美国智能电网发展现状及前景展望

智能电网，又被称为电网“高速公路”，是当今国际最前沿的新能源产业之一，已成为许多发达国家争相研发的热点。美国是智能电网概念最早的提出者，也是发展智能电网最早的实践者，经过多年的发展已积累了一些成功的经验。

    美国的智能电网又称统一智能电网，是指将基于分散的智能电网结合成全国性的网络体系。这个体系主要包括：通过统一智能电网实现美国电力网格的智能化，解决分布式能源体系的需要，以长短途、高低压的智能网络联结客户电源；在保护环境和生态系统的前提下，营建新的输电电网，实现可再生能源的优化输配，提高电网的可靠性和清洁性；这个系统可以平衡跨州用电的需求，实现全国范围内的电力优化调度、监测和控制，从而实现美国整体的电力需求管理，实现美国跨区的可再生能源提供的平衡。这个体系的另一个核心就是解决太阳能、氢能、水电能和车辆电能的存储，它可以帮助用户出售多余电力，包括解决电池系统向电网回售富裕电能。实际上，这个体系就是以美国的可再生能源为基础，实现美国发电、输电、配电和用电体系的优化管理。

     美国发展智能电网重点在配电和用电上，推动可再生能源发展，注重商业模式的创新和用户服务的提升。它的四个组成部分分别是：高温超导电网、电力储能技术、可再生能源与分布式系统集成（RDSI）和实现传输可靠性及安全控制系统，这个电网发展战略的本质是开发并转型进入“下一代”的电网体系，其战略的核心是先期突破智能电网，之后营建可再生能源和分布式系统集成（RDSI）与电力储能技术，最终集成发展高温超导电网。

     美国智能电网发展现状

     根据美国能源部数据显示，虽然目前美国电网的可靠率高达99.97%，但美国仍需每年花费1500亿美元弥补0.03%故障率带来的损失。因此美国有人提出，即使投资上万亿美元，将现有电网升级成智能电网，把剩余0.03%故障率排除在外，美国也能在10年以内收回成本。

     2009 年2月，美国总统奥巴马发布的《经济复苏计划》中提出投资110亿美元，建设可安装各种控制设备的新一代智能电网。美国商务部和能源部已经共同发布了第一批智能电网的行业标准，美国智能电网项目正式启动。新一届美国政府将智能电网项目作为其绿色经济振兴计划的关键性支柱之一。奥巴马总统将智能电网视作降低用户能源开支，实现能源独立性和减少温室气体排放的关键措施。随着配电系统进入计算机时代，现代化的数字电网将使美国能耗降低10%，温室气体排放量减少 25%，并节省800亿美元新建电厂的费用。据美国能源部西北太平洋国家实验室的研究结果表明，仅使用数字电表设定家庭温度及融入价格信息，每年可减少 15%的能耗。

     美国政府围绕智能电网建设，重点推进了核心技术研发，着手制定发展规划。美国政府为了吸引各方力量共同推动智能电网的建设，积极制定了《2010―2014年智能电网研发跨年度项目规划》，旨在全面设置智能电网研发项目，以进一步促进该领域技术的发展和应用。（1）技术领域研发项目。主要集中在传感技术、电网通信整合和安全技术、先进零部件和附属系统、先进控制方法和先进系统布局技术、决策和运行支持等方面，包括建立“家用配送水平”、“低耗”、“安全通信”的概念，发展配送系统和客户端传感系统技术，发展电网与汽车的互联技术，在创造高渗透性能源配送和充电网络条件的过程中发展安全、高效和可靠性强的保护和控制性技术，发展运作支持工具技术等。（2）建模领域研发项目。主要集中在准确建立电网、从发电到运输、再从运输到配送的整个过程中，其运作情况、配送成本、智能电网资产以及电网运行所产生的各种影响的模型构建等方面，包括建立电力配送工程方面的智能电网元件和运行模型，建立智能电网电力运输和发电系统的准恒定和动态反应的降维模型，发展和示范整合通讯网络的模型、批发市场模型和可再生能源模型等。

     为推进智能电网的建设，美国积极探索组建相关的机构。从功能上而言，大致包括以下几类：（1）政策制定和咨询。按照美国政府的要求，能源部建立了一个专门致力于智能电网领域研究的咨询委员会（SmartGrid-AdvisoryCommittee），用于为政策制定提供咨询建议。该委员会的责任是：向有关官员就智能电网的发展、智能电网技术的应用和服务、智能电网技术和使用标准及协议的制定与改革（以支持智能电网设备间的互联），以及联邦政府使用何种激励手段来促进这些领域的发展等方面提供咨询意见。在实际操作中，这项任务由电力咨询委员会（ElectricityAdvi-soryCommittee）执行。（2）协调、组织和运行。能源部还建立了一个智能电网特别行动小组（SmartGridTaskForce）。该小组由能源部下属的电力提供和能源可靠性办公室（OE）领导，其中的专家成员分别来自美国能源部（DOE）、商务部（DOC）、国防部（DOD)、国土安全部（DHS）、环境保护局（EPA）、联邦通信委员会（FCC）、联邦能源管制委员会（FERC）和农业部（USDA）等七个联邦机构。其主要任务是：确保、协调和整合联邦政府内各机构在智能电网技术、实践和服务方面的各项活动。其具体职能包括：智能电网的研发；智能电网标准和协议的推广；智能电网技术实践与电子公共事业规范之间，与基础设施发展、系统可靠性和安全性之间，与电力供应、电力需求、电力传输、电力配送和电力方面政策等之间关系的协调。该小组在2008—2020年间通过政府的资金资助维持有效运转。

     智能电网建设是一项耗资大、跨时长的巨大工程，在建设正式实施前进行标准的制定以及各项评价体系的完善对于智能电网的大规模推广是至关重要的。美国政府要求美国标准与技术研究院（NIST）为主管单位，建立智能电网相关协议和标准，以提高智能电网设备和系统应用的灵活性；同时要求美国能源部在实施智能电网研发和部署工作时制定相关评价方法来评估节能成效、研发项目及各方面工作的落实情况。此外，在《2010―2014年智能电网研发跨年度项目规划》中也涉及了有关标准制定和评价体系建立的研究内容。美国能源部考虑到标准制定对于电子和通信互联、电网整合、电网协同、统一测试和推广运行等各环节的重要性，配合 NIST进行了一项关于制定发展维护电网互联、整合、协作和符合网络安全并且能够在能源配送方面进行统一检测手续的国家和国际标准的研发项目。在评价体系方面的研发项目主要集中在智能电网部署和投资进程的评估、客户端设施中使用的能源管理设备的能效影响的评价、政府出台的商业政策和规则的考评、研发新部件和系统协议及方法的测试评价、消费者学习和接受各种政府实施项目（包括需求反应项目、现场发电项目、插入式电动汽车项目、储能项目和提高能效项目等）的评价等。

     美国智能电网走向微型化

     加州是全美最早提出发展智能电网的地方，但其升级改造的步伐一直很缓慢，这让人不禁生疑：加州2020年能实现33％电力供应来自可再生能源的目标吗？可再生能源利用的间歇性很难适应采取集中统一方式输电的传统电网。微型智能电网的概念由此应运而生。
 
     微型智能电网的概念最早是加州加尔文电力创新公司推出来的。该公司总裁约翰·凯利称，微型智能电网是对电力服务的重新定位，它让供电商与电力消费者在电力设备设计与规划期间就共同沟通成为可能，从而实现最大程度的双赢。

     微型电网或是供电商的替代选择

     目前大部分正在搭建的智能电网都不能产生和储存足够用来直接并网的电力，必须通过连接装置才行。实际上智能电网得同供电商保持稳定和复杂的关系，通过电力的买进卖出以及与电网的连接和断开来调节电量，并为电网减压。供电商也能将其用于节能项目，在用电高峰期的时候调动备用电力。

     借助这些迷你网络，电力运营商能够拉近与学校科研单位和企业的距离，帮助它们找出管理分布式输电的最佳节能方式。可再生能源并入微型智能电网相对简单，并且储能功率在供电商来看也比较高。普通智能电网所需的设备太沉不方便安装，因此微型电网就成了最简单的替代方式。

     高校、军方青睐微型智能电网

     很多美国高校都宣布要搞微型电网项目。特别值得一提的是坐落在首都华盛顿的霍华德大学。该校刚同Pareto能源公司签署研发一套能为校园发电和供暖供冷的装置的协议。Pareto计划投资1500万－2000万美元用于改造该校的中央系统，工期2年。

     加州的圣迭戈大学也主推微型电网。该校研发的被公认为世界最先进的微型电网之一，规模预计为1200英亩，可为450幢房屋供电，涉及用户4.5万人。该研究项目是加州能源委员会主导的“社区可再生能源安全”项目的一部分，目的是测试地方能源尤其是校园内可再生能源并网的情况。校内安装了2台单机容量 13.5兆瓦的燃气涡轮机，1台3兆瓦的蒸汽机和一套1.2兆瓦的光伏发电装置，可满足学校82%的电力需求。

     另外美国军方也对微型智能电网技术情有独钟，军方尝试在加州中部毗邻美军基地的亨特·利格特堡安装太阳能微型电网。这套系统装机容量1兆瓦，造价预计500万到1000万美元。就算有雾天气致发电效率下降，1兆瓦也能满足200栋住宅一年的用电需求。微型电网能保障当地的能源安全，在停电的时候为当地供电，并降低用电高峰期向主干电网重新分配电力的费用。借助自带的储存功能和输电设备，电网变得更加可靠、更加安全，并降低了该处对外界的能源依赖，这也是军事基地最关键的优势。

     微型电网应用障碍仍存

     要大规模推广微型电网，还面临不少挑战，最主要的障碍停留在技术层面，即很难做到与常规电网同步。为了让发出的电力能够上网，电压、电频和功率都要受控制。甚至于微型电网的设备也要符合已有的标准，好维持电网负荷平衡。由于依赖地方电力供应，存储装置就成了微型电网最关键的组成部分。目前的储能方式都很昂贵，一旦加装了储能装置，维护成本就将被推高。