美國智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

智能電網(wǎng)，又被稱為電網(wǎng)“高速公路”，是當今國際最前沿的新能源產業(yè)之一，已成為許多發(fā)達國家爭相研發(fā)的熱點。美國是智能電網(wǎng)概念最早的提出者，也是發(fā)展智能電網(wǎng)最早的實踐者，經過多年的發(fā)展已積累了一些成功的經驗。

    美國的智能電網(wǎng)又稱統(tǒng)一智能電網(wǎng)，是指將基于分散的智能電網(wǎng)結合成全國性的網(wǎng)絡體系。這個體系主要包括：通過統(tǒng)一智能電網(wǎng)實現(xiàn)美國電力網(wǎng)格的智能化，解決分布式能源體系的需要，以長短途、高低壓的智能網(wǎng)絡聯(lián)結客戶電源；在保護環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的前提下，營建新的輸電電網(wǎng)，實現(xiàn)可再生能源的優(yōu)化輸配，提高電網(wǎng)的可靠性和清潔性；這個系統(tǒng)可以平衡跨州用電的需求，實現(xiàn)全國范圍內的電力優(yōu)化調度、監(jiān)測和控制，從而實現(xiàn)美國整體的電力需求管理，實現(xiàn)美國跨區(qū)的可再生能源提供的平衡。這個體系的另一個核心就是解決太陽能、氫能、水電能和車輛電能的存儲，它可以幫助用戶出售多余電力，包括解決電池系統(tǒng)向電網(wǎng)回售富裕電能。實際上，這個體系就是以美國的可再生能源為基礎，實現(xiàn)美國發(fā)電、輸電、配電和用電體系的優(yōu)化管理。

     美國發(fā)展智能電網(wǎng)重點在配電和用電上，推動可再生能源發(fā)展，注重商業(yè)模式的創(chuàng)新和用戶服務的提升。它的四個組成部分分別是：高溫超導電網(wǎng)、電力儲能技術、可再生能源與分布式系統(tǒng)集成（RDSI）和實現(xiàn)傳輸可靠性及安全控制系統(tǒng)，這個電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的本質是開發(fā)并轉型進入“下一代”的電網(wǎng)體系，其戰(zhàn)略的核心是先期突破智能電網(wǎng)，之后營建可再生能源和分布式系統(tǒng)集成（RDSI）與電力儲能技術，最終集成發(fā)展高溫超導電網(wǎng)。

     美國智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

     根據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)顯示，雖然目前美國電網(wǎng)的可靠率高達99.97%，但美國仍需每年花費1500億美元彌補0.03%故障率帶來的損失。因此美國有人提出，即使投資上萬億美元，將現(xiàn)有電網(wǎng)升級成智能電網(wǎng)，把剩余0.03%故障率排除在外，美國也能在10年以內收回成本。

     2009 年2月，美國總統(tǒng)奧巴馬發(fā)布的《經濟復蘇計劃》中提出投資110億美元，建設可安裝各種控制設備的新一代智能電網(wǎng)。美國商務部和能源部已經共同發(fā)布了第一批智能電網(wǎng)的行業(yè)標準，美國智能電網(wǎng)項目正式啟動。新一屆美國政府將智能電網(wǎng)項目作為其綠色經濟振興計劃的關鍵性支柱之一。奧巴馬總統(tǒng)將智能電網(wǎng)視作降低用戶能源開支，實現(xiàn)能源獨立性和減少溫室氣體排放的關鍵措施。隨著配電系統(tǒng)進入計算機時代，現(xiàn)代化的數(shù)字電網(wǎng)將使美國能耗降低10%，溫室氣體排放量減少 25%，并節(jié)省800億美元新建電廠的費用。據(jù)美國能源部西北太平洋國家實驗室的研究結果表明，僅使用數(shù)字電表設定家庭溫度及融入價格信息，每年可減少 15%的能耗。

     美國政府圍繞智能電網(wǎng)建設，重點推進了核心技術研發(fā)，著手制定發(fā)展規(guī)劃。美國政府為了吸引各方力量共同推動智能電網(wǎng)的建設，積極制定了《2010―2014年智能電網(wǎng)研發(fā)跨年度項目規(guī)劃》，旨在全面設置智能電網(wǎng)研發(fā)項目，以進一步促進該領域技術的發(fā)展和應用。（1）技術領域研發(fā)項目。主要集中在傳感技術、電網(wǎng)通信整合和安全技術、先進零部件和附屬系統(tǒng)、先進控制方法和先進系統(tǒng)布局技術、決策和運行支持等方面，包括建立“家用配送水平”、“低耗”、“安全通信”的概念，發(fā)展配送系統(tǒng)和客戶端傳感系統(tǒng)技術，發(fā)展電網(wǎng)與汽車的互聯(lián)技術，在創(chuàng)造高滲透性能源配送和充電網(wǎng)絡條件的過程中發(fā)展安全、高效和可靠性強的保護和控制性技術，發(fā)展運作支持工具技術等。（2）建模領域研發(fā)項目。主要集中在準確建立電網(wǎng)、從發(fā)電到運輸、再從運輸?shù)脚渌偷恼麄€過程中，其運作情況、配送成本、智能電網(wǎng)資產以及電網(wǎng)運行所產生的各種影響的模型構建等方面，包括建立電力配送工程方面的智能電網(wǎng)元件和運行模型，建立智能電網(wǎng)電力運輸和發(fā)電系統(tǒng)的準恒定和動態(tài)反應的降維模型，發(fā)展和示范整合通訊網(wǎng)絡的模型、批發(fā)市場模型和可再生能源模型等。

     為推進智能電網(wǎng)的建設，美國積極探索組建相關的機構。從功能上而言，大致包括以下幾類：（1）政策制定和咨詢。按照美國政府的要求，能源部建立了一個專門致力于智能電網(wǎng)領域研究的咨詢委員會（SmartGrid-AdvisoryCommittee），用于為政策制定提供咨詢建議。該委員會的責任是：向有關官員就智能電網(wǎng)的發(fā)展、智能電網(wǎng)技術的應用和服務、智能電網(wǎng)技術和使用標準及協(xié)議的制定與改革（以支持智能電網(wǎng)設備間的互聯(lián)），以及聯(lián)邦政府使用何種激勵手段來促進這些領域的發(fā)展等方面提供咨詢意見。在實際操作中，這項任務由電力咨詢委員會（ElectricityAdvi-soryCommittee）執(zhí)行。（2）協(xié)調、組織和運行。能源部還建立了一個智能電網(wǎng)特別行動小組（SmartGridTaskForce）。該小組由能源部下屬的電力提供和能源可靠性辦公室（OE）領導，其中的專家成員分別來自美國能源部（DOE）、商務部（DOC）、國防部（DOD)、國土安全部（DHS）、環(huán)境保護局（EPA）、聯(lián)邦通信委員會（FCC）、聯(lián)邦能源管制委員會（FERC）和農業(yè)部（USDA）等七個聯(lián)邦機構。其主要任務是：確保、協(xié)調和整合聯(lián)邦政府內各機構在智能電網(wǎng)技術、實踐和服務方面的各項活動。其具體職能包括：智能電網(wǎng)的研發(fā)；智能電網(wǎng)標準和協(xié)議的推廣；智能電網(wǎng)技術實踐與電子公共事業(yè)規(guī)范之間，與基礎設施發(fā)展、系統(tǒng)可靠性和安全性之間，與電力供應、電力需求、電力傳輸、電力配送和電力方面政策等之間關系的協(xié)調。該小組在2008—2020年間通過政府的資金資助維持有效運轉。

     智能電網(wǎng)建設是一項耗資大、跨時長的巨大工程，在建設正式實施前進行標準的制定以及各項評價體系的完善對于智能電網(wǎng)的大規(guī)模推廣是至關重要的。美國政府要求美國標準與技術研究院（NIST）為主管單位，建立智能電網(wǎng)相關協(xié)議和標準，以提高智能電網(wǎng)設備和系統(tǒng)應用的靈活性；同時要求美國能源部在實施智能電網(wǎng)研發(fā)和部署工作時制定相關評價方法來評估節(jié)能成效、研發(fā)項目及各方面工作的落實情況。此外，在《2010―2014年智能電網(wǎng)研發(fā)跨年度項目規(guī)劃》中也涉及了有關標準制定和評價體系建立的研究內容。美國能源部考慮到標準制定對于電子和通信互聯(lián)、電網(wǎng)整合、電網(wǎng)協(xié)同、統(tǒng)一測試和推廣運行等各環(huán)節(jié)的重要性，配合 NIST進行了一項關于制定發(fā)展維護電網(wǎng)互聯(lián)、整合、協(xié)作和符合網(wǎng)絡安全并且能夠在能源配送方面進行統(tǒng)一檢測手續(xù)的國家和國際標準的研發(fā)項目。在評價體系方面的研發(fā)項目主要集中在智能電網(wǎng)部署和投資進程的評估、客戶端設施中使用的能源管理設備的能效影響的評價、政府出臺的商業(yè)政策和規(guī)則的考評、研發(fā)新部件和系統(tǒng)協(xié)議及方法的測試評價、消費者學習和接受各種政府實施項目（包括需求反應項目、現(xiàn)場發(fā)電項目、插入式電動汽車項目、儲能項目和提高能效項目等）的評價等。

     美國智能電網(wǎng)走向微型化

     加州是全美最早提出發(fā)展智能電網(wǎng)的地方，但其升級改造的步伐一直很緩慢，這讓人不禁生疑：加州2020年能實現(xiàn)33％電力供應來自可再生能源的目標嗎？可再生能源利用的間歇性很難適應采取集中統(tǒng)一方式輸電的傳統(tǒng)電網(wǎng)。微型智能電網(wǎng)的概念由此應運而生。
 
     微型智能電網(wǎng)的概念最早是加州加爾文電力創(chuàng)新公司推出來的。該公司總裁約翰·凱利稱，微型智能電網(wǎng)是對電力服務的重新定位，它讓供電商與電力消費者在電力設備設計與規(guī)劃期間就共同溝通成為可能，從而實現(xiàn)最大程度的雙贏。

     微型電網(wǎng)或是供電商的替代選擇

     目前大部分正在搭建的智能電網(wǎng)都不能產生和儲存足夠用來直接并網(wǎng)的電力，必須通過連接裝置才行。實際上智能電網(wǎng)得同供電商保持穩(wěn)定和復雜的關系，通過電力的買進賣出以及與電網(wǎng)的連接和斷開來調節(jié)電量，并為電網(wǎng)減壓。供電商也能將其用于節(jié)能項目，在用電高峰期的時候調動備用電力。

     借助這些迷你網(wǎng)絡，電力運營商能夠拉近與學?？蒲袉挝缓推髽I(yè)的距離，幫助它們找出管理分布式輸電的最佳節(jié)能方式。可再生能源并入微型智能電網(wǎng)相對簡單，并且儲能功率在供電商來看也比較高。普通智能電網(wǎng)所需的設備太沉不方便安裝，因此微型電網(wǎng)就成了最簡單的替代方式。

     高校、軍方青睞微型智能電網(wǎng)

     很多美國高校都宣布要搞微型電網(wǎng)項目。特別值得一提的是坐落在首都華盛頓的霍華德大學。該校剛同Pareto能源公司簽署研發(fā)一套能為校園發(fā)電和供暖供冷的裝置的協(xié)議。Pareto計劃投資1500萬－2000萬美元用于改造該校的中央系統(tǒng)，工期2年。

     加州的圣迭戈大學也主推微型電網(wǎng)。該校研發(fā)的被公認為世界最先進的微型電網(wǎng)之一，規(guī)模預計為1200英畝，可為450幢房屋供電，涉及用戶4.5萬人。該研究項目是加州能源委員會主導的“社區(qū)可再生能源安全”項目的一部分，目的是測試地方能源尤其是校園內可再生能源并網(wǎng)的情況。校內安裝了2臺單機容量 13.5兆瓦的燃氣渦輪機，1臺3兆瓦的蒸汽機和一套1.2兆瓦的光伏發(fā)電裝置，可滿足學校82%的電力需求。

     另外美國軍方也對微型智能電網(wǎng)技術情有獨鐘，軍方嘗試在加州中部毗鄰美軍基地的亨特·利格特堡安裝太陽能微型電網(wǎng)。這套系統(tǒng)裝機容量1兆瓦，造價預計500萬到1000萬美元。就算有霧天氣致發(fā)電效率下降，1兆瓦也能滿足200棟住宅一年的用電需求。微型電網(wǎng)能保障當?shù)氐哪茉窗踩?，在停電的時候為當?shù)毓╇?，并降低用電高峰期向主干電網(wǎng)重新分配電力的費用。借助自帶的儲存功能和輸電設備，電網(wǎng)變得更加可靠、更加安全，并降低了該處對外界的能源依賴，這也是軍事基地最關鍵的優(yōu)勢。

     微型電網(wǎng)應用障礙仍存

     要大規(guī)模推廣微型電網(wǎng)，還面臨不少挑戰(zhàn)，最主要的障礙停留在技術層面，即很難做到與常規(guī)電網(wǎng)同步。為了讓發(fā)出的電力能夠上網(wǎng)，電壓、電頻和功率都要受控制。甚至于微型電網(wǎng)的設備也要符合已有的標準，好維持電網(wǎng)負荷平衡。由于依賴地方電力供應，存儲裝置就成了微型電網(wǎng)最關鍵的組成部分。目前的儲能方式都很昂貴，一旦加裝了儲能裝置，維護成本就將被推高。