了解北美电力输配系统

本节首先复习一下第1章提到过的电网的相关知识。本文的电网是指包括美国和北美洲其他地方的全部电力输配系统。若把风力机设计成并网型风力发电系统，则它必须同现有电网中的一部分相连，并且风力发电机输出的电能也必须满足该区域电网的特定要求。电网用来给全美国输送、分配电能，它由很长的相互连接的电力线路构成，这些电力线路负责将电能从发出的地方输送到消耗的地方。发电机发出的电压不足5000V，这个电压经过升压变压器升高到545～765kV用于长距离输送，或者升高到345～545kV用于短距离输送。电能输送到负荷端后，通过位于城市或工业区域附近的变电站降压，降为12470V左右的低压后分配到周围的城镇或电能消耗终端。户外电力塔杆上的变压器或工业应用的小型变电站可以再次将12470V电压降低为120V的民用电压和240V或480V的工业电压。图8-1显示了从发电厂经过输电力线路到居民用户的电能输配系统。

图8-1 从发电厂到用户的电能输配系统

电网包括发电站、输电系统、中压输电系统、变电站、馈线、服务系统和用户。发电厂包括火力发电厂、核电厂、水电厂、风力发电场和光伏发电站（太阳能发电站）。输电线路和中压输电线路包括在全国范围内远距离输送电能的高压和超高压输电线路。变电站是指坐落在城市边缘和商业区附近的一套大规模变压器组及其附属设备，它可以把发电厂输送来的高电压等级的电能变换为低压电能。馈线的功能是为城市和居民区提供或配送电能。服务系统包括为工业、商业和居民提供电力接入的变压器和电力线路。电网用户是指所有的用电客户或电气设备，例如大型的工厂。

本书第1章介绍了如图8-2所示的电网，该电网以地图的形式表示。从图中可以看出各个州的电网之间的连接关系。美国电网分成三个主要部分：东部互联电网（the Eastern Interconnect）、西部互联电网（the Western Interconnect）和德克萨斯州互联电网（the Texas Interconnect）。东部互联电网进一步分为：东北区电力协调委员会（NPCC），包括缅因州（Maine）、佛蒙特州（Vermont）、新罕布什尔州（New Hampshire）、纽约州（New York）、马萨诸塞州（Massachusetts）和罗得岛州（Rhode Island）；大西洋中部地区理事会（MAAC），包括马里兰州（Maryland）、特拉华州（Delaware）、新泽西州（New Jersey）和宾夕法尼亚州（Pennsylvania）的一部分；东部中区可靠性协调组织（ECAR），包括密歇根州（Michigan）、印第安纳州（Indiana）、俄亥俄州（Ohio）、西弗吉尼亚州（West Virginia）和肯塔基州（Kentucky）；东南部电力可靠性委员会（SERC），包括除佛罗里达州外的南部各州；佛罗里达系统协调委员会（FRCC），包括佛罗里达州的全部；中部美国互联电力系统（MAIN），包括威斯康星州（Wisconsin）和伊利诺斯州（Illinois）；中部大陆地区联合电力系统（MAPP），包括达科他州（Dakotas）、内布拉斯加州（Ne-braska）、明尼苏达州（Minnesota）和爱荷华州（Iowa）；以及西南联合电力系统（SPP），包括堪萨斯州（Kansas）和俄克拉荷马州（Oklahoma）。德克萨斯州互联电网包括德克萨斯州电气可靠理事会（ERCOT），包括德克萨斯州的全部。西部互联电网包括西部系统协调委员会（WSCC），包括新墨西哥州（New Mexico）、科罗拉多州（Colorado）、怀俄明州（Wyoming）和蒙达拿州（Montana）等西部各州。

图8-2 美国东部互联电网、西部互联电网和德克萨斯州互联电网分布图（图片来源：美国能源信息管理局）

表8-1列出了2009年美国的用电量、供电量和容量裕度。容量裕度指供电量比用电量多出的电量。为了满足潜在的工业和居民需求，一定要保证可用电量大于消费电量。2009年东部互联电网的容量裕度是19.3%，德克萨斯州互联电网为13.6%，西部互联电网为22.0%。整个美国的平均容量裕度为19.4%。了解各部分电网需要多少电量，实际中又有多少可用电量是很重要的，因为这些决定了电网每天每小时必须发出的电量。风力机和其他替代电源要代替传统的电源，就必须能够按照需求发出一定的电能。目前，由风电和其他替代能源发出的电能只占巨大负荷的一小部分。

表8-1 2009年美国的用电量、供电量和容量裕度(www.xing528.com)

电网为图8-2中的各个地区供电，若这些电能由风力机提供，则必须明确风力发电机的并网位置，熟悉此处电网的特定要求，并获得风电并网的许可文件。

一般地，术语中所说的电网是指系统中传输和分配电能的部分，其涉及的范围从电能发出的地方，如一台风力机或一个风电场，一直延伸到电能消耗的地方，如工业、商业或居民等地区。有时，本文中“电网”也用来指为美国或北美洲某个地区供电的地区电网。输电线、杆塔、变压器和开关设备属于被称为输电公司（Transco′s）的独立公司所拥有。管理电能交换和输配等电网功能，防止由于电能短缺而可能引起某地区限电或停电的公司称为电网公司（Gridco′s）。部分电网设备或电网功能也可能由区域电力公司或地区电网公司拥有或负责。

通过电网设备的电能可以当作商品，通过长期或短期合同进行交易。电网设备的部分所有权和流过电力线路的电能的销售权由电力设备所在的州和电能消耗州来规定。部分电网在两个或多个州之间传输电能，此部分电网也由这些州共同管理，这也解释了了解风力发电系统并网位置以及并网地区法律、法规的重要性。例如，一些州要求电网公司和传输电能的输电公司购买由风力机发出的电能，而在另一些州，风力机业主和电网公司之间则没有合作机会。在大多数地区，风力机并网并向电网输出电能都需要申请，并根据风力机发出电能获得利润。

电网中，远距离输电主要分为4个电压等级。在美国电网中，传输电能的最高电压是765000V，大型水力发电站输出电能需要更高电压等级的高压输电线路传输。此外，还有500000V、345000V或230000V电压等级的输电线路。一般电压等级越高，电能传输的距离也越远。

美国电网分为三个主要部分：东部互联电网、西部互联电网和德克萨斯州互联电网。这三部分是相互独立的，一个系统出现问题不会影响其他两个系统。每个地区都有许多大型控制中心，通过不断监控电网确保其有充足的可用电能。即便必须限电，也可以控制在尽量小的范围内。本章后面还将讨论当今电网存在的优点和缺点，并进一步介绍电网从普通电网升级到所谓的“智能电网”的过程。

本章简单介绍了电网的概念及其功能后，将重点介绍风力发电机并网的相关知识。目前美国大约42个州制定了相关法规，许可或要求电网公司允许风力发电机或其他发电设备发出的电能输入电网，并且能为输送至电网的电能提供一些类型的补偿。一些州要求电网公司以较便宜的价格购买这些电能，从而导致风电的价格很低；然而在另外一些州，风力机发出的电能和利用其他能源发出的电能价格相同或相差不多。1978年通过的被称为公用事业管制政策（PURPA）的联邦法规是国家能源法规的一部分，此法规要求电网公司购买由独立供应商发出的电能，但该法规并未规定购买电能的价格比率。

用电能计量装置来测量流入和流出电网的电能是风电并网的一种手段。由于这种电表可以测量风力机发出和消耗的电能，因此称它为电能表。有些电能表允许发出的过剩电能存入或计入用户的账号，这就意味着用电的价格可以等于发电的成本。电能表允许电能的正、反向计量，这使得发出电能和消耗电能的计量变得非常简单。