能源互联网管理科学与工程问题

能源能源互联网管理科学与工程问题互联网管理科学与工程问题国防科技国防科技大学信息系统与管理学院大学信息系统与管理学院张涛博士、教授[e-mail]一、能源互联网提出的背景二、能源互联网组成与结构主要内容二、能源互联网组成与结构三、能源互联网管理科学与工程问题一、能源互联网提出的背景二、能源互联网组成与结构主要内容二、能源互联网组成与结构三、能源互联网管理科学与工程问题全球变暖问题突出全球变暖问题突出北极格陵兰岛冰融化1992与2002年的对比图融化1992与2002年的对比图雾霾天气雾霾天气————环境被破坏的严重信号环境被破坏的严重信号十八大提出把生态文明建设放在突出地位十八大提出把生态文明建设放在突出地位
党的十八大提出把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，这为我国未来科学发展和可持续发展指明了方向。风力、光伏、水电是常见的可再生能源风力、光伏、水电是常见的可再生能源((绿色能源绿色能源))•2009年9月出版的《科学》杂志上发表的“PotentialforWindGeneratedElectricityinChina”一文指出：”只要中国提高补贴和改善传输网络，至2030年风力发电就可以满足中国所有的电力需求。“风力、光伏、水电是常见的可再生能源风力、光伏、水电是常见的可再生能源((绿色能源绿色能源))•科学家指出，太阳光线一个小时的照射所产生的能量足以支撑全球经济运行一整年。•欧洲光伏工业协会预测，在所有适合的建筑物表面安装光伏系统能够产生1.5万亿瓦特的电能，能满足欧盟所需电力总数的40%。可再生能源的特点与有效利用问题可再生能源的特点与有效利用问题太阳辐射分布图风力资源分布图地理上分布且不均匀单位面积产量小时间上生产不连续就地收集就地存储就地使用能源互联网可以理解为：一种可充分利用分布式可再生能源互联网可以理解为：一种可充分利用分布式可再生能源的能源的有效方式有效方式、、技术技术或或基础设施基础设施。。大规模可再生能源发电大规模储能站楼顶太阳能发电小型就地收集就地存储就地使用余电共享墙面地面太阳能发电小型分布式发电装置小型储能器家庭小型能源系统科学与技术前沿论坛能源互联网是一个可以进行能源共享的能源互联网是一个可以进行能源共享的公共平台公共平台能源互联网反馈剩余电力反馈剩余电力接收电力服务接收电力服务反馈剩余电力反馈剩余电力接收电力服务接收电力服务住宅用户住宅用户企业用户企业用户智能大厦智能大厦能源互联网是信息互联网发展中产生的开源创造和分布架构两种重要思想融入能源系统的必然产物。开源创造分布架构能源系统能源互联网能源互联网的定义能源互联网的定义能源互联网是通过先进的电力电子技术能源互联网是通过先进的电力电子技术、、信息技术和智能信息技术和智能管理技术管理技术，，将大量由分布式能量采集装置将大量由分布式能量采集装置、、分布式能量储存装分布式能量储存装置和各种负载构成的新型电力网络节点互联起来置和各种负载构成的新型电力网络节点互联起来，，实现能量双实现能量双向流动的向流动的能量对等交换与共享网络能量对等交换与共享网络。。能源互联网的五大特征能源互联网的五大特征可再可再生分布分布智能智能（（11））可再生可再生能源是其能量能源是其能量产生的主要来源。产生的主要来源。（（22））分布式分布式发电发电、、分分（（55））智能化智能化融入能量产融入能量产五大特征分布式联起联起来开放开放性智能化（（22））分布式分布式发电发电、、分分布式储能是其能量产生布式储能是其能量产生和存储的主要形式和存储的主要形式。。（（33））分布式的各类能量节点分布式的各类能量节点互互联起来联起来实现能量的交换与实现能量的交换与共享共享。。（（44））具有扁平具有扁平开放开放的结构的结构，，支持各种能量设备的支持各种能量设备的““即插即插即用即用””。。（（55））智能化智能化融入能量产融入能量产生生、、存储存储、、使用等各环节使用等各环节。。一、能源互联网提出的背景二、能源互联网组成与结构主要内容二、能源互联网组成与结构三、能源互联网管理科学与工程问题能量路由器直流总线交流总线智能故智能故障管理障管理储能装置储能装置放电放电充电充电发电发电智能故智能故障管理障管理信息控制下的能量流信息控制下的能量流负载负载负载负载交流总线分布式分布式可再生可再生能源发能源发电装置电装置交流交流直流直流分布式分布式储能装储能装置置直流直流直流直流分布式分布式可再生可再生能源发能源发电装置电装置直流直流直流直流双向能量流双向能量流用电用电未来能源家域网示意图能源互联网结构能源互联网结构通信线电力线分布式智能控制能源局域网能源局域网能源局域网能源局域网线路断路器（CB）IFM线路断路器（CB）IFM线路断路器（CB）IFM…能量路由器能量路由器储电发电储电发电传统结构能源互联网结构发电节点输电节点配电节点用电节点发电储电用电能源互联网节点能源互联网节点发电储电用电发电储电用电能源互联网节点能源互联网节点能源互联网节点能源互联网节点一、能源互联网提出的背景二、能源互联网组成与结构主要内容二、能源互联网组成与结构三、能源互联网管理科学与工程问题能源互联网技术特征能源互联网技术特征技术高渗透率高渗透率非线非线多尺多尺（1）可再生能源高渗透率：能源互联网中将接入大量各类分布式可再生能源发电系统，能源互联网的控制管理与传统电网之间存在很大不同，需要研究由此带来的一系列新的科学与技术问题。（2）高维非线性随机特性：可再生能源具有很大的不确定性和不可控性，同时考虑实时电价、运行模式变化、用户侧响应、负载变化等因素的随机特性，能源互联网将呈现复杂的随机特性，其控制、优化和调度将面临更大挑战。技术特征非线性大数大数据多尺度制、优化和调度将面临更大挑战。（3）多源大数据特性：能源互联网运行在高度信息化的环境中，数据对于系统管理来说不是太少而是太多，调度与控制系统将获得海量的数据信息，并且这些数据将沿着三个维度呈现爆发式的增长。（4）多尺度动态特性：作为社会/信息/物理相互依存的超大规模复合网络，与传统电网相比，具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性，呈现出复杂的、不同尺度的动态特性。某地区太阳辐射量月份分布图某地区太阳辐射量月份分布图（一）可再生能源发电预测问题（一）可再生能源发电预测问题（一）可再生能源发电预测问题（一）可再生能源发电预测问题可再生能源是一种间歇性、随机性、不可调度和波动性大的一次能源,它的接入对电力系统的规划与运行、调度与控制都带来了新问题，因此对可再生能源发电功率的预测方法成为研究的热点。①光伏发电输出功率预测问题②风力发电输出功率预测问题③集群可再生能源发电输出功率预测问题（一）可再生能源发电预测问题（一）可再生能源发电预测问题以风力为例，根据研究目的不同,风力发电功率预测可以分为3类:①以功率平衡控制为目的的风速、风向预测方法或模拟方法•主要用于风力发电控制系统、风力发电机组保护系统和控制器或风轮机机械部件设计等方面。•时间间隔：秒级或分钟级;②以电力系统能量调度为目的的风速或风力发电功率预测方法预测各时段的平均风速和相应的平均风力发电功率。•预测各时段的平均风速和相应的平均风力发电功率。•时间间隔：几分钟到数十分钟;③用于中长期发电规划和备用发电容量计划的风速或风力发电功率预测方法•此类方法通常预测全年12个月代表日的小时平均风速或月平均风速,利用风速的概率分布函数和统计特征产生相应的模拟风速序列。（一）可再生能源发电预测问题（一）可再生能源发电预测问题以电力系统能量调度为目的的风速或风力发电功率预测方法可归为2类:①时间序列法及其与人工神经网络等智能方法相结合的方法•原理：预测平均风速,然后根据风力发电机组的功率特性计算得到相应的输出功率预测值。•缺点：尽管风速预测精度非常高,但风力发电功率预测误差仍然很大。然很大。②人工神经网络、模糊逻辑法、支持向量机等人工智能算法•原理：用黑匣子原理直接将风速、风向等气象学预测的物理量与风力发电机组输出功率相关联,采用人工智能方法建立输入与输出间的映射关系。•缺点：这类方法不能给出输入与输出间关系的解析表达式,每次应用都需要大量的样本进行学习。办公楼每日耗能与光伏发电对比图办公楼每日耗能与光伏发电对比图（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题能量的产生=能量的消耗+能量的存储由于可再生能源的不确定性，要最大程度有效消纳它，就需要对它进行有效的存储。储能系统：既可以作为能量来源，也可以作为负载，是能源互联网中真正可控对象，是实现能源互联网的关键。（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题风能风能//太阳能等可太阳能等可再生能源发电再生能源发电用户负载

地域地域

季节季节

时间时间不连续、不稳定、不可控特性不连续、不稳定、不可控特性输出功率发电发电中断中断大规模电池成组是实现大规模储能的重要思路（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题TeslaTesla电动跑车电池管理系统电动跑车电池管理系统••由由68316831节节1865018650单体单体（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题••由由68316831节节1865018650单体单体锂电池组成的电池组锂电池组成的电池组••大规模电池管理技术大规模电池管理技术极其重要极其重要（1）基于状态的电池充放电控制问题大规模成组电池存在的问题：大规模成组电池存在的问题：单体数量庞大，成组的可靠性、安全性不高；成组后能量密度、循环寿命等性能大幅度下降。根据电池单体的剩余容量、电压、电流、内阻等状态信息，如何进行充放电优化控制充放电优化控制、、均衡均衡、、过充放保护过充放保护是个科学难题。（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题（2）储能系统性能分析问题（2）储能系统性能分析问题当前荷电状态（SOC）估算不准确，例如常用的安时积分法本身不能估计初始容量SOC，非常温状态SOC估算误差较大，同时SOC受多因素影响，对温度、倍率比较敏感，需要考考虑多因素的虑多因素的、、高精度的高精度的SOCSOC估算模型估算模型。对于大规模成组电池大规模成组电池系统系统和电池网络电池网络的剩余容量（SOC）、剩余寿命（SOH）精确估算更是难上加难。（3）储能系统结构设计与优化问题配电网结构特性分析能源局域网与配电网相互作用负荷特性分析经济性分析电网侧储能系统用户侧储能系统分布式电源特性分析发电侧储能系统（4）储能系统规划问题（二）储能及其管理问题（二）储能及其管理问题分布式电源特性分析潮流特性分析发电侧储能系统智能能量管理（IEM）通信总线通信总线控制策略优化控制策略优化能量优化调度能量优化调度能量设备管理能量设备管理功能：能量设备管理：对各种分布式能量设备的接入和退出进行识别（三）智能能量管理问题（三）智能能量管理问题能量设备管理：对各种分布式能量设备的接入和退出进行识别和集成管理，实现“即插即用”。控制策略优化：根据系统内外部条件，对能量消费模式进行优化调整，保证系统稳定、经济的运行。能量优化调度：按照给定的能量消费模式，通过对各种能量设备的调节和控制，满足用户负载需求，在保证电能质量的同时充分利用可再生能源。多节点间协同控制：与其他节点协调，实现整体供需平衡。多层次：可再生能源的不稳定性需要从很多层面进行解决和调控，包括需求响应、功率预测、储能调度等，而且不同层次控制对于时间敏感性、控制粒度和控制方式等不同。分布式：扁平的分布式架构具有更好的可扩展性，是未来能源互联网实现的主要方式，这就要求智能能量管理应该重点考虑多节点分布式控制模式。不确定性：可再生能源发电存在间歇性和不确定性。智能能量管理（智能能量管理（IEMIEM）的特点）的特点（三）智能能量管理问题（三）智能能量管理问题IEMIEMIEMIEMIEMIEMIEMIEM（1）能量设备“即插即用”管理问题各种能量设备的自动识别技术、能量设备“