能源互联网的认识与分析

郭红光, 张军

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710064)



能源互联网的认识与分析

郭红光, 张军

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710064)

介绍了能源互联网的技术特征,分析了能源互联网的功能结构及关键技术,讨论了能源互联网可实现的拓扑结构和能源互联网建设。提出能源互联网将大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置融合,要实现能量与信息深度融合,需要解决先进储能技术、固态变压器技术、智能故障管理技术、智能能量管理技术等关键技术。

能源互联网; 分布式能源; 可再生能源; 关键技术

郭红光(1990—),男,硕士研究生,研究方向为供配电与电气照明。

0 引 言

为了应对能源危机和化石燃料带来的环境问题和提高能源供应的安全性,各国正积极探索新能源技术。可再生能源存在地理上分散、规模小、生产不连续、难适应传统能源网络集中统一管理、随机性和波动性等特点,难以有效利用。这些特点与Internet用户分散难以集中管理的特点类似,故提出了能源互联网。在能源互联网中，用户创造能源和使用能源,并通过能源互联网络与其他用户交换和分享能源。这就要求能源网络与互联网技术进行深入融合,形成能够实现能源就地收集、就地存储、就地使用的微电网,从而有效利用可再生能源。

1 能源互联网的定义与特征

能源互联网是一种以现有电网为基础,利用先进的电力电子技术和信息技术,将大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置进行融合,形成能够实现能量和信息双向流动的电力对等互联共享网络[1]。

能源互联网具有以下七大特征[1]。

(1) 能量来源种类广泛。能源互联网发电体系包括常规能源、大容量储能和大规模新能源,在可再生能源发电应用的基础上,包容多种不同类型的发电形式。然而,可再生能源发电具有模糊性、随机性等特点,其大规模接入对电网的稳定性产生冲击,促使传统的能源网络转型为能源互联网。

(2) 能量来源地域分散。可再生能源来源分散,不易输送,具有较强的地域性。为了高效地收集和使用可再生能源,需要建立就地收集、存储和使用能源的能源网络。这些能源网络具有规模小、分布广等特点,每个小分布点构成能源互联网的一个节点。

(3) 不同能源互相连接。能源互联网的基础是大规模分布式电源应用,但是大部分小型能源网络不能实现能源自给,所以需要每个小能源网络进行能量交换。能源互联网在传统电网的基础上将分布式发电、智能用电、智能变电和储能组成的微型能源网络互联。

(4) 能源网络共享开放。能源互联网应是对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络,可再生能源发电、电动汽车、智能家电等随时接入和切出,能够即插即用。传统用户不仅是电能使用者,还是电能的创造者。只要符合互操作标准,这种接入从能量交换的角度来看,每个网络节点都是同等重要的。

(5) 基础设施融入传统电网。能源互联网的基础设施建设不能完全弃用已有的传统电网,特别是传统电网中的骨干网络投资大。因此,在能源互联网的结构中,要充分考虑对传统电网的基础网络设施进行改造,并将微型能源网络融入到传统电网中,形成新型的大范围分布式能源共享互联网络。

(6) 具备很强的自动恢复功能。电力系统自动恢复机制可准确、快速地隔离电网中存在危险或潜在危险的器件,无需或仅需少量的人为干预,即使供电中断,造成的影响达到最小化或智能恢复其业务。能源互联网系统出现故障时,应能够主动准确、快速地隔离故障,实现系统自动恢复功能,在一定条件下允许孤岛运行。

(7) 系统具有运行的高效性。能源互联网利用智能代理终端完成用户设备与发电端之间联系,引入监控和IT技术,既可以精准地估计电网运行的状态,也可以对发电端、负荷、储能装置等进行实时管理和监控,合理分配电网资源,提高能源的利用效率,降低运行成本。

2 能源互联网的功能结构及关键技术

2.1 能源互联网的功能结构

能源互联网是由多分级的微电网互联而组成的实现能量和信息双向流通的共享网络。从大电网角度看,微电网是完整的部分单元,是模块化的整体单元,如同电网中发电机或负荷;从用户角度看,能源互联网是自治、完整运行的电力系统，可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求。能源互联网的功能结构示意如图1所示。

图1 能源互联网的功能结构示意图

用户单元或家庭的能源互联网系统由分布式可再生能源、储能装置、负载、智能能量管理设备和变流装置等组成,如图2所示[2]。智能能量管理设备是能源互联网核心,主要功能包括分布式能源控制、可控负荷管理、分布式储能控制、继电、保护等。在运行控制过程中,智能能量管理设备可以根据本地信息对电网中的情况做出快速、准确的响应。当网内电压减小、故障停电时,能源互联网系统可以自动实现孤岛运行和联网运行之间的平滑切换,当运行于孤岛状态时,不再接受传统方式的统一管理[3]。

图2 能源互联网系统功能结构

因此，能源互联网不是简单地融合信息通信技术实现电网的智能化,而是实现能量和信息的双向流动和共享,是一种电网系统结构变革。

2.2 能源互联网的关键技术

2.2.1 先进储能技术

与传统电网的用户侧节点不同,能源互联网中的用户侧节点(如家庭或用户单元等) 可使用电能,也能产生电能,因此需要配备一定规模的分布式储能系统。另外,因可再生能源的高渗透率,为了维持系统的稳定运行,能源互联网的发电侧必须配有较大规模的集中储能系统。因此,大规模和分布式同时并存是能源互联网储能的重要特征。

分布式储能主要面向用户,经济效益是关键,所以对储能系统的使用寿命、能量密度、存储效率等提出了很高的要求,而其中新型储能材料是提高这些性能的关键。当前电池成组技术是实现大规模储能的主要方式,储能单元的科学管理保证了储能系统高效、长时间的运行。

2.2.2 固态变压器技术

随着高渗透率下可再生能源发电设备及储能设备的接入,传统变压器的供电质量等方面难以满足能源互联网建设和发展的需求。固态变压器作为利用电力电子器件进行高频的能量和功率控制的变换器,被认作是能源互联网的核心技术。固态变压器电路拓扑结构如图3所示。固态变压器由AC/DC 整流器、 DC/DC 变换器和 DC/AC 逆变器组成[4],可以实现对可再生能源发电设备、储能设备和负载的有效管理,具有双向电能流动能力,可以有效地控制有功功率和无功功率,具有更广的控制带宽，提供即插即用功能。

图3 固态变压器电路拓扑

2.2.3 智能故障管理技术

在能源互联网中,固态变压器为分布式能源和负载提供有效的管理,因其具有强大的限流作用,能够大幅降低短路电流的峰值,提高电网的稳定性。与传统电网相比,能源互联网的故障电流很小,仅达到额定电流的2倍,故传统检测短路电流大小的故障检测设备和方法将失效,所以需要设计新的故障识别方法。这就需要设计一种新的断路器,确定当系统发生故障时,可以快速、准确地隔离出现故障的单元,使固态变压器能快速地恢复正常电压。传统断路器在系统发生故障时会使能量流动出现短暂的中断,很大程度上会影响系统中关键负载的运行。用固态电力半导体器件代替机械式断路器而研制的固态断路器可以满足能源互联网的需求[4]，利用电力半导体器件作为无触点开关,大幅提高响应速度,同时起到重合器和分断的作用[5]。

2.2.4 智能能量管理技术

能源互联网中具有多种能量产生设备、能量传输设备、能量消耗设备。为了实现对能源局域网内能量设备的即插即用管理,多能源局域网之间的分布式协同控制,以及针对可再生能源高渗透率下的控制策略高鲁棒性,需要在能源互联网的各层引入智能能量管理技术[3]。智能能量管理技术的系统架构如图4所示。

图4 智能能量管理技术的系统架构

3 网络拓扑结构

在能源互联网中能量双向流动,用户既可能从电网中汲取电能,也能上传电能,所以能源互联网的网络拓扑结构至关重要。能源互联网的拓扑结构可分为以下三种。

(1) 实共享。用户之间可直接或间接通过电力公司的储能装置进行能量交换。因用户之间电能直接传输有损耗，所以该方式只适合短距离用户之间共享,对于长距离用户之间共享,技术上实现的可能性和必要性还需进一步探讨。

(2) 虚共享。用户通过从电力公司“存”电、“贷”电而进行能源共享，在用户之间不存在实际的能量传输,而是通过电力公司对用电的统筹、计划和调度来实现。

(3) 虚实共享。用户向本地电力公司“存” 入电能,并向电力公司发信息汇寄给异地用户,异地代理电力公司将电能传递给特定用户,从而实现电能共享。用户之间只存在信息交流,不存在实际的电能传输。

4 能源互联网建设

能源互联网以实现能源的共享为目标,与信息互联网的目标是信息共享类似。因此,可以适当借鉴信息互联网的组成要素和工作原理。例如,能源互联网中流动的是电能,信息互联网中流动的是信息,能源互联网中的发电站供应电能,信息互联网中网站发布信息,能源互联网的储能装置存储电能,信息互联网中的服务器存储信息等。

鉴于信息互联网与能源互联网的相似性,推断能源互联网的发展与信息互联网发展具有相似的发展路线。能源互联网在初期主要进行网络基础设施建设,将在能量交换技术和储能技术上取得进展,建立具有灵活性、扩展性的分布式能源共享网络。随着商业应用的展开,开发丰富的网络应用,将出现与信息互联网中信息发布、信息搜索、商业交易类似的能源发布、能源供给与需求信息的搜索、点对点实时能源交换以及B2B、B2C的能源交易平台等能源网络应用[2]。能源互联网与信息互联网有些不同,如信息互联网的信息可以断续传播,并不影响用户的阅读,但能源互联网的能源一定要避免能源的中断。

5 结 语

能源互联网是由多分级的微电网互联而组成的实现能量和信息双向流通的共享网络。从用户角度看,能源互联网是自治、完整运行的电力系统,可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求。目前能源互联网的建设还处于初级阶段,发展方向和技术特点都有待于进一步探讨。

[1] 沈洲,周建华,袁晓冬,等.能源互联网的发展现状[J].江苏电机工程,2014,33(1):81-84.

[2] 查亚兵,张涛,谭树人.关于能源互联网的认识与思考[J].国防科技,2012,33(5):1-6.

[3] 查亚兵,张涛,黄卓,等.能源互联网关键技术分析[J].电力自动化设备,2010,30(5):104-108.

[4] 张明锐,刘金辉,金鑫.微型电网及其继电保护研究[J].电力系统保护与控制,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

张 军(1991—),男,硕士研究生,研究方向为建筑智能化。