美國(guó)智能電網(wǎng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)：
- 美國(guó)智能電網(wǎng)走向微型化
- 微型電網(wǎng)或是供電商的替代選擇
- 微型電網(wǎng)應(yīng)用障礙仍存
美國(guó)智能電網(wǎng)的市場(chǎng)數(shù)據(jù)：
- 目前美國(guó)電網(wǎng)的可靠率高達(dá) 99.97%
- 每年花費(fèi)1500億美元彌補(bǔ)0.03%故障率帶來(lái)的損失
- Pareto計(jì)劃投1500萬(wàn)－2000萬(wàn)美元改造該校的中央系統(tǒng)
智能電網(wǎng)，又被稱(chēng)為電網(wǎng)“高速公路”，是當(dāng)今國(guó)際最前沿的新能源產(chǎn)業(yè)之一，已成為許多發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。美國(guó)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(shí)踐者，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已積累了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。
美國(guó)的智能電網(wǎng)又稱(chēng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)，是指將基于分散的智能電網(wǎng)結(jié)合成全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)體系。這個(gè)體系主要包括：通過(guò)統(tǒng)一智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)美國(guó)電力網(wǎng)格的智能化，解決分布式能源體系的需要，以長(zhǎng)短途、高低壓的智能網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)客戶(hù)電源；在保護(hù)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的前提下，營(yíng)建新的輸電電網(wǎng)，實(shí)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(gè)系統(tǒng)可以平衡跨州用電的需求，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的電力優(yōu)化調(diào)度、監(jiān)測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)美國(guó)整體的電力需求管理，實(shí)現(xiàn)美國(guó)跨區(qū)的可再生能源提供的平衡。這個(gè)體系的另一個(gè)核心就是解決太陽(yáng)能、氫能、水電能和車(chē)輛電能的存儲(chǔ)，它可以幫助用戶(hù)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(shí)際上，這個(gè)體系就是以美國(guó)的可再生能源為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)美國(guó)發(fā)電、輸電、配電和用電體系的優(yōu)化管理。
美國(guó)發(fā)展智能電網(wǎng)重點(diǎn)在配電和用電上，推動(dòng)可再生能源發(fā)展，注重商業(yè)模式的創(chuàng)新和用戶(hù)服務(wù)的提升。它的四個(gè)組成部分分別是：高溫超導(dǎo)電網(wǎng)、電力儲(chǔ)能技術(shù)、可再生能源與分布式系統(tǒng)集成（RDSI）和實(shí)現(xiàn)傳輸可靠性及安全控制系統(tǒng)，這個(gè)電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的本質(zhì)是開(kāi)發(fā)并轉(zhuǎn)型進(jìn)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(yíng)建可再生能源和分布式系統(tǒng)集成（RDSI）與電力儲(chǔ)能技術(shù)，最終集成發(fā)展高溫超導(dǎo)電網(wǎng)。
美國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)美國(guó)能源部數(shù)據(jù)顯示，雖然目前美國(guó)電網(wǎng)的可靠率高達(dá) 99.97%，但美國(guó)仍需每年花費(fèi)1500億美元彌補(bǔ)0.03%故障率帶來(lái)的損失。因此美國(guó)有人提出，即使投資上萬(wàn)億美元，將現(xiàn)有電網(wǎng)升級(jí)成智能電網(wǎng)，把剩余0.03%故障率排除在外，美國(guó)也能在10年以?xún)?nèi)收回成本。
2009年2月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬發(fā)布的《經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃》中提出投資110億美元，建設(shè)可安裝各種控制設(shè)備的新一代智能電網(wǎng)。美國(guó)商務(wù)部和能源部已經(jīng)共同發(fā)布了第一批智能電網(wǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)智能電網(wǎng)項(xiàng)目正式啟動(dòng)。新一屆美國(guó)政府將智能電網(wǎng)項(xiàng)目作為其綠色經(jīng)濟(jì)振興計(jì)劃的關(guān)鍵性支柱之一。奧巴馬總統(tǒng)將智能電網(wǎng)視作降低用戶(hù)能源開(kāi)支，實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立性和減少溫室氣體排放的關(guān)鍵措施。隨著配電系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，現(xiàn)代化的數(shù)字電網(wǎng)將使美國(guó)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(chǎng)的費(fèi)用。據(jù)美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明，僅使用數(shù)字電表設(shè)定家庭溫度及融入價(jià)格信息，每年可減少15%的能耗。
美國(guó)政府圍繞智能電網(wǎng)建設(shè)，重點(diǎn)推進(jìn)了核心技術(shù)研發(fā)，著手制定發(fā)展規(guī)劃。美國(guó)政府為了吸引各方力量共同推動(dòng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，積極制定了《2010―2014年智能電網(wǎng)研發(fā)跨年度項(xiàng)目規(guī)劃》，旨在全面設(shè)置智能電網(wǎng)研發(fā)項(xiàng)目，以進(jìn)一步促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。（1）技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目。主要集中在傳感技術(shù)、電網(wǎng)通信整合和安全技術(shù)、先進(jìn)零部件和附屬系統(tǒng)、先進(jìn)控制方法和先進(jìn)系統(tǒng)布局技術(shù)、決策和運(yùn)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(hù)端傳感系統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展電網(wǎng)與汽車(chē)的互聯(lián)技術(shù)，在創(chuàng)造高滲透性能源配送和充電網(wǎng)絡(luò)條件的過(guò)程中發(fā)展安全、高效和可靠性強(qiáng)的保護(hù)和控制性技術(shù)，發(fā)展運(yùn)作支持工具技術(shù)等。（2）建模領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目。主要集中在準(zhǔn)確建立電網(wǎng)、從發(fā)電到運(yùn)輸、再?gòu)倪\(yùn)輸?shù)脚渌偷恼麄€(gè)過(guò)程中，其運(yùn)作情況、配送成本、智能電網(wǎng)資產(chǎn)以及電網(wǎng)運(yùn)行所產(chǎn)生的各種影響的模型構(gòu)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(yùn)行模型，建立智能電網(wǎng)電力運(yùn)輸和發(fā)電系統(tǒng)的準(zhǔn)恒定和動(dòng)態(tài)反應(yīng)的降維模型，發(fā)展和示范整合通訊網(wǎng)絡(luò)的模型、批發(fā)市場(chǎng)模型和可再生能源模型等。
為推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，美國(guó)積極探索組建相關(guān)的機(jī)構(gòu)。從功能上而言，大致包括以下幾類(lèi)：（1）政策制定和咨詢(xún)。按照美國(guó)政府的要求，能源部建立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)致力于智能電網(wǎng)領(lǐng)域研究的咨詢(xún)委員會(huì)（SmartGrid- AdvisoryCommittee），用于為政策制定提供咨詢(xún)建議。該委員會(huì)的責(zé)任是：向有關(guān)官員就智能電網(wǎng)的發(fā)展、智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和服務(wù)、智能電網(wǎng)技術(shù)和使用標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的制定與改革（以支持智能電網(wǎng)設(shè)備間的互聯(lián)），以及聯(lián)邦政府使用何種激勵(lì)手段來(lái)促進(jìn)這些領(lǐng)域的發(fā)展等方面提供咨詢(xún)意見(jiàn)。在實(shí)際操作中，這項(xiàng)任務(wù)由電力咨詢(xún)委員會(huì)（ElectricityAdvi-soryCommittee）執(zhí)行。（2）協(xié)調(diào)、組織和運(yùn)行。能源部還建立了一個(gè)智能電網(wǎng)特別行動(dòng)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(lǐng)導(dǎo)，其中的專(zhuān)家成員分別來(lái)自美國(guó)能源部（DOE）、商務(wù)部（DOC）、國(guó)防部（DOD)、國(guó)土安全部（DHS）、環(huán)境保護(hù)局（EPA）、聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）、聯(lián)邦能源管制委員會(huì)（FERC）和農(nóng)業(yè)部（USDA）等七個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)。其主要任務(wù)是：確保、協(xié)調(diào)和整合聯(lián)邦政府內(nèi)各機(jī)構(gòu)在智能電網(wǎng)技術(shù)、實(shí)踐和服務(wù)方面的各項(xiàng)活動(dòng)。其具體職能包括：智能電網(wǎng)的研發(fā)；智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的推廣；智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)踐與電子公共事業(yè)規(guī)范之間，與基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展、系統(tǒng)可靠性和安全性之間，與電力供應(yīng)、電力需求、電力傳輸、電力配送和電力方面政策等之間關(guān)系的協(xié)調(diào)。該小組在2008—2020年間通過(guò)政府的資金資助維持有效運(yùn)轉(zhuǎn)。
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智能電網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)耗資大、跨時(shí)長(zhǎng)的巨大工程，在建設(shè)正式實(shí)施前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的制定以及各項(xiàng)評(píng)價(jià)體系的完善對(duì)于智能電網(wǎng)的大規(guī)模推廣是至關(guān)重要的。美國(guó)政府要求美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）為主管單位，建立智能電網(wǎng)相關(guān)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，以提高智能電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性；同時(shí)要求美國(guó)能源部在實(shí)施智能電網(wǎng)研發(fā)和部署工作時(shí)制定相關(guān)評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)估節(jié)能成效、研發(fā)項(xiàng)目及各方面工作的落實(shí)情況。此外，在《2010―2014年智能電網(wǎng)研發(fā)跨年度項(xiàng)目規(guī)劃》中也涉及了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和評(píng)價(jià)體系建立的研究?jī)?nèi)容。美國(guó)能源部考慮到標(biāo)準(zhǔn)制定對(duì)于電子和通信互聯(lián)、電網(wǎng)整合、電網(wǎng)協(xié)同、統(tǒng)一測(cè)試和推廣運(yùn)行等各環(huán)節(jié)的重要性，配合NIST進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于制定發(fā)展維護(hù)電網(wǎng)互聯(lián)、整合、協(xié)作和符合網(wǎng)絡(luò)安全并且能夠在能源配送方面進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)手續(xù)的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)項(xiàng)目。在評(píng)價(jià)體系方面的研發(fā)項(xiàng)目主要集中在智能電網(wǎng)部署和投資進(jìn)程的評(píng)估、客戶(hù)端設(shè)施中使用的能源管理設(shè)備的能效影響的評(píng)價(jià)、政府出臺(tái)的商業(yè)政策和規(guī)則的考評(píng)、研發(fā)新部件和系統(tǒng)協(xié)議及方法的測(cè)試評(píng)價(jià)、消費(fèi)者學(xué)習(xí)和接受各種政府實(shí)施項(xiàng)目（包括需求反應(yīng)項(xiàng)目、現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電項(xiàng)目、插入式電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目、儲(chǔ)能項(xiàng)目和提高能效項(xiàng)目等）的評(píng)價(jià)等。
美國(guó)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(jí)改造的步伐一直很緩慢，這讓人不禁生疑：加州2020年能實(shí)現(xiàn)33％電力供應(yīng)來(lái)自可再生能源的目標(biāo)嗎？可再生能源利用的間歇性很難適應(yīng)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(yīng)運(yùn)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(lái)的。該公司總裁約翰·凱利稱(chēng)，微型智能電網(wǎng)是對(duì)電力服務(wù)的重新定位，它讓供電商與電力消費(fèi)者在電力設(shè)備設(shè)計(jì)與規(guī)劃期間就共同溝通成為可能，從而實(shí)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(chǎn)生和儲(chǔ)存足夠用來(lái)直接并網(wǎng)的電力，必須通過(guò)連接裝置才行。實(shí)際上智能電網(wǎng)得同供電商保持穩(wěn)定和復(fù)雜的關(guān)系，通過(guò)電力的買(mǎi)進(jìn)賣(mài)出以及與電網(wǎng)的連接和斷開(kāi)來(lái)調(diào)節(jié)電量，并為電網(wǎng)減壓。供電商也能將其用于節(jié)能項(xiàng)目，在用電高峰期的時(shí)候調(diào)動(dòng)備用電力。
借助這些迷你網(wǎng)絡(luò)，電力運(yùn)營(yíng)商能夠拉近與學(xué)校科研單位和企業(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(duì)簡(jiǎn)單，并且儲(chǔ)能功率在供電商來(lái)看也比較高。普通智能電網(wǎng)所需的設(shè)備太沉不方便安裝，因此微型電網(wǎng)就成了最簡(jiǎn)單的替代方式。
高校、軍方青睞微型智能電網(wǎng)
很多美國(guó)高校都宣布要搞微型電網(wǎng)項(xiàng)目。特別值得一提的是坐落在首都華盛頓的霍華德大學(xué)。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(jì)劃投資1500萬(wàn)－2000萬(wàn)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(xué)也主推微型電網(wǎng)。該校研發(fā)的被公認(rèn)為世界最先進(jìn)的微型電網(wǎng)之一，規(guī)模預(yù)計(jì)為 1200英畝，可為450幢房屋供電，涉及用戶(hù)4.5萬(wàn)人。該研究項(xiàng)目是加州能源委員會(huì)主導(dǎo)的“社區(qū)可再生能源安全”項(xiàng)目的一部分，目的是測(cè)試地方能源尤其是校園內(nèi)可再生能源并網(wǎng)的情況。校內(nèi)安裝了2臺(tái)單機(jī)容量13.5兆瓦的燃?xì)鉁u輪機(jī)，1臺(tái)3兆瓦的蒸汽機(jī)和一套1.2兆瓦的光伏發(fā)電裝置，可滿(mǎn)足學(xué)校82%的電力需求。
另外美國(guó)軍方也對(duì)微型智能電網(wǎng)技術(shù)情有獨(dú)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(yáng)能微型電網(wǎng)。這套系統(tǒng)裝機(jī)容量1兆瓦，造價(jià)預(yù)計(jì)500萬(wàn)到1000萬(wàn)美元。就算有霧天氣致發(fā)電效率下降，1兆瓦也能滿(mǎn)足200棟住宅一年的用電需求。微型電網(wǎng)能保障當(dāng)?shù)氐哪茉窗踩谕ｋ姷臅r(shí)候?yàn)楫?dāng)?shù)毓╇姡⒔档陀秒姼叻迤谙蛑鞲呻娋W(wǎng)重新分配電力的費(fèi)用。借助自帶的儲(chǔ)存功能和輸電設(shè)備，電網(wǎng)變得更加可靠、更加安全，并降低了該處對(duì)外界的能源依賴(lài)，這也是軍事基地最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。
微型電網(wǎng)應(yīng)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(shù)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(shè)備也要符合已有的標(biāo)準(zhǔn)，好維持電網(wǎng)負(fù)荷平衡。由于依賴(lài)地方電力供應(yīng)，存儲(chǔ)裝置就成了微型電網(wǎng)最關(guān)鍵的組成部分。目前的儲(chǔ)能方式都很昂貴，一旦加裝了儲(chǔ)能裝置，維護(hù)成本就將被推高。
