不论美国还是其他国家，我们似乎很少注意要到那些支撑当今社会运转的、一条条扭曲的“藤蔓”。它们有的盘绕在我们的头上，有的蜿蜒在我们的街道下面。长长的电线杆上嗡嗡作响的电线将我们的整个国家联在一起。我们期待着按下开关，电源就会亮起。我们只有在电网出问题时才会注意到它，而引发问题的原因有无数种。罢工、树木挂倒电线、火灾，甚至太多人同时开空调都可能导致停电。或者正如美国这个月经历的那样，寒冷的天气会使那些无力抵抗极端天气的电力系统瘫痪。我们经常听到电网老化的报道，展望未来，我们希望电力基础设施能够承受的住更大的压力。电网的未来会是怎样的呢？美国能否摆脱全国性停电？

美国电网现状

民用电力是一个复杂动态的系统，包括电厂、配电站和高压线。目前的电网中，电力来自于发电厂，例如风电机组、核电站或水电厂。电网的输出功率必须与负荷相匹配，因此需要仔细的监测和控制。电厂们都并入电网中，满足不断变化的负荷需求。在过去一周德克萨斯大雪的情况下，部分电网被关闭，电厂的发电量也相应减少。

有些发电厂善于快速调整发电量（被称为调峰电厂），而有些发电厂则能够产生稳定的电力流。然而，有些电源，如风能，如果无风则无法“启动”。这正是大规模储能正在努力解决的问题，它们可以存储电力，以便在需要时使用，但电网规模的储能仍然是罕见的。

集中生产的大量电力需要输送给每个用户才能使电网盈利。为降低输电损失，变压器将电从1万伏升压到10万伏，而后进行远距离传输。居住区变电站将电压降低到几万伏，而小区的变压器则把这个电压降到插座的标准120/240伏。随着城市的快速发展，电网虽然得到了一定程度的加强，但需求和人口膨胀的速度远远超过了建设预算，这是一项艰巨的工作，况且资源和预算是有限的。

“智能”电网

智能电网被认为是电网的未来，其具体含义却十分模糊。智能电表已经开始在某些地区推广，可以更智能的调整负荷并记录用电量。电池和其他储能设施也在安装，以帮助平滑负荷，减少对峰荷对电厂的冲击。该行业目前没有任何标准，所以大多数供应商在现有的基础设施的基础上增加设备，不断进行试验。在这里增加一个太阳能站，在那里增加一个大型电池，并努力维护数百万英里的电力线路。

区域化

如前所述，大型发电厂采用集中式发电，但在过去的几十年里，由于技术进步和制造规模扩大，太阳能和风能的成本不断下降、效率持续提升，电价越来越低。在过去的十年里，仅光伏电力的价格就下降了70%。

国际可再生能源机构（IRENA）在2020年6月发布了一系列数据，表明新的太阳能和风能项目电价接近甚至低于现有燃煤电力的价格下限。美国能源信息署（EIA）发布了2025年不同电力来源的预计LCOE（能源平准化成本，即生产的电力必须以何种价格出售才能达到收支平衡）。在该数据中，以美元/兆瓦时作为比较基准，太阳能、风能和地热能表现最好。

EIA还指出，未来，分布式发电的比例将继续增长。已经有三分之一的光伏电力生产来自住宅屋顶。那么，在这个遍布屋顶分布式电站的世界里，我们的电网是什么样子的呢？美国能源部（DOE）能源效率和可再生能源办公室认为，一种新的模式可能是未来的方向。分布式能源资源（DER）和微电网可以结合在一起。微电网被认为是通过在更大的宏观电网中创建更小的弹性电网来进一步增加电网规模的一种方式。

想象一下，你的社区就是一个微电网。现在，如果发生停电，除了那些有备用发电机、太阳能电池板或其他电力解决方案的人，每个人的电力都会被切断。有了微电网，你的社区就实现自给自足。任何发电机或电池组都可以为社区供电。在大电网运行时，微电网也可以帮助平滑电力高峰，甚至微电网间可以协同运行。

当社区可以自给自足时，就可以避免大规模停电。电力来源将在一个区域内散点分布，而非单点状聚集，远程高压线可能会减少。据估计，长距离线路的成本约为每兆瓦公里1000美元，缩短发电与用电终端之间的距离将为消费者和生产者节省大量成本。

当然，这种宏观电网和微电网之间的互联和双向耦合会产生成千上万的新状况。为了帮助管理这样的系统，IEEE对微电网的控制方案提出了建议，为电网提供了预测和协调等重要功能。

储能

间歇性是太阳能和风力发电的顽疾。如果使用传统能源，我们只需根据需要启动一个调峰电站来匹配负荷。对于间歇性电力，需要将其储存起来，并制定减载计划。尽管前期成本较高，但储能具有一些独特的优势。储能电池组是相当有利可图的，因为它们可以比任何发电机反应更加迅速，这使得其在频率控制辅助（FCAS）市场上比传统的调峰电厂更有优势。

此外，储能系统还可以帮助“黑启动”过程，即在长期停电后启动电厂所需的初始动力。这是一个精心控制的过程，即在匹配负荷的同时逐步启动大型发电机。供应商一直在尝试在局部地区增加储能系统。虽然扩展到兆瓦级规模仍然是一个挑战，但已经有压缩空气、重力存储、抽水蓄能和其他几十条技术路线。有人甚至建议利用多余的可再生能源电力合成氢气或天然气进行储能。

到目前为止，微电网的发展趋势是积极的。每年，很大比例的太阳能在安装时都附带了储能系统。一般来说，住宅最常见的储能解决方案是电池。虽然新的电池技术会问世，但就目前而言，大多数其他的储电方法不适于住宅。工程师们正在面对一个有趣的挑战，尝试设计一个住宅用储电系统，既不用电池，又能储存满足一天需求的电力（比如10kWh）。随着越来越多的家庭和局部地区拥有冗余储能，微电网将变得更加自给自足，并能够承受电力高峰和低谷。

下一步计划

目前，美国能源部已经确定微电网作为未来几十年基础设施建设的关键。欧洲、日本、韩国和加拿大都在推进相关研究项目。微电网项目已经在能源部设立，虽然仍有相当多的内容需要充实和标准化，但未来确实更加光明，我们可以期待更可靠的电力。尽管在接下来的几十年里，电网会有很多投资和转变，但对于普通消费者来说，变化不会太大（这是好事）。灯会亮起来，冰箱会保持低温，空调会吹起来。我们终将建立这个宏伟的系统，并依赖这一系统实现更好的能源供给。