农用微电网的美国实践：北卡罗来纳州的经验与启示

美国农业高度发达，但地域广袤、人口密度低。农用微电网不仅能有效破解偏远地区农业用电的“最后一公里”难题，还可为智慧灌溉、电动农机充电、冷链仓储、温室环境调控等高附加值农业生产场景，提供绿色、经济且具有韧性的电力保障。

一、北卡罗来纳州供电结构

与我国集中统一的供电体系不同，美国农村地区普遍采用以电力会员合作社（Electric Membership Corporation, EMC）为核心的分散式供电模式。居民和农场主通常需加入本地EMC，方可获得电力服务；而EMC的电能主要通过向上游大型发电与输电合作社批量采购获得。北卡罗来纳州正是这一模式的典型代表。该州地域广阔，仅少数大城市集中分布。全州约45%的土地面积由26家农村电力合作社供电，其电力主要来源于北卡罗来纳电力会员公司（North Carolina Electric Membership Corporation, NCEMC）。NCEMC作为州级发电与输电合作社，扮演“电力批发商”角色，而各地方EMC则作为“零售商”，通过本地配电网络向家庭、农场及企业提供电力服务。

北卡罗来纳州的供电体系呈现出典型的多元化、多层次特征，融合了私营公用事业公司、市政电力公司、农村电力合作社以及快速增长的分布式能源资源。具体而言，供电主体可分为三类：

1. 投资者所有的公用事业公司（IOUs）：以杜克能源（Duke Energy）为代表，覆盖主要城市及郊区，承担全州约70%的电力负荷；

2. 农村电力合作社（EMCs）：服务农村及偏远地区，覆盖约250万居民及大量农业用户；

3. 市政电力公司（Municipal Utilities）：存在于少数中小城市，规模较小，通常自主购电或发电。

在电源结构方面，北卡罗来纳州清洁能源转型成效显著：核电占比约32%，居全美前列；煤电持续退出；天然气发电用于调峰，增长迅速；光伏发电装机容量已超10吉瓦（GW），位居全美前五。得益于有利的光照条件、土地资源及州级政策支持，该州仍是美国光伏发展最快的地区之一。

二、农用微电网典型案例

作为美国农业大州，北卡罗来纳州在火鸡、猪肉、甜薯等农产品产量上位居全国前列。许多大型农场积极部署分布式能源系统，通过自建光伏、生物质发电等方式补充电力供应，提升能源自主性与运营韧性。其中，巴特勒农场（Butler Farms）和玫瑰崖农场（Rose Acre Farms）的微电网项目是北卡的代表性实践。

（一）巴特勒农场微电网

照片来源：美国环保署（EPA）AgSTAR项目

巴特勒农场创立于1995年，位于纽约州利灵顿（Lyndonville, New York），是一家以生猪养殖为主的现代化农场，存栏约8,000头，日均产生粪污约10,000加仑。早期粪污排入露天泻湖，后因周边居民投诉异味，于2008年对泻湖实施覆盖处理。

2012年，农场建成厌氧消化系统，将粪污转化为沼气，日均产气约906立方米。沼气用于驱动180 kW热电联产机组发电，并通过与南河电力合作社（South River EMC）签订的购电协议（PPA）向电网出售可再生电力。同期，农场安装20 kW光伏阵列，实现多能互补。

2017年，在南河EMC与NCEMC支持下，巴特勒农场最终建成现在的集成化微电网系统，系统集成了沼气发电、光伏发电、100 kW柴油备用发电机及250 kW/735 kWh电池储能系统。该系统具备“孤岛运行”（islanding）能力，可在主网故障时独立供电，不仅保障农场自身运行，还可为周边社区提供应急电力。2019年，该项目荣获《POWER》杂志“分布式能源奖”。

（二）玫瑰崖农场微电网

照片来源：杜克大学、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校组成的清洁技术集群（RTCC）

玫瑰崖农场是全美第二大蛋品生产商，在七个州拥有18处生产基地。其位于北卡海德县（Hyde County）的蛋鸡场自2006年投运以来，已发展至存栏350万只蛋鸡的规模。该选址具有双重优势：一是毗邻玉米主产区，饲料供应便捷；二是当地人口稀少（约每平方英里6人），适合大规模养殖。

为应对高电力需求（尤其是照明与通风系统），农场与潮地电力会员公司（Tideland EMC）合作，由后者从变电站专线供电。在此基础上，双方联合NCEMC于近年建成先进微电网系统：

• 光伏系统：6,300块太阳能板，总装机2兆瓦（MW）；

• 储能系统：2.5 MW/电池储能，主要采用特斯拉电池；

• 备用电源：柴油发电机组；

• 智能控制：毫秒级切换能力，可在主网中断时实现无缝“孤岛运行”。

该微电网可满足农场约三分之一的日常用电需求，并具备向主网反向送电的能力。在2022年冬季风暴“艾略特”期间，其储能系统于圣诞前夕清晨向区域电网注入电力，有效缓解了高峰负荷压力。此外，NCEMC通过其分布式能源资源管理系统（DERMS）可远程监控并调度该微电网资源，实现区域电网协同优化。

三、总结与启示

农用微电网作为农业电气化与能源转型的关键载体，通过集成分布式光伏、储能、智能控制与多元负荷管理，构建起“就地发电、就地消纳、灵活调节、安全可靠”的乡村能源网络。它不仅有效解决偏远农业地区用电“最后一公里”问题，更为智慧农业高附加值场景提供绿色、经济、韧性的电力支撑，推动农业与能源系统的深度融合。美国农业具有规模化、专业化、市场化特征，其微电网实践充分依托农村电力合作社体系与公私协作机制，实现了技术、经济与制度的协同创新。北卡罗来纳州的经验表明：以合作社为纽带，整合农场、电网企业与州级能源平台资源，可高效推进农用微电网落地。这一模式为我国推动乡村能源革命、构建新型农村电力系统提供了有益参考。

参考资料

• 巴特勒农场（Butler Farms）微电网案例资料引自美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency）AgSTAR 项目官网：   

• 玫瑰崖农场（Rose Acre Farms）微电网案例资料引自研究三角清洁技术集群（Research Triangle Cleantech Cluster, RTCC）发布的《影响力故事》报告。该集群由杜克大学、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校共同支持，报告链接如下：