【能源互联网洞悉】美国能源互联网发展现状及经验启示
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：美国是发展能源互联网领域的先驱国家之一，其侧重于立足电网，借鉴互联网开放对等的理念和体系架构，对能源网络关键设备、功能形态、运行方式进行创新变革，形成能源系统互动融合、关联主体即插即用的新型能源网络。美国学者杰里米•里夫金指出，能源互联网（Energy Internet）应具有以可再生能源为主要一次能源、支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入、基于互联网技术实现广域能源共享、支持交通系统由燃油汽车向电动汽车转变四大特征。近年来，受经济发展、能源安全、环保减排等多重因素驱动，美国以智能电网为基础，不断推进能源领域技术进步和能源互联网发展。
美国能源互联网发展现状及经验启示
执笔人：吴潇雨、王雪、王轶楠
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
（一）发展基础
能源系统清洁化转型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市场是能源互联网发展的重要基础性因素，以下从此三方面介绍美国的相关发展基础。
1）能源系统转型
美国能源资源丰富，石油、天然气探明储量位居世界前列，太阳能、风能开发潜力巨大。页岩气革命改变了美国石油、天然气对外依存度高的局面。2008年金融危机后，时任奥巴马政府大力推动“清洁能源国家战略”，将清洁能源产业作为应对经济危机的关键力量，使得清洁能源占比在这一时期得到了快速提升，促进了能源结构的多元化发展。
能源供应仍以化石能源为主，可再生能源占比逐步提升。如图1所示，截至2018年，美国一次能源供应结构中化石能源占比为84.3%，非水可再生能源占比占比4.5%，较上年增长0.2个百分点，2013—2018五年间累计增长1.9个百分点。
图1 美国2018年一次能源供应结构
数据来源：BP：Statistical Review of World Energy 2019。
能源消费以石油为主，天然气、电能并重，交通领域电气化水平快速提升。如图2所示，截至2017年，美国天然气和电能占终端能源消费的比例分别为22.8%和21.2%。得益于电动汽车保有量的快速增长，2013—2018年美国交通领域电能消费保持了11.3%的年均增速。如图3所示，截至2018年，美国电动汽车总量达112.3万辆，2018年全年新增36.1万辆，同比增长47.4%。
图2 美国2017年终端能源消费结构
数据来源：IEA：World Energy Balances 2019。
图3 美国2013—2018年电动汽车保有量变化
数据来源：IEA：Global EV Outlook 2019。
2）能源信息融合
美国在先进测量基础设施和现代信息通信技术支撑下，以智能电网为核心的能源信息融合发展处于世界领先水平。同时，大力支持投资能源数字化领域的初创公司，进一步促进能源信息融合技术的发展创新，这些都为能源互联网发展奠定了坚实的基础。
美国通过构建以智能电表为主的先进测量基础设施网络（Advanced Metering Infrastructure，AMI），全面提升电网感知能力。AMI包括智能电表、通信网络和信息管理系统，一方面为电网企业收集用户信息以制定针对性的服务模式，另一方面为电力客户提供信息以更有效地控制能源消费。截至2017年底，美国智能电表安装数量达到7890万只，同比增长11.4%，覆盖率达到51%。美国2012—2017年智能电表数量如图4所示。
图4 美国2012—2017年智能电表数量
数据来源：BNEF：Smart Meter Market Size Interactive Datasets。
在北美同步相量计划（North American SynchroPhasor Initiative, NASPI）支持下，美国境内绝大部分州部署了同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit, PMU）并联网，进一步加强了电网信息化水平。PMU打破洲际壁垒，推动和建立跨区域的数据集成和共享机制，为进一步提升电网感知能力，探索PMU数据在能源互联网规划、运行、控制方面的价值奠定基础。北美地区PMU布点如图5所示。
图5 北美地区PMU布点图
美国在数字化领域投资规模和初创公司数量均为世界第一，为能源系统数字化发展提供了充足的资金和完整的供应链。截至2017年，美国在数字化领域的风险/私募股权投资总量达到1250亿美元，其中能源领域新型数字化服务企业获得了充足的资金支持，在能源信息融合技术方面做出了大量探索。美国能源行业典型初创企业概况如表1所示。
表1 美国能源行业典型初创企业介绍
3）能源市场建设
美国拥有较为完备的天然气市场化交易体系，积极推进电力市场化改革，形成了较为完整的能源市场监管框架，为能源互联网市场建设提供了保障。
美国天然气上游市场采用竞争性定价机制，进口价格完全由市场形成。中游管道建设和运营在第三方无歧视准入基础上，采用服务成本定价法。随着天然气现货与期货市场发展，天然气价格市场化进程加快。亨利中心(Henry Hub)的市场交易价格已成为美国天然气产业链各环节的价格基准。据IEA统计，美国天然气基础设施包括210多个天然气管道系统，已形成高度集成、覆盖48个州的天然气输配网。发达的天然气输送系统可以将天然气从供应区输送到不同规模不同层级的市场，为天然气市场交易提供良好的硬件条件。在天然气市场监管机构方面，美国形成了联邦、州、地区多级协调的监管格局。其中，联邦政府负责制定天然气社会性监管的相关法律和跨区域监管，州政府承担实际监管权。
美国从1992年开始进行电力市场化改革，目前已建立7个有组织的区域电力批发市场，覆盖31个州。此外，有15个州同时进行了售电侧改革，允许终端用户自由选择供电商购电。美国电力市场的显著特点是市场主体多元化，区域电网的调度运行由电力公司自发形成，通过成立独立系统调度运行机构（ISO或RTO），保障系统运行安全和促进更大范围的交易。美国的电力市场监管采用国家一级和州一级的两级监管。国家一级的监管机构主要是联邦能源管理委员会(Federal Energy Regulatory Commission，FERC)，主要负责监管各州的电力批发市场和州际间的电力传输，同时负责电力市场监控和调查。州一级的监管机构是州公用事业委员会（State Public Utility Commission，SPUC），SPUC负责监管州内的电力零售市场、电力分配以及可再生能源份额的制定。
（二）政策支持
美国将智能电网和综合能源网络建设作为向能源互联网转型发展的重点，出台了一系列相关战略规划和财政激励类政策，并通过立法的形式将智能电网发展设立为国家战略、明确了储能的市场地位、提出了加强标准体系建设。美国能源部公布的电网发展远景规划《Grid 2030》明确提出建设国家骨干网，实现区域电网互联，建设局部、小型的微电网的发展思路。2009年制定的“能源部智能电网专项资助计划”拨款34亿美元对智能电网的先进技术进行研究示范，其中6.15亿美元用于启动“能源部智能电网示范工程计划”。2018年2月，美国颁布第841号法案，要求系统运营商降低储能参与电力市场的限制。在州政策方面，则制订了储能采购目标，建立经济激励，将储能纳入综合资源进行统筹规划。特朗普执政后推出的“美国能源主导战略”将进一步推动能源高效利用和能源领域先进技术发展。表2是美国主要能源政策总览。
表2 美国主要能源政策总览
（三）典型实践
1）FREEDM项目
2008年，美国北卡罗莱纳州立大学AlexQ.Huang教授提出了能源互联网概念雏形，并启动了“未来可再生电能传输与管理系统（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System, FREEDM）”项目，计划在电力电子、高速数字通信和分布式控制技术的支撑下，建立智能配电网架构吸纳大量分布式能源，并通过综合控制能源的生产、传输和消费各环节，实现能源的高效利用。
项目借鉴互联网开放对等的理念，以“能源路由器(Energy Router)”的研发为切入点，围绕电力电子设备、运行控制系统、配电网智能管理系统等开展相关基础研究，构建包含固态变压器、分布式可再生能源、分布式储能装置、负荷、智能能量管理等模块，实现分布式能源即插即用、用户电网双向互动的智能配电系统，如图6所示。
图6 FREEDM项目系统示意图
固态变压器（Solid State Transformer，SST）是FREEDM项目研发的核心设备，也是能源路由器的雏形。与传统变压器不同，SST还集整流、逆变为一体，便于各种形式的分布式能源、储能装置和负荷“即插即用”，并且能够实现能量和信息双向流动。在此基础上，智能能量管理系统根据本地实时信息对系统中的事故或不正常运行状态做出自动快速响应。智能能量管理系统的控制模块可监视系统各功能模块，实时读取高速、双向的能源供需数据，还可为分布式可再生能源装置、储能装置和负荷提供接入管理。
FREEDM项目建立了一种高效、先进的智能配电网系统，具有以下优势：1）可实现分布式发电电源及分布式储能设备的“即插即用”功能；2）具有脱离传统大电网孤岛运行的能力；3）可确保电力系统安全、稳定、高效运行。
2）马里兰大学楼宇冷热电联产项目
美国马里兰大学楼宇冷热电联产(Buliding Combined Heat Power，BCHP)项目是由美国能源部、橡树岭国家实验室以及马里兰大学共同推动的一个集展示、科研等多种用途于一体的项目。项目旨在依托马里兰大学校园，以楼宇冷热电联产机组为核心设备，构造一个满足教学区冷、热、电综合用能需求，能源梯级利用的小型综合能源系统。
项目基于对马里兰大学冷、热、电负荷特性的深入调研，进行了综合能源规划，兼顾余热利用效率和楼宇能源需求，设计了以BCHP机组为核心的冷热电联供系统。整个系统由一台BCHP（包括微型燃气轮机和吸收式制冷机）机组、供冷供热网络、供电网络以及楼宇负荷组成，能够提供23RT冷量和75kW的电功率。微型燃气轮机发电产生的尾气导入溴化锂吸收式制冷机，以尾气加热发生器内的溴化锂溶液并产生高温蒸汽，在制冷模式运行时，蒸汽冷凝为冷剂水后在蒸发器内蒸发，制取空调冷水(额定出水温度6.7℃)；在制热模式运行时，蒸汽在蒸发器内加热空调水，制取采暖温水(额定出水温度50℃)。整个系统仅发电端消耗燃料，制冷机利用燃气轮机尾气余热转换为冷和热，系统冷热电负荷比为1.17:1.4:1，节能率达到20%以上。图7是项目运行原理示意图。
图7 马里兰大学楼宇热电联产项目运行原理示意图
以BCHP为核心的马里兰大学综合能源系统具有以下优势：1）分布式电源供电系统可大大减轻电网扩建规模，节约大量资源，使远距离输电损失通过BCHP的应用节省下来；2）吸收式制冷技术使能量得到梯级利用，能效大幅提高，同时减排二氧化碳，保护了环境；3）区域冷、热、电能源能够基本实现自给自足，具备一定的独立性和可靠性。
（四）总结与启示
1）现状总结
一是发展动因上，美国能源资源禀赋的突出优势为其以化石能源和清洁能源并重的能源系统发展思路奠定了坚实基础，并初步形成了多元化能源生产消费体系，为促进多种能源的高效综合利用，建设能源互联网是行之有效的解决方案。
二是发展方向上，结合其在智能电网发展方面的优势条件，在能源互联网建设过程中突出电网的枢纽作用，侧重于能源电力领域先进技术研发，借鉴互联网思维打造具备多种能源高效综合利用，分布式能源、电动汽车等海量主体即插即用的智慧能源网络。
三是实践探索上，注重对智能配电网、综合能源系统等能源互联网关键要素和重点领域进行应用实践，开展了FREEDM等典型示范项目，对“能源路由器”等能源互联网先进设备进行探索研发。
2）经验启示
一是注重智能电网在能源互联网中的核心枢纽作用，从政策和实践全方面推进电网智能化升级。在奥巴马执政时期将智能电网建设写入《复兴与再投资法案》，并设立了大量专项资金推动技术研发与试点示范。以智能电网为抓手实现可再生能源的可靠消纳、用户的灵活对等接入，将智能电网打造为能源互联网中的核心枢纽，典型示范工程如FREEDM智能配电系统。
二是将能源互联网建设的落脚点放在用户侧，尤其强调终端综合能源系统建设。美国于2007年颁布了能源独立和安全法，要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划。随着近年大量页岩气资源的探明和相关开采技术的进步，使得基于天然气资源的热电联产、冷热电三联供系统具有大规模推广基础，推动以天然气为中心的综合能源系统在美国快速发展。
三是能源体制机制较为成熟，基本摆脱了多种能源系统间“条块分割”的束缚，为能源互联网下不同能源系统融合发展奠定了良好基础。美国建立了完善的能源市场机制，电力、天然气网络在法律法规上能够确保向所有市场主体公平开放，相关监管体系健全，各种能源系统间互联互通的壁垒基本破除，为不同能源系统的融合发展和多种能源的综合利用奠定了良好基础。
作者介绍
吴潇雨，国网能源研究院能源互联网研究所中级研究员，电力系统自动化专业博士，工程师。主要从事能源互联网、综合能源系统、综合能源服务等研究，发表相关SCI、EI检索论文10余篇。先后参与国家能源局、国家电网公司委托的重大课题5项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，获国家电网公司软科学成果奖、国网能源院科技进步奖等奖项等。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
王轶楠，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，控制理论与控制工程专业博士，工程师。主要从事能源互联网、智能电网、综合能源服务、商业模式创新等相关研究，发表SCI、EI论文10余篇，申请发明专利6项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，曾获国家电网公司2019年度软科学成果奖一等奖。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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