郭紅光, 張軍

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710064)

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能源互聯網的認識與分析

郭紅光, 張軍

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710064)

介紹了能源互聯網的技術特征,分析了能源互聯網的功能結構及關鍵技術,討論了能源互聯網可實現的拓撲結構和能源互聯網建設。提出能源互聯網將大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲能裝置融合,要實現能量與信息深度融合,需要解決先進儲能技術、固態(tài)變壓器技術、智能故障管理技術、智能能量管理技術等關鍵技術。

能源互聯網; 分布式能源; 可再生能源; 關鍵技術

郭紅光(1990—),男,碩士研究生,研究方向為供配電與電氣照明。

0 引 言

為了應對能源危機和化石燃料帶來的環(huán)境問題和提高能源供應的安全性,各國正積極探索新能源技術?？稍偕茉创嬖诘乩砩戏稚?、規(guī)模小、生產不連續(xù)、難適應傳統能源網絡集中統一管理、隨機性和波動性等特點,難以有效利用。這些特點與Internet用戶分散難以集中管理的特點類似,故提出了能源互聯網。在能源互聯網中，用戶創(chuàng)造能源和使用能源,并通過能源互聯網絡與其他用戶交換和分享能源。這就要求能源網絡與互聯網技術進行深入融合,形成能夠實現能源就地收集、就地存儲、就地使用的微電網,從而有效利用可再生能源。

1 能源互聯網的定義與特征

能源互聯網是一種以現有電網為基礎,利用先進的電力電子技術和信息技術,將大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲能裝置進行融合,形成能夠實現能量和信息雙向流動的電力對等互聯共享網絡[1]。

能源互聯網具有以下七大特征[1]。

(1) 能量來源種類廣泛。能源互聯網發(fā)電體系包括常規(guī)能源、大容量儲能和大規(guī)模新能源,在可再生能源發(fā)電應用的基礎上,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、隨機性等特點,其大規(guī)模接入對電網的穩(wěn)定性產生沖擊,促使傳統的能源網絡轉型為能源互聯網。

(2) 能量來源地域分散?？稍偕茉磥碓捶稚?不易輸送,具有較強的地域性。為了高效地收集和使用可再生能源,需要建立就地收集、存儲和使用能源的能源網絡。這些能源網絡具有規(guī)模小、分布廣等特點,每個小分布點構成能源互聯網的一個節(jié)點。

(3) 不同能源互相連接。能源互聯網的基礎是大規(guī)模分布式電源應用,但是大部分小型能源網絡不能實現能源自給,所以需要每個小能源網絡進行能量交換。能源互聯網在傳統電網的基礎上將分布式發(fā)電、智能用電、智能變電和儲能組成的微型能源網絡互聯。

(4) 能源網絡共享開放。能源互聯網應是對等、扁平和能量雙向流動的能源共享網絡,可再生能源發(fā)電、電動汽車、智能家電等隨時接入和切出,能夠即插即用。傳統用戶不僅是電能使用者,還是電能的創(chuàng)造者。只要符合互操作標準,這種接入從能量交換的角度來看,每個網絡節(jié)點都是同等重要的。

(5) 基礎設施融入傳統電網。能源互聯網的基礎設施建設不能完全棄用已有的傳統電網,特別是傳統電網中的骨干網絡投資大。因此,在能源互聯網的結構中,要充分考慮對傳統電網的基礎網絡設施進行改造,并將微型能源網絡融入到傳統電網中,形成新型的大范圍分布式能源共享互聯網絡。

(6) 具備很強的自動恢復功能。電力系統自動恢復機制可準確、快速地隔離電網中存在危險或潛在危險的器件,無需或僅需少量的人為干預,即使供電中斷,造成的影響達到最小化或智能恢復其業(yè)務。能源互聯網系統出現故障時,應能夠主動準確、快速地隔離故障,實現系統自動恢復功能,在一定條件下允許孤島運行。

(7) 系統具有運行的高效性。能源互聯網利用智能代理終端完成用戶設備與發(fā)電端之間聯系,引入監(jiān)控和IT技術,既可以精準地估計電網運行的狀態(tài),也可以對發(fā)電端、負荷、儲能裝置等進行實時管理和監(jiān)控,合理分配電網資源,提高能源的利用效率,降低運行成本。

2 能源互聯網的功能結構及關鍵技術

2.1 能源互聯網的功能結構

能源互聯網是由多分級的微電網互聯而組成的實現能量和信息雙向流通的共享網絡。從大電網角度看,微電網是完整的部分單元,是模塊化的整體單元,如同電網中發(fā)電機或負荷;從用戶角度看,能源互聯網是自治、完整運行的電力系統，可以滿足不同用戶對電能質量和可靠性的要求。能源互聯網的功能結構示意如圖1所示。

圖1 能源互聯網的功能結構示意圖

用戶單元或家庭的能源互聯網系統由分布式可再生能源、儲能裝置、負載、智能能量管理設備和變流裝置等組成,如圖2所示[2]。智能能量管理設備是能源互聯網核心,主要功能包括分布式能源控制、可控負荷管理、分布式儲能控制、繼電、保護等。在運行控制過程中,智能能量管理設備可以根據本地信息對電網中的情況做出快速、準確的響應。當網內電壓減小、故障停電時,能源互聯網系統可以自動實現孤島運行和聯網運行之間的平滑切換,當運行于孤島狀態(tài)時,不再接受傳統方式的統一管理[3]。

圖2 能源互聯網系統功能結構

因此，能源互聯網不是簡單地融合信息通信技術實現電網的智能化,而是實現能量和信息的雙向流動和共享,是一種電網系統結構變革。

2.2 能源互聯網的關鍵技術

2.2.1 先進儲能技術

與傳統電網的用戶側節(jié)點不同,能源互聯網中的用戶側節(jié)點(如家庭或用戶單元等) 可使用電能,也能產生電能,因此需要配備一定規(guī)模的分布式儲能系統。另外,因可再生能源的高滲透率,為了維持系統的穩(wěn)定運行,能源互聯網的發(fā)電側必須配有較大規(guī)模的集中儲能系統。因此,大規(guī)模和分布式同時并存是能源互聯網儲能的重要特征。

分布式儲能主要面向用戶,經濟效益是關鍵,所以對儲能系統的使用壽命、能量密度、存儲效率等提出了很高的要求,而其中新型儲能材料是提高這些性能的關鍵。當前電池成組技術是實現大規(guī)模儲能的主要方式,儲能單元的科學管理保證了儲能系統高效、長時間的運行。

2.2.2 固態(tài)變壓器技術

隨著高滲透率下可再生能源發(fā)電設備及儲能設備的接入,傳統變壓器的供電質量等方面難以滿足能源互聯網建設和發(fā)展的需求。固態(tài)變壓器作為利用電力電子器件進行高頻的能量和功率控制的變換器,被認作是能源互聯網的核心技術。固態(tài)變壓器電路拓撲結構如圖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],可以實現對可再生能源發(fā)電設備、儲能設備和負載的有效管理,具有雙向電能流動能力,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)變壓器電路拓撲

2.2.3 智能故障管理技術

在能源互聯網中,固態(tài)變壓器為分布式能源和負載提供有效的管理,因其具有強大的限流作用,能夠大幅降低短路電流的峰值,提高電網的穩(wěn)定性。與傳統電網相比,能源互聯網的故障電流很小,僅達到額定電流的2倍,故傳統檢測短路電流大小的故障檢測設備和方法將失效,所以需要設計新的故障識別方法。這就需要設計一種新的斷路器,確定當系統發(fā)生故障時,可以快速、準確地隔離出現故障的單元,使固態(tài)變壓器能快速地恢復正常電壓。傳統斷路器在系統發(fā)生故障時會使能量流動出現短暫的中斷,很大程度上會影響系統中關鍵負載的運行。用固態(tài)電力半導體器件代替機械式斷路器而研制的固態(tài)斷路器可以滿足能源互聯網的需求[4]，利用電力半導體器件作為無觸點開關,大幅提高響應速度,同時起到重合器和分斷的作用[5]。

2.2.4 智能能量管理技術

能源互聯網中具有多種能量產生設備、能量傳輸設備、能量消耗設備。為了實現對能源局域網內能量設備的即插即用管理,多能源局域網之間的分布式協同控制,以及針對可再生能源高滲透率下的控制策略高魯棒性,需要在能源互聯網的各層引入智能能量管理技術[3]。智能能量管理技術的系統架構如圖4所示。

圖4 智能能量管理技術的系統架構

3 網絡拓撲結構

在能源互聯網中能量雙向流動,用戶既可能從電網中汲取電能,也能上傳電能,所以能源互聯網的網絡拓撲結構至關重要。能源互聯網的拓撲結構可分為以下三種。

(1) 實共享。用戶之間可直接或間接通過電力公司的儲能裝置進行能量交換。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,對于長距離用戶之間共享,技術上實現的可能性和必要性還需進一步探討。

(2) 虛共享。用戶通過從電力公司“存”電、“貸”電而進行能源共享，在用戶之間不存在實際的能量傳輸,而是通過電力公司對用電的統籌、計劃和調度來實現。

(3) 虛實共享。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,從而實現電能共享。用戶之間只存在信息交流,不存在實際的電能傳輸。

4 能源互聯網建設

能源互聯網以實現能源的共享為目標,與信息互聯網的目標是信息共享類似。因此,可以適當借鑒信息互聯網的組成要素和工作原理。例如,能源互聯網中流動的是電能,信息互聯網中流動的是信息,能源互聯網中的發(fā)電站供應電能,信息互聯網中網站發(fā)布信息,能源互聯網的儲能裝置存儲電能,信息互聯網中的服務器存儲信息等。

鑒于信息互聯網與能源互聯網的相似性,推斷能源互聯網的發(fā)展與信息互聯網發(fā)展具有相似的發(fā)展路線。能源互聯網在初期主要進行網絡基礎設施建設,將在能量交換技術和儲能技術上取得進展,建立具有靈活性、擴展性的分布式能源共享網絡。隨著商業(yè)應用的展開,開發(fā)豐富的網絡應用,將出現與信息互聯網中信息發(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、點對點實時能源交換以及B2B、B2C的能源交易平臺等能源網絡應用[2]。能源互聯網與信息互聯網有些不同,如信息互聯網的信息可以斷續(xù)傳播,并不影響用戶的閱讀,但能源互聯網的能源一定要避免能源的中斷。

5 結 語

能源互聯網是由多分級的微電網互聯而組成的實現能量和信息雙向流通的共享網絡。從用戶角度看,能源互聯網是自治、完整運行的電力系統,可以滿足不同用戶對電能質量和可靠性的要求。目前能源互聯網的建設還處于初級階段,發(fā)展方向和技術特點都有待于進一步探討。

[1] 沈洲,周建華,袁曉冬,等.能源互聯網的發(fā)展現狀[J].江蘇電機工程,2014,33(1):81-84.

[2] 查亞兵,張濤,譚樹人.關于能源互聯網的認識與思考[J].國防科技,2012,33(5):1-6.

[3] 查亞兵,張濤,黃卓,等.能源互聯網關鍵技術分析[J].電力自動化設備,2010,30(5):104-108.

[4] 張明銳,劉金輝,金鑫.微型電網及其繼電保護研究[J].電力系統保護與控制,2011,39(7):95-100.

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,研究方向為建筑智能化。