【能源互聯(lián)網(wǎng)洞悉】美國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)啟示

:編者按：當(dāng)前世界范圍內(nèi)能源轉(zhuǎn)型加速，國家電網(wǎng)公司也提出建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)是承接國家能源安全新戰(zhàn)略，推動(dòng)電網(wǎng)和發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在新時(shí)代和新戰(zhàn)略下，對能源互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)也需要不斷深化。國網(wǎng)能源研究院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所聚焦于能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論、綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化與市場機(jī)制、能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展、能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)新元素、城市智慧能源系統(tǒng)等領(lǐng)域開展了深入研究。本專欄圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵問題，從理論研究、模型方法和經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐等方面展開，結(jié)合相關(guān)成果和研究思考與讀者進(jìn)行交流分享。

（來源：微信公眾號(hào)“中國電力”ID：ELECTRIC-POWER）

文章導(dǎo)讀：美國是發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的先驅(qū)國家之一，其側(cè)重于立足電網(wǎng)，借鑒互聯(lián)網(wǎng)開放對等的理念和體系架構(gòu)，對能源網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備、功能形態(tài)、運(yùn)行方式進(jìn)行創(chuàng)新變革，形成能源系統(tǒng)互動(dòng)融合、關(guān)聯(lián)主體即插即用的新型能源網(wǎng)絡(luò)。美國學(xué)者杰里米•里夫金指出，能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet）應(yīng)具有以可再生能源為主要一次能源、支持超大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)接入、基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣域能源共享、支持交通系統(tǒng)由燃油汽車向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)變四大特征。近年來，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源安全、環(huán)保減排等多重因素驅(qū)動(dòng)，美國以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，不斷推進(jìn)能源領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

美國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)啟示

（一）發(fā)展基礎(chǔ)

能源系統(tǒng)清潔化轉(zhuǎn)型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市場是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性因素，以下從此三方面介紹美國的相關(guān)發(fā)展基礎(chǔ)。

1）能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型

美國能源資源豐富，石油、天然氣探明儲(chǔ)量位居世界前列，太陽能、風(fēng)能開發(fā)潛力巨大。頁巖氣革命改變了美國石油、天然氣對外依存度高的局面。2008年金融危機(jī)后，時(shí)任奧巴馬政府大力推動(dòng)“清潔能源國家戰(zhàn)略”，將清潔能源產(chǎn)業(yè)作為應(yīng)對經(jīng)濟(jì)危機(jī)的關(guān)鍵力量，使得清潔能源占比在這一時(shí)期得到了快速提升，促進(jìn)了能源結(jié)構(gòu)的多元化發(fā)展。

能源供應(yīng)仍以化石能源為主，可再生能源占比逐步提升。如圖1所示，截至2018年，美國一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中化石能源占比為84.3%，非水可再生能源占比占比4.5%，較上年增長0.2個(gè)百分點(diǎn)，2013—2018五年間累計(jì)增長1.9個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 美國2018年一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：BP：Statistical Review of World Energy 2019。

能源消費(fèi)以石油為主，天然氣、電能并重，交通領(lǐng)域電氣化水平快速提升。如圖2所示，截至2017年，美國天然氣和電能占終端能源消費(fèi)的比例分別為22.8%和21.2%。得益于電動(dòng)汽車保有量的快速增長，2013—2018年美國交通領(lǐng)域電能消費(fèi)保持了11.3%的年均增速。如圖3所示，截至2018年，美國電動(dòng)汽車總量達(dá)112.3萬輛，2018年全年新增36.1萬輛，同比增長47.4%。

圖2 美國2017年終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：IEA：World Energy Balances 2019。

圖3 美國2013—2018年電動(dòng)汽車保有量變化

數(shù)據(jù)來源：IEA：Global EV Outlook 2019。

2）能源信息融合

美國在先進(jìn)測量基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)代信息通信技術(shù)支撐下，以智能電網(wǎng)為核心的能源信息融合發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平。同時(shí)，大力支持投資能源數(shù)字化領(lǐng)域的初創(chuàng)公司，進(jìn)一步促進(jìn)能源信息融合技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，這些都為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

美國通過構(gòu)建以智能電表為主的先進(jìn)測量基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（Advanced Metering Infrastructure，AMI），全面提升電網(wǎng)感知能力。AMI包括智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)和信息管理系統(tǒng)，一方面為電網(wǎng)企業(yè)收集用戶信息以制定針對性的服務(wù)模式，另一方面為電力客戶提供信息以更有效地控制能源消費(fèi)。截至2017年底，美國智能電表安裝數(shù)量達(dá)到7890萬只，同比增長11.4%，覆蓋率達(dá)到51%。美國2012—2017年智能電表數(shù)量如圖4所示。

圖4 美國2012—2017年智能電表數(shù)量

數(shù)據(jù)來源：BNEF：Smart Meter Market Size Interactive Datasets。

在北美同步相量計(jì)劃（North American SynoPhasor Initiative, NASPI）支持下，美國境內(nèi)絕大部分州部署了同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit, PMU）并聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了電網(wǎng)信息化水平。PMU打破洲際壁壘，推動(dòng)和建立跨區(qū)域的數(shù)據(jù)集成和共享機(jī)制，為進(jìn)一步提升電網(wǎng)感知能力，探索PMU數(shù)據(jù)在能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行、控制方面的價(jià)值奠定基礎(chǔ)。北美地區(qū)PMU布點(diǎn)如圖5所示。

圖5 北美地區(qū)PMU布點(diǎn)圖

美國在數(shù)字化領(lǐng)域投資規(guī)模和初創(chuàng)公司數(shù)量均為世界第一，為能源系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展提供了充足的資金和完整的供應(yīng)鏈。截至2017年，美國在數(shù)字化領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)/私募股權(quán)投資總量達(dá)到1250億美元，其中能源領(lǐng)域新型數(shù)字化服務(wù)企業(yè)獲得了充足的資金支持，在能源信息融合技術(shù)方面做出了大量探索。美國能源行業(yè)典型初創(chuàng)企業(yè)概況如表1所示。

表1 美國能源行業(yè)典型初創(chuàng)企業(yè)介紹

3）能源市場建設(shè)

美國擁有較為完備的天然氣市場化交易體系，積極推進(jìn)電力市場化改革，形成了較為完整的能源市場監(jiān)管框架，為能源互聯(lián)網(wǎng)市場建設(shè)提供了保障。

美國天然氣上游市場采用競爭性定價(jià)機(jī)制，進(jìn)口價(jià)格完全由市場形成。中游管道建設(shè)和運(yùn)營在第三方無歧視準(zhǔn)入基礎(chǔ)上，采用服務(wù)成本定價(jià)法。隨著天然氣現(xiàn)貨與期貨市場發(fā)展，天然氣價(jià)格市場化進(jìn)程加快。亨利中心(Henry Hub)的市場交易價(jià)格已成為美國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的價(jià)格基準(zhǔn)。據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，美國天然氣基礎(chǔ)設(shè)施包括210多個(gè)天然氣管道系統(tǒng)，已形成高度集成、覆蓋48個(gè)州的天然氣輸配網(wǎng)。發(fā)達(dá)的天然氣輸送系統(tǒng)可以將天然氣從供應(yīng)區(qū)輸送到不同規(guī)模不同層級(jí)的市場，為天然氣市場交易提供良好的硬件條件。在天然氣市場監(jiān)管機(jī)構(gòu)方面，美國形成了聯(lián)邦、州、地區(qū)多級(jí)協(xié)調(diào)的監(jiān)管格局。其中，聯(lián)邦政府負(fù)責(zé)制定天然氣社會(huì)性監(jiān)管的相關(guān)法律和跨區(qū)域監(jiān)管，州政府承擔(dān)實(shí)際監(jiān)管權(quán)。

美國從1992年開始進(jìn)行電力市場化改革，目前已建立7個(gè)有組織的區(qū)域電力批發(fā)市場，覆蓋31個(gè)州。此外，有15個(gè)州同時(shí)進(jìn)行了售電側(cè)改革，允許終端用戶自由選擇供電商購電。美國電力市場的顯著特點(diǎn)是市場主體多元化，區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行由電力公司自發(fā)形成，通過成立獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行機(jī)構(gòu)（ISO或RTO），保障系統(tǒng)運(yùn)行安全和促進(jìn)更大范圍的交易。美國的電力市場監(jiān)管采用國家一級(jí)和州一級(jí)的兩級(jí)監(jiān)管。國家一級(jí)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)主要是聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(Federal Energy Regulatory Commission，F(xiàn)ERC)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)管各州的電力批發(fā)市場和州際間的電力傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)電力市場監(jiān)控和調(diào)查。州一級(jí)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)是州公用事業(yè)委員會(huì)（State Public Utility Commission，SPUC），SPUC負(fù)責(zé)監(jiān)管州內(nèi)的電力零售市場、電力分配以及可再生能源份額的制定。

（二）政策支持

美國將智能電網(wǎng)和綜合能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)作為向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點(diǎn)，出臺(tái)了一系列相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃和財(cái)政激勵(lì)類政策，并通過立法的形式將智能電網(wǎng)發(fā)展設(shè)立為國家戰(zhàn)略、明確了儲(chǔ)能的市場地位、提出了加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。美國能源部公布的電網(wǎng)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃《Grid 2030》明確提出建設(shè)國家骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，建設(shè)局部、小型的微電網(wǎng)的發(fā)展思路。2009年制定的“能源部智能電網(wǎng)專項(xiàng)資助計(jì)劃”撥款34億美元對智能電網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究示范，其中6.15億美元用于啟動(dòng)“能源部智能電網(wǎng)示范工程計(jì)劃”。2018年2月，美國頒布第841號(hào)法案，要求系統(tǒng)運(yùn)營商降低儲(chǔ)能參與電力市場的限制。在州政策方面，則制訂了儲(chǔ)能采購目標(biāo)，建立經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，將儲(chǔ)能納入綜合資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。特朗普執(zhí)政后推出的“美國能源主導(dǎo)戰(zhàn)略”將進(jìn)一步推動(dòng)能源高效利用和能源領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)發(fā)展。表2是美國主要能源政策總覽。

表2 美國主要能源政策總覽

（三）典型實(shí)踐

1）FREEDM項(xiàng)目

2008年，美國北卡羅萊納州立大學(xué)AlexQ.Huang教授提出了能源互聯(lián)網(wǎng)概念雛形，并啟動(dòng)了“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System, FREEDM）”項(xiàng)目，計(jì)劃在電力電子、高速數(shù)字通信和分布式控制技術(shù)的支撐下，建立智能配電網(wǎng)架構(gòu)吸納大量分布式能源，并通過綜合控制能源的生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

項(xiàng)目借鑒互聯(lián)網(wǎng)開放對等的理念，以“能源路由器(Energy Router)”的研發(fā)為切入點(diǎn)，圍繞電力電子設(shè)備、運(yùn)行控制系統(tǒng)、配電網(wǎng)智能管理系統(tǒng)等開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，構(gòu)建包含固態(tài)變壓器、分布式可再生能源、分布式儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、智能能量管理等模塊，實(shí)現(xiàn)分布式能源即插即用、用戶電網(wǎng)雙向互動(dòng)的智能配電系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 FREEDM項(xiàng)目系統(tǒng)示意圖

固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）是FREEDM項(xiàng)目研發(fā)的核心設(shè)備，也是能源路由器的雛形。與傳統(tǒng)變壓器不同，SST還集整流、逆變?yōu)橐惑w，便于各種形式的分布式能源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷“即插即用”，并且能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息雙向流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，智能能量管理系統(tǒng)根據(jù)本地實(shí)時(shí)信息對系統(tǒng)中的事故或不正常運(yùn)行狀態(tài)做出自動(dòng)快速響應(yīng)。智能能量管理系統(tǒng)的控制模塊可監(jiān)視系統(tǒng)各功能模塊，實(shí)時(shí)讀取高速、雙向的能源供需數(shù)據(jù)，還可為分布式可再生能源裝置、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷提供接入管理。

FREEDM項(xiàng)目建立了一種高效、先進(jìn)的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)勢：1）可實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電電源及分布式儲(chǔ)能設(shè)備的“即插即用”功能；2）具有脫離傳統(tǒng)大電網(wǎng)孤島運(yùn)行的能力；3）可確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2）馬里蘭大學(xué)樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目

美國馬里蘭大學(xué)樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Buliding Combined Heat Power，BCHP)項(xiàng)目是由美國能源部、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室以及馬里蘭大學(xué)共同推動(dòng)的一個(gè)集展示、科研等多種用途于一體的項(xiàng)目。項(xiàng)目旨在依托馬里蘭大學(xué)校園，以樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為核心設(shè)備，構(gòu)造一個(gè)滿足教學(xué)區(qū)冷、熱、電綜合用能需求，能源梯級(jí)利用的小型綜合能源系統(tǒng)。

項(xiàng)目基于對馬里蘭大學(xué)冷、熱、電負(fù)荷特性的深入調(diào)研，進(jìn)行了綜合能源規(guī)劃，兼顧余熱利用效率和樓宇能源需求，設(shè)計(jì)了以BCHP機(jī)組為核心的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)BCHP（包括微型燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式制冷機(jī)）機(jī)組、供冷供熱網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)以及樓宇負(fù)荷組成，能夠提供23RT冷量和75kW的電功率。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電產(chǎn)生的尾氣導(dǎo)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)，以尾氣加熱發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰溶液并產(chǎn)生高溫蒸汽，在制冷模式運(yùn)行時(shí)，蒸汽冷凝為冷劑水后在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，制取空調(diào)冷水(額定出水溫度6.7℃)；在制熱模式運(yùn)行時(shí)，蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)加熱空調(diào)水，制取采暖溫水(額定出水溫度50℃)。整個(gè)系統(tǒng)僅發(fā)電端消耗燃料，制冷機(jī)利用燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱轉(zhuǎn)換為冷和熱，系統(tǒng)冷熱電負(fù)荷比為1.17:1.4:1，節(jié)能率達(dá)到20%以上。圖7是項(xiàng)目運(yùn)行原理示意圖。

圖7 馬里蘭大學(xué)樓宇熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)行原理示意圖

以BCHP為核心的馬里蘭大學(xué)綜合能源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1）分布式電源供電系統(tǒng)可大大減輕電網(wǎng)擴(kuò)建規(guī)模，節(jié)約大量資源，使遠(yuǎn)距離輸電損失通過BCHP的應(yīng)用節(jié)省下來；2）吸收式制冷技術(shù)使能量得到梯級(jí)利用，能效大幅提高，同時(shí)減排二氧化碳，保護(hù)了環(huán)境；3）區(qū)域冷、熱、電能源能夠基本實(shí)現(xiàn)自給自足，具備一定的獨(dú)立性和可靠性。

（四）總結(jié)與啟示

1）現(xiàn)狀總結(jié)

一是發(fā)展動(dòng)因上，美國能源資源稟賦的突出優(yōu)勢為其以化石能源和清潔能源并重的能源系統(tǒng)發(fā)展思路奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并初步形成了多元化能源生產(chǎn)消費(fèi)體系，為促進(jìn)多種能源的高效綜合利用，建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)是行之有效的解決方案。

二是發(fā)展方向上，結(jié)合其在智能電網(wǎng)發(fā)展方面的優(yōu)勢條件，在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中突出電網(wǎng)的樞紐作用，側(cè)重于能源電力領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)研發(fā)，借鑒互聯(lián)網(wǎng)思維打造具備多種能源高效綜合利用，分布式能源、電動(dòng)汽車等海量主體即插即用的智慧能源網(wǎng)絡(luò)。

三是實(shí)踐探索上，注重對智能配電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)等能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵要素和重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，開展了FREEDM等典型示范項(xiàng)目，對“能源路由器”等能源互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行探索研發(fā)。

2）經(jīng)驗(yàn)啟示

一是注重智能電網(wǎng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心樞紐作用，從政策和實(shí)踐全方面推進(jìn)電網(wǎng)智能化升級(jí)。在奧巴馬執(zhí)政時(shí)期將智能電網(wǎng)建設(shè)寫入《復(fù)興與再投資法案》，并設(shè)立了大量專項(xiàng)資金推動(dòng)技術(shù)研發(fā)與試點(diǎn)示范。以智能電網(wǎng)為抓手實(shí)現(xiàn)可再生能源的可靠消納、用戶的靈活對等接入，將智能電網(wǎng)打造為能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心樞紐，典型示范工程如FREEDM智能配電系統(tǒng)。

二是將能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的落腳點(diǎn)放在用戶側(cè)，尤其強(qiáng)調(diào)終端綜合能源系統(tǒng)建設(shè)。美國于2007年頒布了能源獨(dú)立和安全法，要求社會(huì)主要供用能環(huán)節(jié)必須開展綜合能源規(guī)劃。隨著近年大量頁巖氣資源的探明和相關(guān)開采技術(shù)的進(jìn)步，使得基于天然氣資源的熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)具有大規(guī)模推廣基礎(chǔ)，推動(dòng)以天然氣為中心的綜合能源系統(tǒng)在美國快速發(fā)展。

三是能源體制機(jī)制較為成熟，基本擺脫了多種能源系統(tǒng)間“條塊分割”的束縛，為能源互聯(lián)網(wǎng)下不同能源系統(tǒng)融合發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。美國建立了完善的能源市場機(jī)制，電力、天然氣網(wǎng)絡(luò)在法律法規(guī)上能夠確保向所有市場主體公平開放，相關(guān)監(jiān)管體系健全，各種能源系統(tǒng)間互聯(lián)互通的壁壘基本破除，為不同能源系統(tǒng)的融合發(fā)展和多種能源的綜合利用奠定了良好基礎(chǔ)。

執(zhí)筆人：吳瀟雨、王雪、王軼楠（國網(wǎng)能源研究院 能源互聯(lián)網(wǎng)研究所）