会威胁电网的稳定性。此外，越来越多的用户侧分布式能源缺乏可见性，对当地和区域电网运营商进行系统规划和调节电力供应的能力提出了挑战。当地配电公司必须能够向这些家庭和企业供电，包括发生停电或自然灾害时，因此在公用事业规划中仍然需要考虑分布式能源所有者的电力需求。将分布式能源与电网互连并向电网运营商提供信息的数字设备可以帮助解决分布式能源可视性挑战。智能电表、智能恒温器、电热泵和调节太阳能发电的先进逆变器等智能设备使分布式能源所有者能够实时跟踪其资源，并使公用事业公司能够更有效地监控和控制分布式能源的运行。然后，这种数字化可以扩展到聚合 DER 并作为可靠的 VPP。第三，对电子监控和数字通信的日益依赖引发了重要的网络安全和数据隐私问题和挑战。分布式能源所有者与公用事业公司或电网运营商之间的数字化和自动化通信通常使用互联网，这很容易遭受黑客攻击、勒索软件和其他破坏电网稳定的恶意尝试。当 DER 聚合商建立 VPP 时，这种威胁会加剧。总的来说，分布式能源提供商、设备供应商、集成商和运营商需要与联邦和州公用事业监管机构以及相关政府机构合作，以标准化威胁和攻击情况下的稳健程序、分布式能源批准的先决条件以及确保网络安全系统和控制的技术。一些最佳实践，包括加密、多因素身份验证和熟练的软件安全团队，需要适应特定的 DER 部署。
去中心化不仅需要部署更多与主电网互连的分布式能源，还需要建立可以在需要时独立维持的去中心化微电网。这些局部电力系统可以自主运行，生成、存储能源并将其分配给其网络内的系统，这些系统可能会也可能不会连接到更大的电网。微电网可以在不存在或由于地形而难以建立输电系统的偏远/偏远地区提供电力，并在自然灾害或其他安全威胁导致主要大电网断电时维持关键基础设施 。微电网通常由地理边界内定义的多个不同的分布式能源和互连负载组成。从历史上看，其中大部分依赖化石燃料热电联产工厂和带有往复式发动机的发电机。然而，随着越来越多的可再生能源的引入，风能和太阳能的使用也越来越多。随着这种转变的发生，可以构建具有储能系统、智能技术和软件的智能微电网（图 4），以自动高效地管理供需通信。未来，微电网可以融入新兴技术，例如氢燃料电池，甚至小型模块化核反应堆。![]()
微电网因客户数量、负载类型和要处理的功能、与主电网、更大电网的连接以及所有权结构而异。微电网可以在紧急情况下或日常运行期间为从单个建筑物到整个社区的各种客户以及不同类型的负载提供服务。与更广泛的网格的连接程度也很重要。如果微电网孤立运行，没有更广泛的电网作为备份，则它需要剩余发电。最后，微电网可以是私有、公用事业、公有或这些的组合。美国能源部按主要应用、技术和规模范围提供了美国微电网安装情况的快照。截至2022年，已有687个站点安装了微电网，总容量约为4.6吉瓦，在美国 1,270 吉瓦的总发电容量中只占很小的一部分（爱迪生电力研究所 nd）。微电网最重要的优势之一是它们能够抵御飓风、野火和暴风雪等自然灾害事件。当自然或自然灾害导致主电网停电时，微电网可以维持并持续为大学或工业园区、医院或整个社区供电。它们还可以提供电力，帮助为更大的电网重新供电，或为恢复人员提供必要的电力服务，以实现系统恢复。例如，在北卡罗来纳州，一种混合动力车微电网配备 15 kW 屋顶太阳能和 3 MW 柴油发电机，以及电池系统、智能恒温器和热水器，旨在应对奥克拉科岛易受海洋风暴影响的脆弱性，并补充单一海底输电线路。2017年，孤岛微电网在传输电缆发生故障时有效维持电力。微电网的弹性服务超出了基本输电扩展所能提供的范围。微电网还可以在分布式发电和存储资源的聚合和互连方面发挥重要作用，使单个（和间歇性）分布式能源更加可靠。例如，在夏威夷考爱岛，美国海军与考爱岛公用事业合作社、独立电力生产商 AES 和 NREL 合作，开发了一个太平洋导弹靶场设施项目。该微电网仅由 4 MW 太阳能和 70 MWh 电池存储组成，使得该设施在与公用事业的传输连接发生故障时能够自给自足。100% 清洁的微电网还可以在不使用备用柴油发电机组的情况下自行黑启动，从而减少对排放发电机的需求。这个海军基地微电网对社区有外围好处，并且多余的清洁发电可供客户使用。使用无排放分布式能源的微电网，加上适当的协调和智能控制系统，可以帮助管理当地的电力需求，并为微电网内外的客户节省成本。对于他们的客户来说，微电网有助于调峰/转移和需求响应，从而减少高峰需求的供应需求并优化联网分布式能源的部署。这种本地响应缓解了线路拥堵，并通过降低电价进一步节省成本。此外，微电网可以将电力输出回公用事业并提供辅助服务，例如电压控制和频率调节。微电网可以成为具有单根传输线和单点脆弱性的偏远地区特别重要的可靠电力来源。此外，从孤立的柴油发电机转向清洁能源微电网可以减少燃料供应风险、价格脆弱性以及柴油排放对空气质量的不利影响。微电网可以在高温或输配电中断期间保持应急避难所的运行。清洁能源微电网还有助于维持供应不可靠的偏远贫困社区的电力服务，包括波多黎各和美属萨摩亚等岛国以及美国大陆的农村地区。加利福尼亚州莫哈韦沙漠的美洲原住民保留地和美属萨摩亚的塔乌岛的微电网是相关案例研究。在偏远地区建设提供类似弹性和可靠性的线路可能会非常昂贵。社区拥有的微电网可以让低收入、偏远和部落社区更好地控制当地自然资源的使用，并直接从其能源系统中获益，从而促进社会公平。当然，微电网并不是解决所有输电问题的可行方案。主要依赖风能和太阳能等可再生能源的微电网需要充足的存储才能保持可靠和弹性。存储对于保持医院、污水处理厂和消防站等关键设施在大规模电网停电期间保持运行以及在风能和太阳能发电量较低时无法依靠更大电网的远程微电网尤其重要。电池是主要的解决方案，但维持足够的电池存储系统以实现微电网的弹性需要较大的物理占地面积和重型电池。
可能是一种替代方案，但它们也体积庞大且昂贵。Fu 可能是一种替代方案，但它们也体积庞大且昂贵。需要对高效且具有成本效益的储能系统进行进一步研究，以支持微电网并限制连接到更大电网的需求。
当然，微电网并不是解决所有输电问题的可行方案。主要依赖风能和太阳能等可再生能源的微电网需要充足的存储才能保持可靠和弹性。存储对于保持医院、污水处理厂和消防站等关键设施在大规模电网停电期间保持运行以及在风能和太阳能发电量较低时无法依靠更大电网的远程微电网尤其重要。电池是主要的解决方案，但维持足够的电池存储系统以实现微电网的弹性需要较大的物理占地面积和重型电池。可能是一种替代方案，但它们也体积庞大且昂贵。Fu 可能是一种替代方案，但它们也体积庞大且昂贵。需要对高效且具有成本效益的储能系统进行进一步研究，以支持微电网并限制连接到更大电网的需求。尽管微电网可以为主电网提供辅助服务，但风能、太阳能和电池存储等分布式能源导致的电压和频率扭曲可能会造成不稳定，导致电力损失和设备过热。可能需要先进的控制技术和监控系统来应对这些挑战。智能微电网部署的增加将增加通过利益相关者（包括监管机构、公用事业和分布式能源生产商（例如住宅客户和当地社区））之间安全数据和信息共享来加强协调和协作的需求。与单个分布式能源一样，与通信和控制系统相关的网络安全问题也是一个问题，需要保护系统和最佳实践。目前还不清楚微电网项目获得融资有多容易。每个项目因地理、天气、市场、负载要求而异，并且微电网集成了多种不同的能源和技术，这使得投资者从融资角度对其进行评估变得复杂且具有挑战性。风能与太阳能选址和基础设施建设方面的政策差异，包括税收优惠和法规，可能会使项目评估复杂化。此外，微电网的前期成本很高，而且不同技术由于其复杂性和不熟悉性而存在风险，因此吸引投资具有挑战性。还存在其他法律和监管问题，例如限制谁可以提供电力零售服务和消费者售电的法律以及出口限制。融资挑战也因所有权类型而异。公用事业公司可以利用纳税人资金，而通常依赖债务融资的私营微电网可能在收入保证方面处于不利地位。社区拥有的微电网能够依赖联邦和州的拨款。潜在收入来源的多样性，包括可再生能源信贷和一些客户对高度可靠电力的需求，使项目评估变得复杂，并在说服投资者资助微电网而不是简单的太阳能装置或风电场方面造成障碍。法规也可能限制微电网的发展。部分出于对成本分配和交叉补贴的担忧而制定的规则可能会限制或禁止公用事业公司对分布式资源的所有权，从而减少其对微电网的参与。未能区分大型电网和微电网提供的配电服务的州法律对于非公用事业微电网所有者来说可能成本过高。最后，由于州法律通常将公共街道的通行权授予受监管的配电公用事业，因此想要为具有多个客户的小区域提供服务的微电网可能无法做到这一点，或者需要承担公用事业的额外责任。
抑制微电网采用的政策，特别是那些有利于直接客户和配电公用事业的政策，可能会增加社会不平等，因为更多富裕的客户采用个人分布式能源并减少对大电网的依赖。另外，如果不努力使其更容易获得和负担得起，微电网的好处可能会完全流向那些能够负担高开发成本的人（个人或社区）。因此，更广泛地实施微电网的一个关键方面是通过联邦计划向弱势社区提供额外的财政和技术支持，教育外展有助于传播有关微电网部署的经济和环境效益以及可支持发展的 IIJA、税收抵免和可再生能源信贷等计划的信息。
5.1.关于微电网的要点
总体而言，微电网可以通过避免传输损耗和覆盖传输损耗所需的额外发电来提高效率。微电网的部署速度也比典型的输电规划和建设更快。因此，在某些情况下，微电网可以替代新的传输。在农村和偏远地区以及线路容易受到极端天气影响而因此不可靠的地区，机会最为明显。此外，微电网还可以服务于需求与清洁电力可用性高度相关的地方（例如，热浪期间的高需求和太阳能供应充足）。然而，由于微电网从定义上讲是服务于小部分客户，涉及分布式能源供应系统（DERS），其平准化成本很高，并且具有多种融资、法律和监管复杂性，因此它们不会完全替代额外输电的总体需求。需要更多的研究来确定哪些地方、地区和社区最适合由微电网提供服务，以及公用事业和私营部门的联合所有权以及政府的支持可以在哪些方面成为有效的微电网商业模式。
6、结论
新输电线路的规划、选址、许可和建设存在重大障碍，而且这一过程可能需要几年时间才能完成。扩大电力系统能力并整合更多可再生和清洁能源的迫切需要促使我们研究替代投资和技术，以在短期内增强现有系统的能力，并至少部分缓解对新投资的需求。本报告探讨了三大类：GET、DER 和微电网。每种方法都有其优点和缺点，政策制定者、监管者、公用事业公司、技术开发商、投资者和消费者之间需要协调努力，以评估和实施最有效和最具成本效益的输电扩展补充和替代方案。此外，虽然这些投资都可能在一定程度上缓解扩张需求，但它们可能只能在特定情况下起到替代作用。一般来说，我们的分析表明存在以下机会领域：
GET：GET 提供了一种相对低成本的方法，通过最大限度地提高线路效率和最大限度地减少拥塞来支持和增强系统的功能。这意味着通过减少拥堵成本来降低电力成本。特别是，GET 可以在物理系统未得到充分利用的区域提供增强的电力输送能力。拥有许多线路的高密度区域可能会受益于系统升级，从而允许更多的电力流动并使其能够承受更多的可变资源。然而，需要修改激励措施以采用这些软件和硬件技术，并且需要进行更多研究以使其更加准确。总体而言，GET 可以推迟对新输电和发电的需求，但受到系统占地面积和所有者激励的限制。
分布式能源：分布式能源可以在将可再生能源并入电网方面发挥关键作用。不同的技术有不同的好处，但每种技术都有助于提供更便宜的电力，并通过提供将能源需求与小型发电系统的供应并置的机会来减轻输电系统的负担，这可以推迟或减少连接大型公用事业的需要。将发电项目规模扩大到需求中心（并避免这些线路的许可和选址挑战）。然而，通过部署清洁或零排放分布式能源、克服监管障碍以及解决网络安全和数据隐私问题来实现电力行业脱碳至关重要。
需求响应和VPP：需求响应长期以来一直被认为是脱碳电网背景下电力负担能力的关键要素。避免发电高峰电价的能力极其有价值。需求响应和 VPP 功能还可以通过降低或满足峰值需求来缓解系统需求，否则需要将更多发电源连接到大容量电力系统。然而，还需要更多证据来证明使用这些工具到底可以转移多少需求以及从哪些来源转移。
微电网：由各种分布式能源组成的微电网在很大程度上为不想或不能依赖大容量电力系统的电力用户提供可靠性和弹性优势。对于偏远地区、岛屿和弱势社区来说尤其如此，这些地方的输电基础设施薄弱且更容易受到影响，额外的输电投资可能无法提供足够的解决方案、效率较低，或者比创建可运行的自服务发电的微电网成本更高。独立。然而，微电网的财务、法律和监管障碍可能会阻碍其有效部署并使其难以实施。因此，需要对它们在哪里可以提供最大价值进行更多研究。
我们的分析还揭示了需要更多研究来确定这些投资价值的几个领域。例如，GET 可以在哪些方面为现有系统提供最大价值并减少对新输电和发电投资的需求？此外，分析还可以揭示对分布式能源的额外激励措施是否比建设新线路将公用事业规模的可再生能源连接到高需求地区更具成本效益。最后，需要研究确定微电网的选址方式，以最大限度地提高其对整体电网可靠性的影响，而不仅仅是为其直接连接提供弹性。对新输电线路的投资无疑将在电网脱碳中发挥作用，但本报告探讨的替代投资可能会通过提供更快和/或更低成本的方式来提高清洁容量、可负担性，从而减轻建设新线路的监管和财务负担，以及我们电网的可靠性。
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