浅析能源互联网与智慧能源的发展及技术挑战

浅析能源互联网与智慧能源的发展及技术挑战1能源互联网与智慧能源概念能源互联网是在第三次工业革命背景下，为解决化石燃料的逐渐枯竭及其造成的环境污染问题，以新能源技术和信息技术深入结合为特征的一种新的能源利用体系。能源互联网没有中心化的调度与管理，借鉴互联网应用中社交网络的信息分享机制，能源互联网中各局域网间的能量交换与路由也都是就近实时动态进行的，分布式能量自治单元构成了能源的局域网，以分散式的局部最优实现全局能量管理的调度优化方法，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度地适应新能源的接入。能源互联网是从能源生产、输送、配给、转化和消耗等方面构建一套完整的能源体系。按其定义，能源的传输和转换可以是任何一种能源媒质，虽然能源形式多种多样，电能源仅仅是能源的一种，但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势，未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网，因此未来能源互联网基本上是以大电网为主干网络，而在配、用环节利用电、气、冷、热等能量的相互转化和替代来构建城市能源互联网的分布式能量自治单元，最后以互联网理念构建而成的新型的信息能源相互融合的网络态势。2能源互联网关键技术与运行机制探讨能源互联网的形成需要新的技术突破与管理运行机制的优化和创新。2.1网间传输能源互联网在微网间及微网与传输层间的能量传递所需要解决的技术瓶颈主要是用一种设备解决能量转化及输送的双向性。目前，研究的焦点主要集中在固态变压器与能量路由器。(1)固态变压器。固态变压器相比传统变压器不仅能实现电压转换(高压和低压间的转换)，还能实现频率转换(直流和交流间的转换)，相比传统变压器只能适用于单一频率、单向电压的传递，固态变压器几乎可以适用于所有情况下的电压双向传递。例如，固态变压器可将风力发电并入电网，实现低压交流电向高压交流电的转化;可将太阳能发电并入电网，实现低压直流电向高压交流电的转化;可为电动汽车充电，实现低压交流电向低压直流电的转化;可将分布式储能装置与电力中线相连，实现直流电与交流电的双向传导。同时，固态变压器在实现频率和电压变换方面非常灵活，因此可以有效阻断变压器两端的故障传递。固态变压器研究目前还处于起步阶段，还没有商业化的相关产品，而国际上也仅有集中高功率密度的固态变压器产品。固态变压器发展高度依赖于电力电子技术的发展，现阶段在电网企业中与其有关的研究主要集中在柔性直流技术上，随着云南电网与南方电网异步互联运行及省区电网为解决电磁环网在220kV电压等级应用柔性直流输电技术，在积累一定的运行经验后，可能会对固态变压器的研究有所推动。(2)能量路由器。能量路由器概念的提出依赖于下述概念，同传统电网自顶向下的树状结构相比，能源互联网的形成是能量自治单元之间的对等互联，任意单元之间的连接是逻辑上的，真正的实现必须建立在分散路由的基础之上，能量的传输应该是多次路由的结果，路由之间是解耦的，从而可以避免一系列安全稳定性问题。在广域互联中可以通过储能缓冲直流输电等方式实现解耦，同时局域不稳定问题可以通过广泛互联实现广域的动态互备用，达到安全稳定可靠的目标，而不是依靠过大的安全裕度而降低了系统利用率。能量路由器的组成架构可简要分为3个层面。第1层为能量层，主要靠固态变压器、储能设备等基础设备构成;第2层为控制层，主要靠数据采集装置、复杂的优化计算模块(分布式能量管理与分配系统(含储能)、能量负荷实时预测系统、运营交易报价撮合系统、需求响应管理系统、安全校验与故障诊断系统、能效评价与结算系统等)、控制回路模块构成;第3层为信息层，主要依靠信息物理系统以及依靠大数据平台发展建立的云计算技术等互联网体系架构建立。2.2储能技术储能技术的发展是解决能源间及产能与耗能间时间不匹配性的关键根据所用的能量形式，通常可将储能技术分为物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电化学储能(二次电池储能、液流电池储能、超级电容器储能)、化学储能(氢储能、合成天然气储能)、磁储能(超导线圈储能)和热储能(熔融盐储能、显热储能)5类。对于能源互联网的实现，根据其定义可看出，最基本需要3个层面的储能设备。第1个层面是在各分布式能量单元中所配置的储能设备，其形式主要配合该分布式能量源的形式，容量较小;第2个层面是在能量路由器中配备中等容量的储能设备，其形式应满足体积小，充放电较快的要求;第3个层面是在能源互联网传输层需配备容量较大的储层设备，依当前技术水平，形式采取抽水蓄能较为实际。2.3应用平台能源互联网综合应用服务平台的建立是能源互联网纳入实际运行的必要条件。能源互联网综合应用服务平台的建设需要强大的技术支撑、政策支撑、顶层设计、行动计划，然后才能探索如何形成有效的商业模式。能源互联网综合应用服务平台的建立首先需建立能源市场交易平台。随着国家对传统能源企业经营模式的改革，南方电网公司作为试点正在推进输配电价改革及售电侧模式的改革，但根据国家发改委、国家能源局正式公布6大电力体制改革配套文件，国家并没有剥离电网公司参与售电的权利，而仅是引入民营资本，可能在短期内电力能源的销售模式并不会发生较大改变，只会在增量部分由独家垄断变成寡头之间的竞争性售电。同样，国家在石油能源行业也只是进行了一些初步的改革，在天然气及用水的能源上依旧是采取的垄断政策。所以若要推进能源互联网的形成与发展，必须有国家政策的顶层设计，建立不同形式能源交易竞价的综合平台。其次，能源互联网的综合应用平台还需要建立需求响应管理平台，该平台主要以使能源互联网中供需区域平衡为目标，通过用户对不同能源形势的需求分析，根据经济激励、储能水平以及能量管理系统对能源互联网中能源进行优化分配响应。最后，能源互联网的综合应用平台的建立还需建立用户服务系统(包含用电管控、电能质量、委托管理等子系统)、营销服务系统(包含负荷预测、用户能效管理、实时电价)。3能源互联网与智慧能源的发展方向结合上述能源互联网的关键技术与运行机制可以看出，能源互联网的真正实现和形成需要能量路由器相关软硬件技术取得突破。根据我国大规模储能技术发展应用路线图，若要满足能源互联网运行的水平需要，至少需要等到2030年。所以现阶段的能源互联网可以把其看成是一个以电网为主干网架，含智慧能源的分布式微网非解耦接入的过渡期狭义能源互联网。针对其的研究主要可以从3方面进行：①从顶层设计的思路，研究能源互联网的标准化体系架构以及能源市场交易机制。②以可预见的储能技术发展为前提条件，研究分布式能量管理与分配系统(含储能)、能量负荷实时预测系统、运营交易报价撮合系统、需求响应管理系统、安全校验与故障诊断系统、能效评价与结算系统中的相关运行管理优化技术。③至下而上，通过对微网中不同智慧能量源的优化建模，仿真研究能源互联网的非解耦运行过程，待能量路由器相关技术取得突破，即可实现解耦运行的研究仿真，其中智慧能源可优先对现阶段已有部分应用的冷热电联供技术进行研究。