美國分布式綜合能源微網系統發展.pdf

美國分布式綜合能源微網系統發展馮威1，魯虹佑1，Chris Marnay1，張寧2，郭尊1,31. 美國勞倫斯伯克利國家實驗室，加利福尼亞 伯克利 94720；2. 國網能源研究院有限公司，北京 102209；3. 華北電力大學，北京 102206摘 要闡述了綜合能源微網的定義，首先梳理了美國各級政府以及電力公司和電力市場對于推動微網建設的政策和示范工程，介紹了美國在近十多年來開發分布式綜合能源微網的經驗。進而對綜合能源微網的控制方法，及美國在此期間開發的模擬仿真軟件進行了介紹和對比。最后介紹了美國綜合能源微網建設和運營的主要商業模式。旨在通過介紹美國綜合能源微網的發展，為中國綜合能源系統和能源互聯網示范項目建設提供參考。關鍵詞分布式能源；綜合能源服務；微網；商業模式；示范項目；軟件工具；美國中圖分類號 TM73 文獻標志碼 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019040560 引言分布式綜合能源微網（下簡稱微網）可以從分布式能源和控制系統2個角度來定義。美國能源部把微網定義為一組互連的負荷和分布式能源，是在明確定義的電氣邊界內的單一可控的實體。微網可以連接到電網，也可以與電網斷開，因此可以在電網連接下或者孤島模式下運行[1]。國際大電網會議（CIGRE）把微網定義為微網是分布式的電力系統，包括負荷和分布式能源（如分布式發電機組、儲存設備或可控制的負荷）。微網在可控制的方式下運行，可以連接到電力網絡或者孤島模式下運行[2]。這兩種定義說明微網的特征包括（1）微網是分布式能源和負荷的集合；（2）微網系統必須在與電網連接的狀態下或者在孤島模式下可控。目前，微網項目在世界各國快速發展。全球微網裝機容量的40都來自亞太地區。日本是微網發展的領先者。日本新能源產業技術綜合開發機構（New Energy and Industrial TechnologyDevelopment Organization）為全球許多微網項目提供研發和示范[3]，側重于提供新能源解決方案、新技術以及具有更高穩定性和彈性的控制系統。在極端天氣場景下，日本的示范項目也取得了優異的成果。同時，隨著歐盟研發和示范項目的發展，目前微網系統的發展模式主要有孤島運行模式、偏遠地區模式、電力公司規模的多微網模式以及微網系統的控制運行模式。十二五（20112015年）期間中國微網的發展也開始起步，主要目標是發展分布式清潔能源，降低中國對大型煤電的依賴，減少污染排放，提高空氣質量，期間中國修建了30個微網示范項目；這一工作在十三五（20162020年）期間得到了進一步延續和發展。微網項目的運行模式被進一步細分為3類孤島模式、偏遠模式和城市模式，并對每一類微網在中國實施提出了建議[4]。與此同時，世界上34的微網項目集中在美國以及北美地區。美國微網發展的主要驅動力來自終端用戶對安全性和穩定性需求的上升以及美國“大電網”的“老化”[5]。過去10年美國政府和業界建立了支持微網發展的政策和示范項目，開展控制系統研究，開發了一系列軟件工具。美國微網示范項目快速發展，得益于2方面（1）低廉的天然氣是早期示范項目快速發展的一個主要推動力。尤其是對于電力價格偏高的地區，由于微網項目中天然氣和電力的價格差，分布式天然氣發電得到了廣泛推廣。（2）對可再生能源和清潔能源的需求。大量的微網項目以利用可再生能源和降低碳排放為發展目標，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 期中國電力Vol. 52, No. 62019 年 6 月ELECTRIC POWER Jun. 201994比例也成為地方政府和聯邦政府制訂政策的原則之一。在美國，分布式能源在電力市場中也扮演著重要的角色。微網通過提供輔助服務，不僅參與了大電網運行，也為其自身的發展提供了更多的幫助[6]。與此同時，由于近年來美國東岸的颶風影響到大電網運行，公眾和電力公司都注意到了微網系統的穩定性和靈活性。為了促進微網示范項目的發展，美國各級政府制訂了多種政策，建立了研發項目，開發了軟件和工具，為項目提供資金支持，并為分布式能源建立財稅上的獎勵機制[3]。地方電力公司也更加重視微網項目與大電網的結合，以實現微網為大電網提供的輔助服務[7]。上述背景下，本文首先回顧了美國各級政府制訂的鼓勵微網發展的政策，然后評估了各層面政策指導下的示范項目。此外，本文詳細介紹了美國微網示范項目中采用的技術和控制系統，以及美國微網設計和運行中使用的軟件工具。最后，本文具體分析了美國微網發展的商業模式。1 美國分布式綜合能源微網的政策與演化1.1 聯邦政府的政策美國聯邦政府的政策旨在促進微網系統的研發，提供更穩定、更靈活、更高效、更有彈性、更有經濟性和更安全的電力系統。美國能源部的電力輸送和能源穩定性辦公室（Office of ElectricityDelivery and Energy Reliability）是負責支持微網研發項目的核心部門。在美國能源部的支持下，過去10年美國開發建立了許多微網設計和經濟分析工具以及系統測試和示范項目，其中很多項目都與美國國防部相關[8-9]。美國能源部的第1個微網項目是2008年實施的分布式可再生系統集成項目（RDSI）[10]。該項目共包含9個示范項目（見圖1中的綠色標識），項目資金共1億美元，一半資金由美國能源部提供。項目的目標是降低至少15的峰值負荷[10]，其中位于加州的2個項目（Santa Rita監獄和Borrego Springs項目）獲得了加州能源委員會的資金支持并取得顯著成效，目前仍在使用[11]。從2010年開展的能源穩定和安全智能電力設施示范項目（SPIDERS），由美國能源部和美國國防部支持，旨在為偏遠地區的軍事基地提供具有穩定性好和機動性強的電力。項目最初的3個微網分別位于夏威夷的Hickam空軍基地和CampSmith以及科羅拉多州的Fort Carson。隨著微網理論和技術的逐步完善和實施，其他軍事基地的微網項目也發展起來，這些微網系統已成為向軍事設施供電的標配系統[12]。圖1中的紅色標識即為這些項目[10]。WashingtonOregonldahoNeuadacalrrorniaArizona New MexionCoeradoUtahWyomingMontana North DakotaSouth DakotaNebraskaKansasKlahomaTexasHawanAlaska LouisianaMissArkansasMissourilowaMinnesotaWisconsinlllinois IndianaKentuckyTenneseeAlabamaGeoorgiaFloridaSouth Carolina研發試驗臺 屬于美能源部；研發試驗臺 不屬于美國能源部；DOE/DOD 評估與示范項目；DOD ESTCP；峰荷降低；ARRA SGDP；工業/公用事業/大學/其他聯邦機構North CarolinaWestVirgin VirginiaObjoD.C.DelawareNew JerseyPennsyluaniaConn.R.l.Mass.N.H.vt.New YorkMaineMichinan圖 1 美國聯邦政府微網項目Fig. 1 Microgrid projects of federal government in U.S.第 6 期 馮威等美國分布式綜合能源微網系統發展95另外一個推動美國微網項目發展的聯邦政策是2009年頒布的美國復蘇與再投資法案（ARRA）。法案提供大約40億美元的智能電網資金，大大加速了許多項目的發展。包括上文提到的RDSI項目（Borrego Springs和加州大學爾灣分校的微網項目）。ARRA法案推行的這些項目側重于表現對微網發展至關重要的諸多技術的示范作用，如儲能技術等。綜合性的微網項目目前只實施了一個，即位于美國俄勒岡州Salem的波特蘭電氣項目，該項目是美國太平洋西北智能電網示范項目的一部分[13]。美國能源部制訂了開發下一代具有商業規模的微網系統的目標，即顯著降低微網與系統解列的頻度（至少降低98），提升經濟競爭力，降低污染排放量，并提升系統效率。為了實現這一目標，美國能源部工作的中心對示范項目中的專項系統進行了系統整合。整合的重點是發展先進的微網控制器和建立先進微網的標準[14]。這一轉型也與微網標準化和運行復雜度的需求相一致，也促使能源部電力輸送和能源穩定性辦公室開展了8個微網控制器項目的研發，能夠適應各種類型和地區的微網運行需要。此外，為了支持微網示范項目和適應系統整合需求，為微網項目提供貸款保證，加速推廣創新性清潔能源技術，美國能源部在2005年通過了美國能源政策法案，并在2015年提供了超過10億美元的貸款，以支持符合要求的分布式能源項目（如光伏、風能、熱電聯產和儲能技術）的發展[8]。美國聯邦政府也對采用微網技術（如光伏、熱電聯產和電動車）的客戶給予稅收優惠政策[10]。另外，美國能源部也提供一定的技術支持。如美國能源部的熱電聯產技術支持伙伴項目推動了全美國的熱電聯產、余熱發電和區域能源概念和技術的發展。熱電聯產技術支持伙伴項目提供的服務包括市場分析、教育和推廣及技術支持。1.2 州級和地方級的政策美國地方微網政策的主要驅動力來自不斷提高的可再生能源標準（renewable portfoliostandards）、可再生能源目標以及對電力系統彈性的重視[15]。目前，美國29個州和華盛頓特區均實施了可再生能源標準，還有8個州制訂了可再生能源目標。2012年美國桑迪颶風席卷美國東北部，微網系統在颶風中表現特別突出，地方政府更加認識到微網對提高電力系統彈性的重要程度。因此，美國紐約州實施了Prize項目推廣微網。該項目由美國紐約能源研究和發展署（StateEnergy Research and Development Administrations）管理，總共提供6000萬美元的獎勵，分3階段進行。第1階段是可行性研究（于2016年完成），共完成了83項微網項目的可行性研究，重點研究微網如何保護公共設施，尤其是緊急服務設施的運行[16]。除此之外，加州微網的研究和示范項目也取得了很大突破。加州制定的可再生能源利用標準是其微網發展的主要動力，目標是到2030年州內電力的50來自可再生能源。同時，加州的建筑標準也規定到2020年所有的新建居住建筑都必須是零能耗建筑，到2030年所有新建商業建筑也必須實現零能耗。因此，加州積極利用聯邦政府、州政府和地方電力公司的資源，鼓勵發展微網項目。如加州能源委員出資4 500萬美元對成功的、可復制、可商用的微網項目進行獎勵。截至2018年7月，9個項目已獲得獎勵，每個項目將持續三四年[17]。裝設微網可獲得州政府提供的州稅優惠政策。例如，為農場設施和機械設備提供電力的太陽能微網項目可以獲得州稅優惠。此外還有部分財政獎勵，如太陽能電力購買合同和資產評估性清潔能源貸款（property assessed clean energy，PACE），均為鼓勵加州的民用和商業建筑采用分布式能源的措施。太陽能電力購買合同指當客戶購買第三方所有、運營和維護的客戶地產上的太陽能光伏系統提供的電力時，支付的電價通常比當地電網的電價更低。太陽能電力購買合同在其他州也得到了廣泛應用，如亞利桑那州、科羅拉多州、紐約州和新澤西州。PACE模式為民用建筑、商業建筑以及工業建筑提供能效或可再生能源融資。目前，大約有40個州實施了PACE模式。1.3 電力公司和獨立系統運營商（ISO）的項目電力公司已經著手開發自己的微網項目，也稱為微型網（Milligrids）。通常為一些微網技術（如小型可再生能源和電池）提供財政獎勵和折扣或通過州政府的自發電獎勵項目（self-generationincentive program，SGIP）[18]進行獎勵。中國電力第 52 卷96電力公司通過可再生能源上網電價手段開發小規?？稍偕茉矗ㄌ柲?、風能、13 MW生物質發電）。如可再生能源市場調節價格項目（ReMat），為小于3 MW的可再生能源系統提供上網電價，已應用于太平洋電氣公司（Pacific Gasand Electric）、南加州艾迪遜電氣公司（SouthernCalifornia Edison）和圣地亞哥電氣公司（San DiegoGas and Electric）的服務區域。另外，凈計量電價項目（net metering program）為自發電系統提供財政獎勵的同時抵消一部分客戶電耗。凈計量項目使得微網用戶可以出售多余的電量。同時，各種微網系統采用了很多不同的技術和先進的控制系統，使得微網可以參與到電力市場中，提供如快速頻率響應等輔助服務。通過需求響應和輔助服務，微網得以與美國開放的電力市場進行交易。加州太陽能計劃（California solar initiative）為加州使用太陽能系統的現有居住用戶以及現有和新建的商業、工業、政府、非營利機構和農業建筑提供返現（退還一部分現金）獎勵。這些獎勵在3個電氣公司的轄區內實施太平洋電氣公司（Pacific Gas and Electric）、南方加州艾迪遜電氣公司（Southern California Edison）和圣地亞哥電氣公司（San Diego Gas and Electric）。加州太陽能計劃由加州ISO管理，由加州公共事業委員會監管。自2007年建立至2016年，加州太陽能計劃的預算已超過20億美元，顯現了加州政府對太陽能計劃的高度重視[18]。加州公共事業委員會通過了加州的自發電獎勵項目（self-generation incentive program，SGIP），允許加州ISO為符合要求的分布式能源系統提供獎勵。這些系統通常安裝在用戶側，包括風能發電、余熱發電、減壓渦輪機、內燃機、微型渦輪機、燃氣輪機、燃料電池和先進儲能系統等[19]。自2001年建立以來，目前該項目已預算到2019年底。截至2015年底，SGIP為1 144個已完成的項目提供了6.56億美元，項目裝機總量超過440 MW（還不包括太陽能項目）[19]。2 微網的控制系統和方法微網的控制是一項多目標的復雜系統工程，需要考慮不同技術領域，在不同時間階段以及不同物理層面的各種問題。微網的控制系統旨在為各種運行模式（如與大電網相連接的模式、孤島模式，以及介于兩者之間的過渡階段）的微網提供控制、管理和優化服務。美國電氣和電子工程師協會（IEEE）p2030.7工作小組將微網控制的功能分成三大類[13]（1）設備層面的控制（主控制）。包括電壓/頻率控制、分布式發電機組的就地控制、儲能調節、負荷及其保護。（2）地方區域監控（二級控制）。包括負荷和能源管理、各種模式下電力調度的經濟性、自動發電控制、旋轉備用發電容量、快速甩負荷以及其自同步。（3）電網交互控制（三級控制）。包括參與市場交易、從電力公司到微網的電力流、多微網間的協調。以上3種控制有各自的運行區域。因此，需要建立一個復雜而有序的控制體系來滿足各類需求。設備層面的主要控制基于當地的量測數據，以穩定微網電壓和頻率為目標，響應時間通常在微秒級到秒級之間的時間尺度內。已有一些新的應對電壓和頻率下降的方式，如可調節的負荷共享模式等[20]，以解決傳統的應對方式中存在的在過渡階段表現較差的問題。靈活的儲能系統和靈活的負荷也可以用來增強微網的穩定性。二級控制，如當地區域控制和監督控制，響應時間通常在秒級到日級別的時間區間，負責保證各種模式下的微網可靠、安全和經濟地運行[21]。二級控制可分為中央控制和非中央控制2類。中央控制的特點是微網的運行人員是決策的主要制訂者。運行人員根據微網狀態的相關信息，決定微網電源控制器的最優設定點[21]。利用中央控制系統，美國Santa Rita監獄的微網可以在實現其經濟目標的同時，滿足微網在不同模式下（與大電網相連和孤島模式）對穩定性的要求。美國國家可再生能源研究室、美國電氣可靠性技術協會、Sandia國家實驗室、伯克利國家實驗室和其他機構開發了一系列機制，旨在解決電力調度的經濟性和頻率/電壓調節的問題。非中央的控制系統基于多主體的系統理論[21]，目前得到了更多的應用。其核心理念是通過對多個主體的協調，實現在制定任務上的合作，從而達到整體系統的目標。Sandia國家實驗室的報告詳細說明了多主體第 6 期 馮威等美國分布式綜合能源微網系統發展97技術在微網控制中的應用[22]。雅典國家技術大學實驗室也通過實踐證明了多主體系統技術在微網控制中的優勢。三級控制在多微網合作的區域內，以及微網與大電網的交互中實現。主要的控制內容與追求經濟利益的能源市場相關（如輸入或輸出能源或輔助服務）。信息障礙和不同機構之間的溝通是進行多微網控制的主要問題。分等級的控制系統架構已經在多個微網項目中得到應用。在伊利諾伊技術所（Bronzeville）分所的微網中，等級式的控制系統結構用于支持頻率調節。低層的控制器管理不同微網中的頻率和電壓，而高層的控制器管理微網之間的電力交易[23]。美國費城Navy Yard的微網項目采用了不同種類的分布式發電機組和儲能裝置，控制器可以對其運行成本和能效進行優化[24]。Schweitzer工程實驗室開發的微網控制系統能夠實現的功能包括就地功率因數控制、分布式發電共享和優化、甩負荷、負荷管理、雙向電流管理、降低峰值、孤網控制、電網自同步、監測和預警等[24]。該微網控制系統已經在世界范圍內成功安裝和使用。此外，美國國家可再生能源實驗室也從Schweitzer工程實驗室中選擇了一套微網控制系統安裝在他們的“綜合能源系統”設施中。3 美國微網研究的軟件和工具美國開發了多個軟件工具用于支持微網項目的研發和運行。示范項目通常需要通過仿真模擬來確定微網的投資、施工和運營策略。下面介紹美國研究機構開發的微網軟件工具，側重說明這些軟件的功能。這些軟件是公開發布的，已經得到了廣泛運用。3.1 DER-CAM/DeepDER-CAM（distributed energy resource，customeradoption model）是由美國伯克利國家實驗室開發的微網優化工具[25]。由它衍生出來的其他工具，如DEEP和MODER又進一步添加了區域層面的采暖和制冷以及需求響應等功能。DER-CAM建立在GAMS平臺上，采用整合式的線性編程，可以對微網系統的技術配置進行優化模擬，整合分布式資源和電力、采暖以及制冷負荷。該工具的主要優化目標是最小化系統的成本或碳排放，也可以進行多目標優化。該工具按照系統的穩定狀態進行計算，不包括過渡和瞬時狀態，也不考慮電能和熱能質量的變化。用戶需要輸入天氣和技術數據。雖然該工具是一個線性工具，但是微網系統的非線性表現可以通過分段性的線性化在工具中體現。DER-CAM可以對微網的孤島模式和與大電網相連的模式進行模擬，微網也可以購買或出售電力和熱能[26-27]。3.2 HOMERHOMER（hybrid optimization model for multipleenergy resources）是由美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）開發的微網仿真工具，用于模擬小規模微網系統設備的運行狀態[28]。該工具的建模方式與DER-CAM類似，旨在最小化微網系統的投資和生命周期內的運行成本。該工具可以對一年內的運行狀態進行模擬和優化，也可以對輸、配電網進行建模。同時，該工具可以進行敏感性分析，比較微網的技術經濟性能。HOMER是側重于電力建模的軟件，不包含采暖和制冷技術，也不包含對采暖和制冷負荷的計算。作為目前最受歡迎的微網建模工具，HOMER的界面是用戶友好型的，現在已開發了多個版本，針對功能有不同的版權。3.3 MDTMDT（microgrid design toolkit）是由美國Sandia國家實驗室開發的軟件工具，得到了美國能源部微網研究的支持[29]。該工具旨在為微網系統規劃提供早期階段的決策分析。用戶可以在工具中搜尋不同的微網技術配置，從而分析不同的微網系統成本、性能和穩定性。該工具有兩大主要功能（1）工具的微網規模功能是基于混合整數線性編程優化，從而確定微網的規模。（2）通過技術管理優化和性能穩定性模型計算微網在孤島模式下的性能。與其他美國能源部的工具不同的是，該工具的強項是對微網穩定性的計算，提供成本和穩定性之間的比較分析。該工具已廣泛應用于美國能源部微網示范項目中。3.4 SGCT在美國能源部ARRA的資金支持下，SGCT（smart grid computation tool）通過電力研究機構（Electric Power Research Institute）開發，其目的是中國電力第 52 卷98支持ARRA的智能電網示范項目并提供成本效益分析[13]。該工具需要用戶定義電力配送設備，此外，該工具自帶了20項智能電網和微網常用的電力設備（如電力儲存設備）[8]。SGCT提供15項智能電網技術的常用功能，能夠計算智能電網系統帶來的收益，并計算凈現值。與以上介紹的工具不同的是，該工具是技術經濟分析工具，側重于系統長期的成本效益分析，而不是基于技術和能源平衡的優化或仿真。3.5 GridLAB-DGridLAB-D是由太平洋西北國家實驗室開發的基于主體的智能電網仿真工具。它可以模擬并計算智能電網或微網中大規模的獨立設備，軟件旨在提供模塊化的仿真，便于用戶建立并模擬客戶端定制的電網技術[30]。該工具不僅可以模擬分布式電力網絡，還可以模擬輸配電網，包括電力系統的主要組成部分如輸配電線、變壓器、電壓調節器、保險、開關、并聯電容器等?；谥黧w的仿真使該工具可以對設備層面的性能進行模擬，這是上面提到的其他工具無法做到的。該工具可以進行許多與微網相關的仿真，如需求響應、電壓調節、微網彈性模擬、分布式電池能量儲存和控制、微網能源管理和降低峰值負荷等。該工具可以與其他仿真軟件集成，如Matlab和Voltron，進行電網集成等控制模擬。表1對比了上面提到的各種軟件工具?？傮w來說，美國微網開發工具的功能表現出的趨勢包括（1）微網的仿真已經從傳統的基于電力系統的模擬和優化轉向電力和熱能全面集成的模擬。（2）軟件工具已經從能源系統的技術仿真轉向技術經濟分析的模擬。成本效益的分析和計算結果滿足不同層面控制系統的需求，為微網設計和運行的可行性提供了建議。（3）微網系統的穩定性仿真已經成為一個重要領域。對系統成本效益、是否可行以及彈性程度進行對比和可行性分析是微網項目開發的關鍵，這就要求軟件工具能夠在超出能源和成本之外的領域，仍有提供計算分析的能力。4 美國微網發展的商業模式微網目前正在快速發展，發展狀態呈模塊式，有多種多樣的配置類型，沒有哪一個單一的商業模式占據主導地位。依據歸屬所有形式、運營服務方式和計費管理機制的差別，當前美國主要的微網商業模式可以歸納為多元主體、靈活服務和彈性管理3種模式。4.1 多元主體綜合能源微網在不同場景下允許擁有多元化的所有主體。如客戶可以直接擁有微網，對項目的各個方面擁有直接掌控權，包括融資、建設、擁有、運營和管理。該模式提供的回報潛力最大，但也為客戶帶來了最大的融資風險?？蛻魮肀?1 美國開發的分布式能源微網軟件功能對比Table 1 Comparison of distributed energy resource system software developed in the U.S軟件DERCAM/DEEP HOMER GridLAB-D MDT SGCT算法MILP優化仿真，優化基于主體的仿真MILP優化，仿真和遺傳算法搜索計算線性線性線性和非線性線性和非線性線性線性氣候數據用戶輸入有有沒有沒有成本運算有有有有有設備數據部分有有部分部分孤島模式有有有有有電能質量沒有沒有有有有熱能質量沒有沒有沒有沒有沒有需求響應有有有有有穩定狀態有有穩定狀態和過渡狀態有有多目標有有沒有有有隨機/敏感性有有沒有有有第 6 期 馮威等美國分布式綜合能源微網系統發展99有項目的所有權的同時，也需要負責為項目融資，第三方負責微網的建設和運行，項目回報的一部分從客戶轉移到第三方。微網也可以歸屬于電力公司。因為電力公司也希望在遇到極端氣候時能夠加強電網運行，利用更好的方式管理和保障旗下的負荷。因此，電力公司希望找到更具經濟性的投資方式，而非傳統的輸配電投資。目前該種歸屬模式的難點是如何明確所有制結構，如何獲得投資回報以及如何為微網利益相關方提供具有吸引力的項目優勢。如波特蘭電力公司（Portland General Electric）是一家位于美國俄勒岡州波特蘭市的投資者所有的公共事業公司。波特蘭電力公司參與投資了Salem智能電力中心微網項目。該項目總投資共2 000萬美元，其中50的投資來自美國能源部，另外50的投資來自波特蘭電力公司及其主要技術合作伙伴（EnerDel，Eaton和Alstom）[31]。Salem智能電力中心占地8 000平方英尺，在波特蘭電力公司Salem變電站附近，用于幫助電力公司理解微網以及提升電力公司的技術能力，包括如何整合儲能裝置、智能電網技術和微網資源。該中心的微網系統包含5 MW的鋰電池-逆變器系統，能夠存儲1.25 MW·h的能源，并集成了商業及客戶端的太陽能。該微網項目最早是美國能源部太平洋西北智能電網的示范項目之一，2015年示范項目結束以后，波特蘭電力公司繼續使用該設施[32]。此外，電力公司和客戶可以分別部分擁有微網系統。如圣地亞哥電氣公司（San Diego Gas andElectric Company）的微網系統之一位于加利福利亞洲的Borrego Springs，該微網涵蓋2 800個住戶，電力公司擁有配電設施，當地客戶擁有分布式能源[32]。該項目獲得了美國能源部提供的750萬美元。該項目總投資超過1 520萬美元，其中電氣公司提供了410萬美元，加州能源委員會提供了280萬美元，其他項目合作方提供了80萬美元。項目的裝機容量為4 MW，包括1.8 MW柴油機組，一個500 kW/1 500 kW·h電池，50 kW·h電池，6個4 kW/8 kW·h家用儲能系統，700 kW屋頂光伏太陽能以及連接125個家庭區域的網絡系統。該微網的控制系統包括數據采集系統（supervisory control and data acquisition，SCADA）、饋線自動化技術系統（feeder automation systemtechnologies，FAST）、停電管理系統和基于價格的電荷管理系統[32]。4.2 靈活服務根據運營方式微網可以靈活提供多種服務，如購電（Power purchase，PP）、硬件服務（Hardwareas a Service，HaaS）、軟件服務（Software as a Service，SaaS）和租賃服務等?；谏鲜鑫⒕W靈活的所有制結構，客戶、電力公司和其他融資方能夠進行戰略合作并最大限度地抓住市場機遇，機構能夠使用微網而不必先投資。同時，客戶只支付所使用的能源的費用，而不用支付基本費用（demand charges）。通常來說，在美國，這種模式是通過“電力購買協議”（power purchase agreement）實現的。電力購買協議是能源生產商和能源購買方簽訂的協議。在指定的時間內，客戶同意購買全部或者一部分微網生產的能源。第三方擁有或者租賃微網，并在指定時間內負責微網的運營和維護。因此，在該協議下，運營和維護的責任以及微網的風險從客戶方轉移到第三方。施耐德電氣（Schneider Electric）和杜克能源（Duke Energy）為美國馬里蘭州Montgomery縣提供2個集成太陽能和熱電聯產的先進微網[33]。該項目壽期25年，杜克能源的可再生能源公司將擁有并運營系統。施耐德電氣負責設計、方案實施、系統修建和維護。通過微網服務模式，Montgomery縣可以完成該項目而不用先期投資，并通過特別的電力購買合同獲得更低價的清潔能源。施耐德電氣為該項目投資600萬美元，杜克能源投資1 000萬美元。HaaS方面，設備和硬件供應商只負責為微網項目提供設備和硬件，主要是銷售儲能裝置、智能電表和各類分布式能源相關的設備和硬件。同時，此行業的一些公司也積極與伙伴公司開展合作，更好地整合項目的網絡、優化和控制。比如，康明斯（Cummins，清潔柴油系統制造商）建立了多個合作伙伴，如SunEdison（光伏太陽能），Northern Power System（風能）和Tangent（控制），從而為客戶提供更全面的解決方案。SaaS與HaaS正相反，項目供應商只為微網項目提供軟件服務。例如，Power Analytics公司為微網項目提供軟件服務，優化項目運行特性。提供中國電力第 52 卷100的軟件服務包括3個軟件包（1）虛擬連接所有項目的組成部分和數據來源，從而優化配置不同的技術選項；（2）建立可定制的客戶端儀表盤；（3）對實時維修進行仿真并創建不同情景，在項目上線之前進行模擬。租賃模式下，租賃方擁有微網。在指定的時間內，租賃方將微網租借給客戶?？蛻糌撠熚⒕W的運營和管理并可以使用微網生產的所有能源?？蛻敉ㄟ^一系列的租賃還款，向租賃方支付費用（無論微網的性能表現如何）。例如，美國海軍和亞利桑那州公共服務局在亞利桑那州Yuma的海軍陸戰隊空軍基地合作建立了一個微網。在該微網項目中，美國海軍將土地租賃給亞利桑那州公共服務局30年，用于微網項目的開發、運營和維護。亞利桑那州公共服務局負責建立、擁有、運營和維護微網。該微網包括一個25 MW柴油發電機組，提供快速可靠的能量供應。此外，該微網也為海軍陸戰隊空軍基地提供100的備用電源，保證了海軍陸戰隊空軍基地能夠100地應對外部電網斷網的情況。同時，該微網也可以向大電網提供電力，支持當地亞利桑那州公共服務局的客戶。美國海軍也在考慮將燃料電池和可再生能源加入微網項目中。4.3 彈性管理依據計費管理機制的不同，微網的投資管理模式也可以調整，如可以簽訂能源合同，能源服務公司提供資金實施項目，并通過項目成本節省量收回項目投資。許多能源服務公司會對節省量進行擔保。該模式適合融資困難的客戶以及缺乏內部技術支撐的客戶。例如，亞利桑那州立大學和Ameresco公司制訂了多年、多階段的項目合作伙伴計劃，旨在提高大學的能源效率和基礎建設。多年來，雙方合作了很多項目，通過能源合同管理模式進行融資。如建設8 MW的熱電聯產設施、更換制冷機組、修建冷卻塔、安裝太陽能光伏系統及建立精簡優化的配電模型等[34]。亞利桑那州立大學擁有這些項目的所有權，Ameresco公司負責這些項目的實施（包括設計、分析、施工和管理以及支持服務）。另一種靈活的付費形式為現付現收，比較適用于發展中地區規模較小的微網系統?，F付現收從每周付費、價格固定到可以在任何時候付費、支付費用可以不定?？蛻羧绻桓犊?，則停止能源服務。該模式為低收入群體改善了能源服務的質量，提供了更多的能源選擇。比如，印度的SimpaNetworks公司，提供可移動的家用太陽能系統，包括兩三盞LED照明燈，一個40 W的太陽能板，以及一個26 A·h的電池?？蛻粝褓徺I手機服務（通過預付卡購買）一樣購買電力。同時，允許這些小額付款疊加起來，充當整個家用太陽能系統的成本。一旦付完，客戶就擁有整個系統，可免費享受清潔電力[35]。此外，微網項目的設計、修建、運營、擁有和維護的各個環節也可以涵蓋在一起，即一站式模式。第三方（私有公司或公共事業/電力公司）為客戶提供這種一站式的服務。反過來，客戶也可以進行這種一站式的采購。例如，西門子公司（Siemens）提供全面的微網解決方案，包括融資、技術顧問、先進電網技術、能源生產、運營和維護以及數據采集系統。位于加拿大安大略省的PowerStream電力公司也提供類似的一站式服務的解決方案。5 結語分布式綜合能源微網的建設需要適宜的政策支持，先進的軟硬件技術以及成熟可持續的商業模式。從美國綜合能源微網的建設來看，微網從早期對單一分布式能源技術的示范，轉向系統層面的示范和評價；近期微網建設以應對災害能力為主要考量因素。從美國示范項目建設的經驗中，發現成熟的商業模式對于先進技術的推廣和可持續運行非常重要。分布式綜合能源微網是大電網的重要組成部分，也可以為大電網的穩定運行提供有力的輔助服務。如何將分布式綜合能源微網和大電網更好地集成在一起，也將是未來一個重要的研究方向。參考文獻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 馮威等美國分布式綜合能源微網系統發展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 馮威等美國分布式綜合能源微網系統發展103