摘要：现今社会，电力已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。但电力供应差强人意，需要改进之处大量存在。对于偏远地区与自然灾害地区来说，太阳能微电网不失为缓解电力压力的一个有效途径。

现今电力已成为现代人必不可少的资源。可令人惊讶的是，世界上仍有13多亿“无电族”，这其中包括3亿印度居民以及6亿撒哈拉以南非洲居民。在这些发展中国家，主电网所发电量大都因为距离遥远，不能输送到较偏远地区。

在这种情形下，越来越多的乡村居民与部分城市居民纷纷选择将微电网作为供电中断时的临时替代能源。微电网是可供电的小型电力系统，主要能源是太阳能，用以满足局部用户，例如单个家庭或小村落的用电需求。这样看起来似乎可以自给自足，然而，平静的表象下也潜藏着各种问题。电力系统规模越小，其电力供应越易中断。一点小小的电力变动，例如，多加某个家用电器或者多几个手机同时充电，都有可能导致微电网不稳定甚至短路现象。

正因如此，工程师通常会采用粗电缆和大型电容器将微电网设计得设备简单，结构集中。这种做法在某些程度上限制了家用电器的分电流——提高微电网可靠性，但是成本较高。

为保证微电网的直流电（DC）稳定性，麻省理工学院工程师已研究出新方法——此方法曾用于解决麻省理工学院塔塔（Tata）研究中心USB端口研究项目。研究发现，为保证电流稳定性，可以在微电网上装置尺寸适宜、容量合适的电容器，这种装置可以很大程度上保证电压骤升或骤降时，电网仍处于稳定状态。

在保证满足总负荷或者说某个区域居民电力消费总量的前提下，该研发团队已计算得出保持微电网稳定所需的最小电容容量。更重要的是，这项计算并没有依赖于电网本身输电线路与电源的特殊结构，这就意味着，微电网的设计人员不必重新设计各个地区的电力系统，依照先前的电力系统，依然可完成此项电力更新工作。

而研究人员反驳说，此次微电网设计过程可以进行一次开发，例如，电力系统“kits”：可批量生产的一整套模块化电源、负载和线路。不管其中各个组件连接状况如何，只要负载单元里有适宜大小的电容，电网便可保持稳定。

研究人员认为，这种模块化设计在易于重组，以满足不同用户的用电需求，例如，某微电网正好满足本社区居民用电需求，又增添新用户，这时只需改变其组合方式，便可重新满足所需。

“我们提出的是一项特殊电网概念即提前无须任何规划设计出电网，但此电网也可滴水不漏顺利运行。你可以选择不同的组件，组合成适合你家电量的不同电网，”麻省理工学院机械工程学院助理教授康斯坦丁·察里津说，“最重要的是，我们又向前迈了一步，离可提供可靠安全电量的低成本微电网又近了一步。”

寻找简易操作系统

卡瓦纳说，整个团队的工作旨在完成微电网设计的一个中心挑战：“假如我们事先不了解该地网络系统，也不知道将微电网布置到何处，应该怎么办？能否依旧设计出一些组件，以供不懂电网的人顺利组装？”

研究学家寻找用来限制微电网主要部件（输送电线，电源，负荷，耗电组件）尺寸的方法，该方法是在某种程度上保证了系统的整体稳定性，而且不依赖于网络的特定布局。

为了达到此目标，他们将目光投向布雷顿莫泽位势理论——一项发展于20世纪60年代的一般性数学理论，此理论描述了一个包含各种物理和相互联系的部件的系统内能量流动的动力学特性，例如，非线性电路。

察里津（Turitsyn）说：“现在，我们将此理论应用于能量转换系统中，而不仅仅是执行某种逻辑操作。”

此团队将此技术应用于一个简单却实用的电路模型上，这项操作便于学者观察荷载变化时，电路内部的分布情况，例如，手机充电器或电扇关闭时电流的变化。他们认为最低配置就是简单的网络，它仅包括单个负荷与单个电源。这种简单配置的识别允许它们不依赖任何特定网络配置或拓扑。

“这项技术有力证明，对于容值足够高的电容来说，微电网的电压不会到达极低水平，若有较多家用电器连接进来，电压会自动回弹，恢复正常状态，” 察里津说。

电力蓝图

学者的研究结果显示，该团队构建了一个太阳能发电的总体框架，将整体电量需求，传输线长度，用电总需求到保持系统稳定的特定电容尺寸大小等相关问题联系了起来。

“确保这个简单电网稳定的前提是保证其他几个相同大小或长短的电路稳定，” 察里津说，“这是允许我们开发不依赖于网络配置这一问题的关键性一步。”

“这就意味着你不需要将原来电容器扩大10倍，因为我们已经总结得出最低配置下维持电路稳定的必须条件，” 卡瓦纳说。

研究得出结论之时，小组给出了一个区域配置未来蓝图，该蓝图给大家提供了更廉价、灵活的微电网设计与改进例如，微电网运营商可应用此框架来判定保持某个荷载的稳定需要使用电容的容量。反过来说，某个已经拥有可建立微电网硬件条件的地区也可以使用小组框架决定传输线的最大长度，以及确定电路稳定下家用电器的类型。

“某些情况下，对既定的电压，负载变化，我们不能保证电路的稳定性，可能消费者认为此电路可以带动那个电风扇，但再大一点的就不可以，这全是人们的主观臆断，没有科学依据，”察里津说，“因此，仅仅只有一个调试电容还是不够，对于家用的微电网，必须还要配备上控制最大功率的仪器。”

展望未来，研究人员希望采用此模拟控制器或交流电流等类似方法，这些方法已经在像美国一样的发达国家得以应用。

“目前，遭飓风玛利亚这样极端天气破坏后，波多黎各要等几个月，电网才能完全修复好。未来我们计划将工作更多拓展到交流微电网方面,”察里津说，“无须提前计划，无须灵活连接，太阳能微电网不断向前发展，同时也是社会进步的重要一步。”

翻译：程琪

审校：窦玮璇