能源互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)與分析

郭紅光, 張軍

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

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能源互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)與分析

郭紅光, 張軍

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特征,分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),討論了能源互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。提出能源互聯(lián)網(wǎng)將大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲(chǔ)能裝置融合,要實(shí)現(xiàn)能量與信息深度融合,需要解決先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)、固態(tài)變壓器技術(shù)、智能故障管理技術(shù)、智能能量管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

能源互聯(lián)網(wǎng); 分布式能源; 可再生能源; 關(guān)鍵技術(shù)

郭紅光(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楣┡潆娕c電氣照明。

0 引 言

為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和化石燃料帶來的環(huán)境問題和提高能源供應(yīng)的安全性,各國(guó)正積極探索新能源技術(shù)?？稍偕茉创嬖诘乩砩戏稚?、規(guī)模小、生產(chǎn)不連續(xù)、難適應(yīng)傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)集中統(tǒng)一管理、隨機(jī)性和波動(dòng)性等特點(diǎn),難以有效利用。這些特點(diǎn)與Internet用戶分散難以集中管理的特點(diǎn)類似,故提出了能源互聯(lián)網(wǎng)。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，用戶創(chuàng)造能源和使用能源,并通過能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與其他用戶交換和分享能源。這就要求能源網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入融合,形成能夠?qū)崿F(xiàn)能源就地收集、就地存儲(chǔ)、就地使用的微電網(wǎng),從而有效利用可再生能源。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的定義與特征

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種以現(xiàn)有電網(wǎng)為基礎(chǔ),利用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和信息技術(shù),將大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲(chǔ)能裝置進(jìn)行融合,形成能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息雙向流動(dòng)的電力對(duì)等互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)[1]。

能源互聯(lián)網(wǎng)具有以下七大特征[1]。

(1) 能量來源種類廣泛。能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)電體系包括常規(guī)能源、大容量?jī)?chǔ)能和大規(guī)模新能源,在可再生能源發(fā)電應(yīng)用的基礎(chǔ)上,包容多種不同類型的發(fā)電形式。然而,可再生能源發(fā)電具有模糊性、隨機(jī)性等特點(diǎn),其大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊,促使傳統(tǒng)的能源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型為能源互聯(lián)網(wǎng)。

(2) 能量來源地域分散。可再生能源來源分散,不易輸送,具有較強(qiáng)的地域性。為了高效地收集和使用可再生能源,需要建立就地收集、存儲(chǔ)和使用能源的能源網(wǎng)絡(luò)。這些能源網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模小、分布廣等特點(diǎn),每個(gè)小分布點(diǎn)構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(3) 不同能源互相連接。能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是大規(guī)模分布式電源應(yīng)用,但是大部分小型能源網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)能源自給,所以需要每個(gè)小能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量交換。能源互聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上將分布式發(fā)電、智能用電、智能變電和儲(chǔ)能組成的微型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

(4) 能源網(wǎng)絡(luò)共享開放。能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)是對(duì)等、扁平和能量雙向流動(dòng)的能源共享網(wǎng)絡(luò),可再生能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、智能家電等隨時(shí)接入和切出,能夠即插即用。傳統(tǒng)用戶不僅是電能使用者,還是電能的創(chuàng)造者。只要符合互操作標(biāo)準(zhǔn),這種接入從能量交換的角度來看,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是同等重要的。

(5) 基礎(chǔ)設(shè)施融入傳統(tǒng)電網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不能完全棄用已有的傳統(tǒng)電網(wǎng),特別是傳統(tǒng)電網(wǎng)中的骨干網(wǎng)絡(luò)投資大。因此,在能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中,要充分考慮對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行改造,并將微型能源網(wǎng)絡(luò)融入到傳統(tǒng)電網(wǎng)中,形成新型的大范圍分布式能源共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

(6) 具備很強(qiáng)的自動(dòng)恢復(fù)功能。電力系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制可準(zhǔn)確、快速地隔離電網(wǎng)中存在危險(xiǎn)或潛在危險(xiǎn)的器件,無需或僅需少量的人為干預(yù),即使供電中斷,造成的影響達(dá)到最小化或智能恢復(fù)其業(yè)務(wù)。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)能夠主動(dòng)準(zhǔn)確、快速地隔離故障,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)功能,在一定條件下允許孤島運(yùn)行。

(7) 系統(tǒng)具有運(yùn)行的高效性。能源互聯(lián)網(wǎng)利用智能代理終端完成用戶設(shè)備與發(fā)電端之間聯(lián)系,引入監(jiān)控和IT技術(shù),既可以精準(zhǔn)地估計(jì)電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài),也可以對(duì)發(fā)電端、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控,合理分配電網(wǎng)資源,提高能源的利用效率,降低運(yùn)行成本。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)是由多分級(jí)的微電網(wǎng)互聯(lián)而組成的實(shí)現(xiàn)能量和信息雙向流通的共享網(wǎng)絡(luò)。從大電網(wǎng)角度看,微電網(wǎng)是完整的部分單元,是模塊化的整體單元,如同電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)或負(fù)荷;從用戶角度看,能源互聯(lián)網(wǎng)是自治、完整運(yùn)行的電力系統(tǒng)，可以滿足不同用戶對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的要求。能源互聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖

用戶單元或家庭的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由分布式可再生能源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載、智能能量管理設(shè)備和變流裝置等組成,如圖2所示[2]。智能能量管理設(shè)備是能源互聯(lián)網(wǎng)核心,主要功能包括分布式能源控制、可控負(fù)荷管理、分布式儲(chǔ)能控制、繼電、保護(hù)等。在運(yùn)行控制過程中,智能能量管理設(shè)備可以根據(jù)本地信息對(duì)電網(wǎng)中的情況做出快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)電壓減小、故障停電時(shí),能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行之間的平滑切換,當(dāng)運(yùn)行于孤島狀態(tài)時(shí),不再接受傳統(tǒng)方式的統(tǒng)一管理[3]。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

因此，能源互聯(lián)網(wǎng)不是簡(jiǎn)單地融合信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化,而是實(shí)現(xiàn)能量和信息的雙向流動(dòng)和共享,是一種電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變革。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)

與傳統(tǒng)電網(wǎng)的用戶側(cè)節(jié)點(diǎn)不同,能源互聯(lián)網(wǎng)中的用戶側(cè)節(jié)點(diǎn)(如家庭或用戶單元等) 可使用電能,也能產(chǎn)生電能,因此需要配備一定規(guī)模的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。另外,因可再生能源的高滲透率,為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電側(cè)必須配有較大規(guī)模的集中儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此,大規(guī)模和分布式同時(shí)并存是能源互聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)能的重要特征。

分布式儲(chǔ)能主要面向用戶,經(jīng)濟(jì)效益是關(guān)鍵,所以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命、能量密度、存儲(chǔ)效率等提出了很高的要求,而其中新型儲(chǔ)能材料是提高這些性能的關(guān)鍵。當(dāng)前電池成組技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的主要方式,儲(chǔ)能單元的科學(xué)管理保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)高效、長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

2.2.2 固態(tài)變壓器技術(shù)

隨著高滲透率下可再生能源發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備的接入,傳統(tǒng)變壓器的供電質(zhì)量等方面難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的需求。固態(tài)變壓器作為利用電力電子器件進(jìn)行高頻的能量和功率控制的變換器,被認(rèn)作是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。固態(tài)變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。固態(tài)變壓器由AC/DC 整流器、 DC/DC 變換器和 DC/AC 逆變器組成[4],可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的有效管理,具有雙向電能流動(dòng)能力,可以有效地控制有功功率和無功功率,具有更廣的控制帶寬，提供即插即用功能。

圖3 固態(tài)變壓器電路拓?fù)?/p>

2.2.3 智能故障管理技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)中,固態(tài)變壓器為分布式能源和負(fù)載提供有效的管理,因其具有強(qiáng)大的限流作用,能夠大幅降低短路電流的峰值,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比,能源互聯(lián)網(wǎng)的故障電流很小,僅達(dá)到額定電流的2倍,故傳統(tǒng)檢測(cè)短路電流大小的故障檢測(cè)設(shè)備和方法將失效,所以需要設(shè)計(jì)新的故障識(shí)別方法。這就需要設(shè)計(jì)一種新的斷路器,確定當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),可以快速、準(zhǔn)確地隔離出現(xiàn)故障的單元,使固態(tài)變壓器能快速地恢復(fù)正常電壓。傳統(tǒng)斷路器在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)使能量流動(dòng)出現(xiàn)短暫的中斷,很大程度上會(huì)影響系統(tǒng)中關(guān)鍵負(fù)載的運(yùn)行。用固態(tài)電力半導(dǎo)體器件代替機(jī)械式斷路器而研制的固態(tài)斷路器可以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的需求[4]，利用電力半導(dǎo)體器件作為無觸點(diǎn)開關(guān),大幅提高響應(yīng)速度,同時(shí)起到重合器和分?jǐn)嗟淖饔肹5]。

2.2.4 智能能量管理技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)中具有多種能量產(chǎn)生設(shè)備、能量傳輸設(shè)備、能量消耗設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)能源局域網(wǎng)內(nèi)能量設(shè)備的即插即用管理,多能源局域網(wǎng)之間的分布式協(xié)同控制,以及針對(duì)可再生能源高滲透率下的控制策略高魯棒性,需要在能源互聯(lián)網(wǎng)的各層引入智能能量管理技術(shù)[3]。智能能量管理技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能能量管理技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在能源互聯(lián)網(wǎng)中能量雙向流動(dòng),用戶既可能從電網(wǎng)中汲取電能,也能上傳電能,所以能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)至關(guān)重要。能源互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為以下三種。

(1) 實(shí)共享。用戶之間可直接或間接通過電力公司的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量交換。因用戶之間電能直接傳輸有損耗，所以該方式只適合短距離用戶之間共享,對(duì)于長(zhǎng)距離用戶之間共享,技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的可能性和必要性還需進(jìn)一步探討。

(2) 虛共享。用戶通過從電力公司“存”電、“貸”電而進(jìn)行能源共享，在用戶之間不存在實(shí)際的能量傳輸,而是通過電力公司對(duì)用電的統(tǒng)籌、計(jì)劃和調(diào)度來實(shí)現(xiàn)。

(3) 虛實(shí)共享。用戶向本地電力公司“存” 入電能,并向電力公司發(fā)信息匯寄給異地用戶,異地代理電力公司將電能傳遞給特定用戶,從而實(shí)現(xiàn)電能共享。用戶之間只存在信息交流,不存在實(shí)際的電能傳輸。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

能源互聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)能源的共享為目標(biāo),與信息互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是信息共享類似。因此,可以適當(dāng)借鑒信息互聯(lián)網(wǎng)的組成要素和工作原理。例如,能源互聯(lián)網(wǎng)中流動(dòng)的是電能,信息互聯(lián)網(wǎng)中流動(dòng)的是信息,能源互聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)電站供應(yīng)電能,信息互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)站發(fā)布信息,能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)電能,信息互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器存儲(chǔ)信息等。

鑒于信息互聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的相似性,推斷能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與信息互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有相似的發(fā)展路線。能源互聯(lián)網(wǎng)在初期主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),將在能量交換技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)上取得進(jìn)展,建立具有靈活性、擴(kuò)展性的分布式能源共享網(wǎng)絡(luò)。隨著商業(yè)應(yīng)用的展開,開發(fā)豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,將出現(xiàn)與信息互聯(lián)網(wǎng)中信息發(fā)布、信息搜索、商業(yè)交易類似的能源發(fā)布、能源供給與需求信息的搜索、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)能源交換以及B2B、B2C的能源交易平臺(tái)等能源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[2]。能源互聯(lián)網(wǎng)與信息互聯(lián)網(wǎng)有些不同,如信息互聯(lián)網(wǎng)的信息可以斷續(xù)傳播,并不影響用戶的閱讀,但能源互聯(lián)網(wǎng)的能源一定要避免能源的中斷。

5 結(jié) 語

能源互聯(lián)網(wǎng)是由多分級(jí)的微電網(wǎng)互聯(lián)而組成的實(shí)現(xiàn)能量和信息雙向流通的共享網(wǎng)絡(luò)。從用戶角度看,能源互聯(lián)網(wǎng)是自治、完整運(yùn)行的電力系統(tǒng),可以滿足不同用戶對(duì)電能質(zhì)量和可靠性的要求。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)還處于初級(jí)階段,發(fā)展方向和技術(shù)特點(diǎn)都有待于進(jìn)一步探討。

[1] 沈洲,周建華,袁曉冬,等.能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].江蘇電機(jī)工程,2014,33(1):81-84.

[2] 查亞兵,張濤,譚樹人.關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)與思考[J].國(guó)防科技,2012,33(5):1-6.

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Understanding and Analysis of Energy Internet

GUO Hongguang,ZHANG Jun

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

This paper introduced the characteristics of energy internet,analyzed the structure and key technical technology of energy internet.The topological structure and construction of energy internet were discussed.It is pointed out that the energy internet blends many distributed renewable energy generating sets and distributed energy storage devices.The key technologies in aspects of advanced energy storage technology,solid state transformer technology,intelligent fault management technology and intelligent energy management technology,should be solved in order to deeply blend the energy and information.

energy internet; distributed energy; renewable energy; key technology

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0001-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.001

2016-10-18

張 軍(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>