美国分布式综合能源微网系统发展.pdf
美国分布式综合能源微网系统发展冯威1,鲁虹佑1,Chris Marnay1,张宁2,郭尊1,31. 美国劳伦斯伯克利国家实验室,加利福尼亚 伯克利 94720;2. 国网能源研究院有限公司,北京 102209;3. 华北电力大学,北京 102206摘 要阐述了综合能源微网的定义,首先梳理了美国各级政府以及电力公司和电力市场对于推动微网建设的政策和示范工程,介绍了美国在近十多年来开发分布式综合能源微网的经验。进而对综合能源微网的控制方法,及美国在此期间开发的模拟仿真软件进行了介绍和对比。最后介绍了美国综合能源微网建设和运营的主要商业模式。旨在通过介绍美国综合能源微网的发展,为中国综合能源系统和能源互联网示范项目建设提供参考。关键词分布式能源;综合能源服务;微网;商业模式;示范项目;软件工具;美国中图分类号 TM73 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019040560 引言分布式综合能源微网(下简称微网)可以从分布式能源和控制系统2个角度来定义。美国能源部把微网定义为一组互连的负荷和分布式能源,是在明确定义的电气边界内的单一可控的实体。微网可以连接到电网,也可以与电网断开,因此可以在电网连接下或者孤岛模式下运行[1]。国际大电网会议(CIGRE)把微网定义为微网是分布式的电力系统,包括负荷和分布式能源(如分布式发电机组、储存设备或可控制的负荷)。微网在可控制的方式下运行,可以连接到电力网络或者孤岛模式下运行[2]。这两种定义说明微网的特征包括(1)微网是分布式能源和负荷的集合;(2)微网系统必须在与电网连接的状态下或者在孤岛模式下可控。目前,微网项目在世界各国快速发展。全球微网装机容量的40都来自亚太地区。日本是微网发展的领先者。日本新能源产业技术综合开发机构(New Energy and Industrial TechnologyDevelopment Organization)为全球许多微网项目提供研发和示范[3],侧重于提供新能源解决方案、新技术以及具有更高稳定性和弹性的控制系统。在极端天气场景下,日本的示范项目也取得了优异的成果。同时,随着欧盟研发和示范项目的发展,目前微网系统的发展模式主要有孤岛运行模式、偏远地区模式、电力公司规模的多微网模式以及微网系统的控制运行模式。十二五(20112015年)期间中国微网的发展也开始起步,主要目标是发展分布式清洁能源,降低中国对大型煤电的依赖,减少污染排放,提高空气质量,期间中国修建了30个微网示范项目;这一工作在十三五(20162020年)期间得到了进一步延续和发展。微网项目的运行模式被进一步细分为3类孤岛模式、偏远模式和城市模式,并对每一类微网在中国实施提出了建议[4]。与此同时,世界上34的微网项目集中在美国以及北美地区。美国微网发展的主要驱动力来自终端用户对安全性和稳定性需求的上升以及美国“大电网”的“老化”[5]。过去10年美国政府和业界建立了支持微网发展的政策和示范项目,开展控制系统研究,开发了一系列软件工具。美国微网示范项目快速发展,得益于2方面(1)低廉的天然气是早期示范项目快速发展的一个主要推动力。尤其是对于电力价格偏高的地区,由于微网项目中天然气和电力的价格差,分布式天然气发电得到了广泛推广。(2)对可再生能源和清洁能源的需求。大量的微网项目以利用可再生能源和降低碳排放为发展目标,提升可再生能源收稿日期2019−04−12; 修回日期2019−05−24。第 52 卷 第 6 期中国电力Vol. 52, No. 62019 年 6 月ELECTRIC POWER Jun. 201994比例也成为地方政府和联邦政府制订政策的原则之一。在美国,分布式能源在电力市场中也扮演着重要的角色。微网通过提供辅助服务,不仅参与了大电网运行,也为其自身的发展提供了更多的帮助[6]。与此同时,由于近年来美国东岸的飓风影响到大电网运行,公众和电力公司都注意到了微网系统的稳定性和灵活性。为了促进微网示范项目的发展,美国各级政府制订了多种政策,建立了研发项目,开发了软件和工具,为项目提供资金支持,并为分布式能源建立财税上的奖励机制[3]。地方电力公司也更加重视微网项目与大电网的结合,以实现微网为大电网提供的辅助服务[7]。上述背景下,本文首先回顾了美国各级政府制订的鼓励微网发展的政策,然后评估了各层面政策指导下的示范项目。此外,本文详细介绍了美国微网示范项目中采用的技术和控制系统,以及美国微网设计和运行中使用的软件工具。最后,本文具体分析了美国微网发展的商业模式。1 美国分布式综合能源微网的政策与演化1.1 联邦政府的政策美国联邦政府的政策旨在促进微网系统的研发,提供更稳定、更灵活、更高效、更有弹性、更有经济性和更安全的电力系统。美国能源部的电力输送和能源稳定性办公室(Office of ElectricityDelivery and Energy Reliability)是负责支持微网研发项目的核心部门。在美国能源部的支持下,过去10年美国开发建立了许多微网设计和经济分析工具以及系统测试和示范项目,其中很多项目都与美国国防部相关[8-9]。美国能源部的第1个微网项目是2008年实施的分布式可再生系统集成项目(RDSI)[10]。该项目共包含9个示范项目(见图1中的绿色标识),项目资金共1亿美元,一半资金由美国能源部提供。项目的目标是降低至少15的峰值负荷[10],其中位于加州的2个项目(Santa Rita监狱和Borrego Springs项目)获得了加州能源委员会的资金支持并取得显著成效,目前仍在使用[11]。从2010年开展的能源稳定和安全智能电力设施示范项目(SPIDERS),由美国能源部和美国国防部支持,旨在为偏远地区的军事基地提供具有稳定性好和机动性强的电力。项目最初的3个微网分别位于夏威夷的Hickam空军基地和CampSmith以及科罗拉多州的Fort Carson。随着微网理论和技术的逐步完善和实施,其他军事基地的微网项目也发展起来,这些微网系统已成为向军事设施供电的标配系统[12]。图1中的红色标识即为这些项目[10]。WashingtonOregonldahoNeuadacalrrorniaArizona New MexionCoeradoUtahWyomingMontana North DakotaSouth DakotaNebraskaKansasKlahomaTexasHawanAlaska LouisianaMissArkansasMissourilowaMinnesotaWisconsinlllinois IndianaKentuckyTenneseeAlabamaGeoorgiaFloridaSouth Carolina研发试验台 属于美能源部;研发试验台 不属于美国能源部;DOE/DOD 评估与示范项目;DOD ESTCP;峰荷降低;ARRA SGDP;工业/公用事业/大学/其他联邦机构North CarolinaWestVirgin VirginiaObjoD.C.DelawareNew JerseyPennsyluaniaConn.R.l.Mass.N.H.vt.New YorkMaineMichinan图 1 美国联邦政府微网项目Fig. 1 Microgrid projects of federal government in U.S.第 6 期 冯威等美国分布式综合能源微网系统发展95另外一个推动美国微网项目发展的联邦政策是2009年颁布的美国复苏与再投资法案(ARRA)。法案提供大约40亿美元的智能电网资金,大大加速了许多项目的发展。包括上文提到的RDSI项目(Borrego Springs和加州大学尔湾分校的微网项目)。ARRA法案推行的这些项目侧重于表现对微网发展至关重要的诸多技术的示范作用,如储能技术等。综合性的微网项目目前只实施了一个,即位于美国俄勒冈州Salem的波特兰电气项目,该项目是美国太平洋西北智能电网示范项目的一部分[13]。美国能源部制订了开发下一代具有商业规模的微网系统的目标,即显著降低微网与系统解列的频度(至少降低98),提升经济竞争力,降低污染排放量,并提升系统效率。为了实现这一目标,美国能源部工作的中心对示范项目中的专项系统进行了系统整合。整合的重点是发展先进的微网控制器和建立先进微网的标准[14]。这一转型也与微网标准化和运行复杂度的需求相一致,也促使能源部电力输送和能源稳定性办公室开展了8个微网控制器项目的研发,能够适应各种类型和地区的微网运行需要。此外,为了支持微网示范项目和适应系统整合需求,为微网项目提供贷款保证,加速推广创新性清洁能源技术,美国能源部在2005年通过了美国能源政策法案,并在2015年提供了超过10亿美元的贷款,以支持符合要求的分布式能源项目(如光伏、风能、热电联产和储能技术)的发展[8]。美国联邦政府也对采用微网技术(如光伏、热电联产和电动车)的客户给予税收优惠政策[10]。另外,美国能源部也提供一定的技术支持。如美国能源部的热电联产技术支持伙伴项目推动了全美国的热电联产、余热发电和区域能源概念和技术的发展。热电联产技术支持伙伴项目提供的服务包括市场分析、教育和推广及技术支持。1.2 州级和地方级的政策美国地方微网政策的主要驱动力来自不断提高的可再生能源标准(renewable portfoliostandards)、可再生能源目标以及对电力系统弹性的重视[15]。目前,美国29个州和华盛顿特区均实施了可再生能源标准,还有8个州制订了可再生能源目标。2012年美国桑迪飓风席卷美国东北部,微网系统在飓风中表现特别突出,地方政府更加认识到微网对提高电力系统弹性的重要程度。因此,美国纽约州实施了Prize项目推广微网。该项目由美国纽约能源研究和发展署(StateEnergy Research and Development Administrations)管理,总共提供6000万美元的奖励,分3阶段进行。第1阶段是可行性研究(于2016年完成),共完成了83项微网项目的可行性研究,重点研究微网如何保护公共设施,尤其是紧急服务设施的运行[16]。除此之外,加州微网的研究和示范项目也取得了很大突破。加州制定的可再生能源利用标准是其微网发展的主要动力,目标是到2030年州内电力的50来自可再生能源。同时,加州的建筑标准也规定到2020年所有的新建居住建筑都必须是零能耗建筑,到2030年所有新建商业建筑也必须实现零能耗。因此,加州积极利用联邦政府、州政府和地方电力公司的资源,鼓励发展微网项目。如加州能源委员出资4 500万美元对成功的、可复制、可商用的微网项目进行奖励。截至2018年7月,9个项目已获得奖励,每个项目将持续三四年[17]。装设微网可获得州政府提供的州税优惠政策。例如,为农场设施和机械设备提供电力的太阳能微网项目可以获得州税优惠。此外还有部分财政奖励,如太阳能电力购买合同和资产评估性清洁能源贷款(property assessed clean energy,PACE),均为鼓励加州的民用和商业建筑采用分布式能源的措施。太阳能电力购买合同指当客户购买第三方所有、运营和维护的客户地产上的太阳能光伏系统提供的电力时,支付的电价通常比当地电网的电价更低。太阳能电力购买合同在其他州也得到了广泛应用,如亚利桑那州、科罗拉多州、纽约州和新泽西州。PACE模式为民用建筑、商业建筑以及工业建筑提供能效或可再生能源融资。目前,大约有40个州实施了PACE模式。1.3 电力公司和独立系统运营商(ISO)的项目电力公司已经着手开发自己的微网项目,也称为微型网(Milligrids)。通常为一些微网技术(如小型可再生能源和电池)提供财政奖励和折扣或通过州政府的自发电奖励项目(self-generationincentive program,SGIP)[18]进行奖励。中国电力第 52 卷96电力公司通过可再生能源上网电价手段开发小规模可再生能源(太阳能、风能、13 MW生物质发电)。如可再生能源市场调节价格项目(ReMat),为小于3 MW的可再生能源系统提供上网电价,已应用于太平洋电气公司(Pacific Gasand Electric)、南加州艾迪逊电气公司(SouthernCalifornia Edison)和圣地亚哥电气公司(San DiegoGas and Electric)的服务区域。另外,净计量电价项目(net metering program)为自发电系统提供财政奖励的同时抵消一部分客户电耗。净计量项目使得微网用户可以出售多余的电量。同时,各种微网系统采用了很多不同的技术和先进的控制系统,使得微网可以参与到电力市场中,提供如快速频率响应等辅助服务。通过需求响应和辅助服务,微网得以与美国开放的电力市场进行交易。加州太阳能计划(California solar initiative)为加州使用太阳能系统的现有居住用户以及现有和新建的商业、工业、政府、非营利机构和农业建筑提供返现(退还一部分现金)奖励。这些奖励在3个电气公司的辖区内实施太平洋电气公司(Pacific Gas and Electric)、南方加州艾迪逊电气公司(Southern California Edison)和圣地亚哥电气公司(San Diego Gas and Electric)。加州太阳能计划由加州ISO管理,由加州公共事业委员会监管。自2007年建立至2016年,加州太阳能计划的预算已超过20亿美元,显现了加州政府对太阳能计划的高度重视[18]。加州公共事业委员会通过了加州的自发电奖励项目(self-generation incentive program,SGIP),允许加州ISO为符合要求的分布式能源系统提供奖励。这些系统通常安装在用户侧,包括风能发电、余热发电、减压涡轮机、内燃机、微型涡轮机、燃气轮机、燃料电池和先进储能系统等[19]。自2001年建立以来,目前该项目已预算到2019年底。截至2015年底,SGIP为1 144个已完成的项目提供了6.56亿美元,项目装机总量超过440 MW(还不包括太阳能项目)[19]。2 微网的控制系统和方法微网的控制是一项多目标的复杂系统工程,需要考虑不同技术领域,在不同时间阶段以及不同物理层面的各种问题。微网的控制系统旨在为各种运行模式(如与大电网相连接的模式、孤岛模式,以及介于两者之间的过渡阶段)的微网提供控制、管理和优化服务。美国电气和电子工程师协会(IEEE)p2030.7工作小组将微网控制的功能分成三大类[13](1)设备层面的控制(主控制)。包括电压/频率控制、分布式发电机组的就地控制、储能调节、负荷及其保护。(2)地方区域监控(二级控制)。包括负荷和能源管理、各种模式下电力调度的经济性、自动发电控制、旋转备用发电容量、快速甩负荷以及其自同步。(3)电网交互控制(三级控制)。包括参与市场交易、从电力公司到微网的电力流、多微网间的协调。以上3种控制有各自的运行区域。因此,需要建立一个复杂而有序的控制体系来满足各类需求。设备层面的主要控制基于当地的量测数据,以稳定微网电压和频率为目标,响应时间通常在微秒级到秒级之间的时间尺度内。已有一些新的应对电压和频率下降的方式,如可调节的负荷共享模式等[20],以解决传统的应对方式中存在的在过渡阶段表现较差的问题。灵活的储能系统和灵活的负荷也可以用来增强微网的稳定性。二级控制,如当地区域控制和监督控制,响应时间通常在秒级到日级别的时间区间,负责保证各种模式下的微网可靠、安全和经济地运行[21]。二级控制可分为中央控制和非中央控制2类。中央控制的特点是微网的运行人员是决策的主要制订者。运行人员根据微网状态的相关信息,决定微网电源控制器的最优设定点[21]。利用中央控制系统,美国Santa Rita监狱的微网可以在实现其经济目标的同时,满足微网在不同模式下(与大电网相连和孤岛模式)对稳定性的要求。美国国家可再生能源研究室、美国电气可靠性技术协会、Sandia国家实验室、伯克利国家实验室和其他机构开发了一系列机制,旨在解决电力调度的经济性和频率/电压调节的问题。非中央的控制系统基于多主体的系统理论[21],目前得到了更多的应用。其核心理念是通过对多个主体的协调,实现在制定任务上的合作,从而达到整体系统的目标。Sandia国家实验室的报告详细说明了多主体第 6 期 冯威等美国分布式综合能源微网系统发展97技术在微网控制中的应用[22]。雅典国家技术大学实验室也通过实践证明了多主体系统技术在微网控制中的优势。三级控制在多微网合作的区域内,以及微网与大电网的交互中实现。主要的控制内容与追求经济利益的能源市场相关(如输入或输出能源或辅助服务)。信息障碍和不同机构之间的沟通是进行多微网控制的主要问题。分等级的控制系统架构已经在多个微网项目中得到应用。在伊利诺伊技术所(Bronzeville)分所的微网中,等级式的控制系统结构用于支持频率调节。低层的控制器管理不同微网中的频率和电压,而高层的控制器管理微网之间的电力交易[23]。美国费城Navy Yard的微网项目采用了不同种类的分布式发电机组和储能装置,控制器可以对其运行成本和能效进行优化[24]。Schweitzer工程实验室开发的微网控制系统能够实现的功能包括就地功率因数控制、分布式发电共享和优化、甩负荷、负荷管理、双向电流管理、降低峰值、孤网控制、电网自同步、监测和预警等[24]。该微网控制系统已经在世界范围内成功安装和使用。此外,美国国家可再生能源实验室也从Schweitzer工程实验室中选择了一套微网控制系统安装在他们的“综合能源系统”设施中。3 美国微网研究的软件和工具美国开发了多个软件工具用于支持微网项目的研发和运行。示范项目通常需要通过仿真模拟来确定微网的投资、施工和运营策略。下面介绍美国研究机构开发的微网软件工具,侧重说明这些软件的功能。这些软件是公开发布的,已经得到了广泛运用。3.1 DER-CAM/DeepDER-CAM(distributed energy resource,customeradoption model)是由美国伯克利国家实验室开发的微网优化工具[25]。由它衍生出来的其他工具,如DEEP和MODER又进一步添加了区域层面的采暖和制冷以及需求响应等功能。DER-CAM建立在GAMS平台上,采用整合式的线性编程,可以对微网系统的技术配置进行优化模拟,整合分布式资源和电力、采暖以及制冷负荷。该工具的主要优化目标是最小化系统的成本或碳排放,也可以进行多目标优化。该工具按照系统的稳定状态进行计算,不包括过渡和瞬时状态,也不考虑电能和热能质量的变化。用户需要输入天气和技术数据。虽然该工具是一个线性工具,但是微网系统的非线性表现可以通过分段性的线性化在工具中体现。DER-CAM可以对微网的孤岛模式和与大电网相连的模式进行模拟,微网也可以购买或出售电力和热能[26-27]。3.2 HOMERHOMER(hybrid optimization model for multipleenergy resources)是由美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)开发的微网仿真工具,用于模拟小规模微网系统设备的运行状态[28]。该工具的建模方式与DER-CAM类似,旨在最小化微网系统的投资和生命周期内的运行成本。该工具可以对一年内的运行状态进行模拟和优化,也可以对输、配电网进行建模。同时,该工具可以进行敏感性分析,比较微网的技术经济性能。HOMER是侧重于电力建模的软件,不包含采暖和制冷技术,也不包含对采暖和制冷负荷的计算。作为目前最受欢迎的微网建模工具,HOMER的界面是用户友好型的,现在已开发了多个版本,针对功能有不同的版权。3.3 MDTMDT(microgrid design toolkit)是由美国Sandia国家实验室开发的软件工具,得到了美国能源部微网研究的支持[29]。该工具旨在为微网系统规划提供早期阶段的决策分析。用户可以在工具中搜寻不同的微网技术配置,从而分析不同的微网系统成本、性能和稳定性。该工具有两大主要功能(1)工具的微网规模功能是基于混合整数线性编程优化,从而确定微网的规模。(2)通过技术管理优化和性能稳定性模型计算微网在孤岛模式下的性能。与其他美国能源部的工具不同的是,该工具的强项是对微网稳定性的计算,提供成本和稳定性之间的比较分析。该工具已广泛应用于美国能源部微网示范项目中。3.4 SGCT在美国能源部ARRA的资金支持下,SGCT(smart grid computation tool)通过电力研究机构(Electric Power Research Institute)开发,其目的是中国电力第 52 卷98支持ARRA的智能电网示范项目并提供成本效益分析[13]。该工具需要用户定义电力配送设备,此外,该工具自带了20项智能电网和微网常用的电力设备(如电力储存设备)[8]。SGCT提供15项智能电网技术的常用功能,能够计算智能电网系统带来的收益,并计算净现值。与以上介绍的工具不同的是,该工具是技术经济分析工具,侧重于系统长期的成本效益分析,而不是基于技术和能源平衡的优化或仿真。3.5 GridLAB-DGridLAB-D是由太平洋西北国家实验室开发的基于主体的智能电网仿真工具。它可以模拟并计算智能电网或微网中大规模的独立设备,软件旨在提供模块化的仿真,便于用户建立并模拟客户端定制的电网技术[30]。该工具不仅可以模拟分布式电力网络,还可以模拟输配电网,包括电力系统的主要组成部分如输配电线、变压器、电压调节器、保险、开关、并联电容器等。基于主体的仿真使该工具可以对设备层面的性能进行模拟,这是上面提到的其他工具无法做到的。该工具可以进行许多与微网相关的仿真,如需求响应、电压调节、微网弹性模拟、分布式电池能量储存和控制、微网能源管理和降低峰值负荷等。该工具可以与其他仿真软件集成,如Matlab和Voltron,进行电网集成等控制模拟。表1对比了上面提到的各种软件工具。总体来说,美国微网开发工具的功能表现出的趋势包括(1)微网的仿真已经从传统的基于电力系统的模拟和优化转向电力和热能全面集成的模拟。(2)软件工具已经从能源系统的技术仿真转向技术经济分析的模拟。成本效益的分析和计算结果满足不同层面控制系统的需求,为微网设计和运行的可行性提供了建议。(3)微网系统的稳定性仿真已经成为一个重要领域。对系统成本效益、是否可行以及弹性程度进行对比和可行性分析是微网项目开发的关键,这就要求软件工具能够在超出能源和成本之外的领域,仍有提供计算分析的能力。4 美国微网发展的商业模式微网目前正在快速发展,发展状态呈模块式,有多种多样的配置类型,没有哪一个单一的商业模式占据主导地位。依据归属所有形式、运营服务方式和计费管理机制的差别,当前美国主要的微网商业模式可以归纳为多元主体、灵活服务和弹性管理3种模式。4.1 多元主体综合能源微网在不同场景下允许拥有多元化的所有主体。如客户可以直接拥有微网,对项目的各个方面拥有直接掌控权,包括融资、建设、拥有、运营和管理。该模式提供的回报潜力最大,但也为客户带来了最大的融资风险。客户拥表 1 美国开发的分布式能源微网软件功能对比Table 1 Comparison of distributed energy resource system software developed in the U.S软件DERCAM/DEEP HOMER GridLAB-D MDT SGCT算法MILP优化仿真,优化基于主体的仿真MILP优化,仿真和遗传算法搜索计算线性线性线性和非线性线性和非线性线性线性气候数据用户输入有有没有没有成本运算有有有有有设备数据部分有有部分部分孤岛模式有有有有有电能质量没有没有有有有热能质量没有没有没有没有没有需求响应有有有有有稳定状态有有稳定状态和过渡状态有有多目标有有没有有有随机/敏感性有有没有有有第 6 期 冯威等美国分布式综合能源微网系统发展99有项目的所有权的同时,也需要负责为项目融资,第三方负责微网的建设和运行,项目回报的一部分从客户转移到第三方。微网也可以归属于电力公司。因为电力公司也希望在遇到极端气候时能够加强电网运行,利用更好的方式管理和保障旗下的负荷。因此,电力公司希望找到更具经济性的投资方式,而非传统的输配电投资。目前该种归属模式的难点是如何明确所有制结构,如何获得投资回报以及如何为微网利益相关方提供具有吸引力的项目优势。如波特兰电力公司(Portland General Electric)是一家位于美国俄勒冈州波特兰市的投资者所有的公共事业公司。波特兰电力公司参与投资了Salem智能电力中心微网项目。该项目总投资共2 000万美元,其中50的投资来自美国能源部,另外50的投资来自波特兰电力公司及其主要技术合作伙伴(EnerDel,Eaton和Alstom)[31]。Salem智能电力中心占地8 000平方英尺,在波特兰电力公司Salem变电站附近,用于帮助电力公司理解微网以及提升电力公司的技术能力,包括如何整合储能装置、智能电网技术和微网资源。该中心的微网系统包含5 MW的锂电池-逆变器系统,能够存储1.25 MW·h的能源,并集成了商业及客户端的太阳能。该微网项目最早是美国能源部太平洋西北智能电网的示范项目之一,2015年示范项目结束以后,波特兰电力公司继续使用该设施[32]。此外,电力公司和客户可以分别部分拥有微网系统。如圣地亚哥电气公司(San Diego Gas andElectric Company)的微网系统之一位于加利福利亚洲的Borrego Springs,该微网涵盖2 800个住户,电力公司拥有配电设施,当地客户拥有分布式能源[32]。该项目获得了美国能源部提供的750万美元。该项目总投资超过1 520万美元,其中电气公司提供了410万美元,加州能源委员会提供了280万美元,其他项目合作方提供了80万美元。项目的装机容量为4 MW,包括1.8 MW柴油机组,一个500 kW/1 500 kW·h电池,50 kW·h电池,6个4 kW/8 kW·h家用储能系统,700 kW屋顶光伏太阳能以及连接125个家庭区域的网络系统。该微网的控制系统包括数据采集系统(supervisory control and data acquisition,SCADA)、馈线自动化技术系统(feeder automation systemtechnologies,FAST)、停电管理系统和基于价格的电荷管理系统[32]。4.2 灵活服务根据运营方式微网可以灵活提供多种服务,如购电(Power purchase,PP)、硬件服务(Hardwareas a Service,HaaS)、软件服务(Software as a Service,SaaS)和租赁服务等。基于上述微网灵活的所有制结构,客户、电力公司和其他融资方能够进行战略合作并最大限度地抓住市场机遇,机构能够使用微网而不必先投资。同时,客户只支付所使用的能源的费用,而不用支付基本费用(demand charges)。通常来说,在美国,这种模式是通过“电力购买协议”(power purchase agreement)实现的。电力购买协议是能源生产商和能源购买方签订的协议。在指定的时间内,客户同意购买全部或者一部分微网生产的能源。第三方拥有或者租赁微网,并在指定时间内负责微网的运营和维护。因此,在该协议下,运营和维护的责任以及微网的风险从客户方转移到第三方。施耐德电气(Schneider Electric)和杜克能源(Duke Energy)为美国马里兰州Montgomery县提供2个集成太阳能和热电联产的先进微网[33]。该项目寿期25年,杜克能源的可再生能源公司将拥有并运营系统。施耐德电气负责设计、方案实施、系统修建和维护。通过微网服务模式,Montgomery县可以完成该项目而不用先期投资,并通过特别的电力购买合同获得更低价的清洁能源。施耐德电气为该项目投资600万美元,杜克能源投资1 000万美元。HaaS方面,设备和硬件供应商只负责为微网项目提供设备和硬件,主要是销售储能装置、智能电表和各类分布式能源相关的设备和硬件。同时,此行业的一些公司也积极与伙伴公司开展合作,更好地整合项目的网络、优化和控制。比如,康明斯(Cummins,清洁柴油系统制造商)建立了多个合作伙伴,如SunEdison(光伏太阳能),Northern Power System(风能)和Tangent(控制),从而为客户提供更全面的解决方案。SaaS与HaaS正相反,项目供应商只为微网项目提供软件服务。例如,Power Analytics公司为微网项目提供软件服务,优化项目运行特性。提供中国电力第 52 卷100的软件服务包括3个软件包(1)虚拟连接所有项目的组成部分和数据来源,从而优化配置不同的技术选项;(2)建立可定制的客户端仪表盘;(3)对实时维修进行仿真并创建不同情景,在项目上线之前进行模拟。租赁模式下,租赁方拥有微网。在指定的时间内,租赁方将微网租借给客户。客户负责微网的运营和管理并可以使用微网生产的所有能源。客户通过一系列的租赁还款,向租赁方支付费用(无论微网的性能表现如何)。例如,美国海军和亚利桑那州公共服务局在亚利桑那州Yuma的海军陆战队空军基地合作建立了一个微网。在该微网项目中,美国海军将土地租赁给亚利桑那州公共服务局30年,用于微网项目的开发、运营和维护。亚利桑那州公共服务局负责建立、拥有、运营和维护微网。该微网包括一个25 MW柴油发电机组,提供快速可靠的能量供应。此外,该微网也为海军陆战队空军基地提供100的备用电源,保证了海军陆战队空军基地能够100地应对外部电网断网的情况。同时,该微网也可以向大电网提供电力,支持当地亚利桑那州公共服务局的客户。美国海军也在考虑将燃料电池和可再生能源加入微网项目中。4.3 弹性管理依据计费管理机制的不同,微网的投资管理模式也可以调整,如可以签订能源合同,能源服务公司提供资金实施项目,并通过项目成本节省量收回项目投资。许多能源服务公司会对节省量进行担保。该模式适合融资困难的客户以及缺乏内部技术支撑的客户。例如,亚利桑那州立大学和Ameresco公司制订了多年、多阶段的项目合作伙伴计划,旨在提高大学的能源效率和基础建设。多年来,双方合作了很多项目,通过能源合同管理模式进行融资。如建设8 MW的热电联产设施、更换制冷机组、修建冷却塔、安装太阳能光伏系统及建立精简优化的配电模型等[34]。亚利桑那州立大学拥有这些项目的所有权,Ameresco公司负责这些项目的实施(包括设计、分析、施工和管理以及支持服务)。另一种灵活的付费形式为现付现收,比较适用于发展中地区规模较小的微网系统。现付现收从每周付费、价格固定到可以在任何时候付费、支付费用可以不定。客户如果不付款,则停止能源服务。该模式为低收入群体改善了能源服务的质量,提供了更多的能源选择。比如,印度的SimpaNetworks公司,提供可移动的家用太阳能系统,包括两三盏LED照明灯,一个40 W的太阳能板,以及一个26 A·h的电池。客户像购买手机服务(通过预付卡购买)一样购买电力。同时,允许这些小额付款叠加起来,充当整个家用太阳能系统的成本。一旦付完,客户就拥有整个系统,可免费享受清洁电力[35]。此外,微网项目的设计、修建、运营、拥有和维护的各个环节也可以涵盖在一起,即一站式模式。第三方(私有公司或公共事业/电力公司)为客户提供这种一站式的服务。反过来,客户也可以进行这种一站式的采购。例如,西门子公司(Siemens)提供全面的微网解决方案,包括融资、技术顾问、先进电网技术、能源生产、运营和维护以及数据采集系统。位于加拿大安大略省的PowerStream电力公司也提供类似的一站式服务的解决方案。5 结语分布式综合能源微网的建设需要适宜的政策支持,先进的软硬件技术以及成熟可持续的商业模式。从美国综合能源微网的建设来看,微网从早期对单一分布式能源技术的示范,转向系统层面的示范和评价;近期微网建设以应对灾害能力为主要考量因素。从美国示范项目建设的经验中,发现成熟的商业模式对于先进技术的推广和可持续运行非常重要。分布式综合能源微网是大电网的重要组成部分,也可以为大电网的稳定运行提供有力的辅助服务。如何将分布式综合能源微网和大电网更好地集成在一起,也将是未来一个重要的研究方向。参考文献MICHAEL P. The American council of engineering companies,environment and energy committee winter meeting[EB/OL]. 2017-02-09[2019-01-08]. https// 6 期 冯威等美国分布式综合能源微网系统发展101CIGRÉ Working Group C.22. Microgrids 1, Engineering, Economics,2. State Grid Energy Research InstituteCo., Ltd., Beijing 102209, China; 3. North China Electric Power University, Beijing 102206, ChinaAbstract This paper provides definitions of distributed energy microgrid system. Firstly, it reviews U.S. past ten years’ experienceon developing microgrid demonstration projects and policies from federal government to local cities and utility companies. Then, itcompares key simulation software developed through U.S. microgrid research. Finally, this paper introduces different businessmodels of distributed energy microgrid construction often adopted in the U.S. market. The goal of this research is to review U.S.distributed energy microgrid research and provide useful experience to China on comprehensive energy-internet demonstration.Keywords distributed energy; integrated energy service; microgrid; commercial mode; demonstration project; software tool; U.S.第 6 期 冯威等美国分布式综合能源微网系统发展103