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淺析能源互聯(lián)網(wǎng)與智慧能源的發(fā)展及技術(shù)挑戰論文
1 能源互聯(lián)網(wǎng)與智慧能源概念
能源互聯(lián)網(wǎng)是在第三次工業(yè)革命背景下，為解決化石燃料的逐漸枯竭及其造成的環(huán)境污染問(wèn)題，以新能源技術(shù)和信息技術(shù)深入結合為特征的一種新的能源利用體系。能源互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有中心化的調度與管理，借鑒互聯(lián)網(wǎng)應用中社交網(wǎng)絡(luò )的信息分享機制，能源互聯(lián)網(wǎng)中各局域網(wǎng)間的能量交換與路由也都是就近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，分布式能量自治單元構成了能源的局域網(wǎng)，以分散式的局部最優(yōu)實(shí)現全局能量管理的調度優(yōu)化方法，真正實(shí)現能源的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用，因此可以最大限度地適應新能源的接入。能源互聯(lián)網(wǎng)是從能源生產(chǎn)、輸送、配給、轉化和消耗等方面構建一套完整的能源體系。按其定義，能源的傳輸和轉換可以是任何一種能源媒質(zhì)，雖然能源形式多種多樣，電能源僅僅是能源的一種，但電能在能源傳輸效率等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，未來(lái)能源基礎設施在傳輸方面的主體必然還是電網(wǎng)， 因此未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)基本上是以大電網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò )，而在配、用環(huán)節利用電、氣、冷、熱等能量的相互轉化和替代來(lái)構建城市能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式能量自治單元，最后以互聯(lián)網(wǎng)理念構建而成的新型的信息能源相互融合的網(wǎng)絡(luò )態(tài)勢。
2 能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與運行機制探討
能源互聯(lián)網(wǎng)的形成需要新的技術(shù)突破與管理運行機制的優(yōu)化和創(chuàng )新。
2.1 網(wǎng)間傳輸
能源互聯(lián)網(wǎng)在微網(wǎng)間及微網(wǎng)與傳輸層間的能量傳遞所需要解決的技術(shù)瓶頸主要是用一種設備解決能量轉化及輸送的雙向性。目前，研究的焦點(diǎn)主要集中在固態(tài)變壓器與能量路由器。
(1)固態(tài)變壓器。
固態(tài)變壓器相比傳統變壓器不僅能實(shí)現電壓轉換(高壓和低壓間的轉換)，還能實(shí)現頻率轉換(直流和交流間的轉換)，相比傳統變壓器只能適用于單一頻率、單向電壓的傳遞，固態(tài)變壓器幾乎可以適用于所有情況下的電壓雙向傳遞。例如，固態(tài)變壓器可將風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)，實(shí)現低壓交流電向高壓交流電的轉化;可將太陽(yáng)能發(fā)電并入電網(wǎng)，實(shí)現低壓直流電向高壓交流電的轉化;可為電動(dòng)汽車(chē)充電，實(shí)現低壓交流電向低壓直流電的轉化;可將分布式儲能裝置與電力中線(xiàn)相連，實(shí)現直流電與交流電的雙向傳導。同時(shí)，固態(tài)變壓器在實(shí)現頻率和電壓變換方面非常靈活，因此可以有效阻斷變壓器兩端的故障傳遞。
固態(tài)變壓器研究目前還處于起步階段，還沒(méi)有商業(yè)化的相關(guān)產(chǎn)品，而國際上也僅有集中高功率密度的固態(tài)變壓器產(chǎn)品。固態(tài)變壓器發(fā)展高度依賴(lài)于電力電子技術(shù)的發(fā)展，現階段在電網(wǎng)企業(yè)中與其有關(guān)的研究主要集中在柔性直流技術(shù)上，隨著(zhù)云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)異步互聯(lián)運行及省區電網(wǎng)為解決電磁環(huán)網(wǎng)在220kV 電壓等級應用柔性直流輸電技術(shù)，在積累一定的運行經(jīng)驗后，可能會(huì )對固態(tài)變壓器的研究有所推動(dòng)。
(2)能量路由器。
能量路由器概念的提出依賴(lài)于下述概念，同傳統電網(wǎng)自頂向下的樹(shù)狀結構相比，能源互聯(lián)網(wǎng)的形成是能量自治單元之間的對等互聯(lián)，任意單元之間的連接是邏輯上的， 真正的實(shí)現必須建立在分散路由的基礎之上，能量的傳輸應該是多次路由的結果，路由之間是解耦的，從而可以避免一系列安全穩定性問(wèn)題。在廣域互聯(lián)中可以通過(guò)儲能緩沖直流輸電等方式實(shí)現解耦，同時(shí)局域不穩定問(wèn)題可以通過(guò)廣泛互聯(lián)實(shí)現廣域的動(dòng)態(tài)互備用，達到安全穩定可靠的目標，而不是依靠過(guò)大的安全裕度而降低了系統利用率。
能量路由器的組成架構可簡(jiǎn)要分為3 個(gè)層面。
第1 層為能量層，主要靠固態(tài)變壓器、儲能設備等基礎設備構成;
第2層為控制層，主要靠數據采集裝置、復雜的優(yōu)化計算模塊(分布式能量管理與分配系統(含儲能)、能量負荷實(shí)時(shí)預測系統、運營(yíng)交易報價(jià)撮合系統、需求響應管理系統、安全校驗與故障診斷系統、能效評價(jià)與結算系統等)、控制回路模塊構成;
第3 層為信息層，主要依靠信息物理系統以及依靠大數據平臺發(fā)展建立的云計算技術(shù)等互聯(lián)網(wǎng)體系架構建立。
2.2 儲能技術(shù)
儲能技術(shù)的發(fā)展是解決能源間及產(chǎn)能與耗能間時(shí)間不匹配性的關(guān)鍵根據所用的能量形式，通�？蓪δ芗夹g(shù)分為物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電化學(xué)儲能(二次電池儲能、液流電池儲能、超級電容器儲能)、化學(xué)儲能(氫儲能、合成天然氣儲能)、磁儲能(超導線(xiàn)圈儲能)和熱儲能(熔融鹽儲能、顯熱儲能)5 類(lèi)。
對于能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現，根據其定義可看出，最基本需要3 個(gè)層面的儲能設備。第1 個(gè)層面是在各分布式能量單元中所配置的儲能設備，其形式主要配合該分布式能量源的形式，容量較小;第2 個(gè)層面是在能量路由器中配備中等容量的儲能設備，其形式應滿(mǎn)足體積小，充放電較快的要求;第3個(gè)層面是在能源互聯(lián)網(wǎng)傳輸層需配備容量較大的儲層設備，依當前技術(shù)水平，形式采取抽水蓄能較為實(shí)際。
2.3 應用平臺
能源互聯(lián)網(wǎng)綜合應用服務(wù)平臺的建立是能源互聯(lián)網(wǎng)納入實(shí)際運行的必要條件。能源互聯(lián)網(wǎng)綜合應用服務(wù)平臺的建設需要強大的技術(shù)支撐、政策支撐、頂層設計、行動(dòng)計劃，然后才能探索如何形成有效的商業(yè)模式。
能源互聯(lián)網(wǎng)綜合應用服務(wù)平臺的建立首先需建立能源市場(chǎng)交易平臺。隨著(zhù)國家對傳統能源企業(yè)經(jīng)營(yíng)模式的改革，南方電網(wǎng)公司作為試點(diǎn)正在推進(jìn)輸配電價(jià)改革及售電側模式的改革，但根據國家發(fā)改委、國家能源局正式公布6 大電力體制改革配套文件，國家并沒(méi)有剝離電網(wǎng)公司參與售電的權利，而僅是引入民營(yíng)資本，可能在短期內電力能源的銷(xiāo)售模式并不會(huì )發(fā)生較大改變，只會(huì )在增量部分由獨家壟斷變成寡頭之間的競爭性售電。
同樣，國家在石油能源行業(yè)也只是進(jìn)行了一些初步的改革，在天然氣及用水的能源上依舊是采取的壟斷政策。所以若要推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展，必須有國家政策的頂層設計，建立不同形式能源交易競價(jià)的綜合平臺。
其次，能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合應用平臺還需要建立需求響應管理平臺，該平臺主要以使能源互聯(lián)網(wǎng)中供需區域平衡為目標，通過(guò)用戶(hù)對不同能源形勢的需求分析，根據經(jīng)濟激勵、儲能水平以及能量管理系統對能源互聯(lián)網(wǎng)中能源進(jìn)行優(yōu)化分配響應。
最后，能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合應用平臺的建立還需建立用戶(hù)服務(wù)系統(包含用電管控、電能質(zhì)量、委托管理等子系統)、營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)系統(包含負荷預測、用戶(hù)能效管理、實(shí)時(shí)電價(jià))。
3 能源互聯(lián)網(wǎng)與智慧能源的發(fā)展方向
結合上述能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與運行機制可以看出，能源互聯(lián)網(wǎng)的真正實(shí)現和形成需要能量路由器相關(guān)軟硬件技術(shù)取得突破。
根據我國大規模儲能技術(shù)發(fā)展應用路線(xiàn)圖，若要滿(mǎn)足能源互聯(lián)網(wǎng)運行的水平需要，至少需要等到2030 年。所以現階段的能源互聯(lián)網(wǎng)可以把其看成是一個(gè)以電網(wǎng)為主干網(wǎng)架，含智慧能源的分布式微網(wǎng)非解耦接入的過(guò)渡期狹義能源互聯(lián)網(wǎng)。
針對其的研究主要可以從3 方面進(jìn)行：
�、購捻攲釉O計的思路，研究能源互聯(lián)網(wǎng)的標準化體系架構以及能源市場(chǎng)交易機制。
�、谝钥深A見(jiàn)的儲能技術(shù)發(fā)展為前提條件，研究分布式能量管理與分配系統(含儲能)、能量負荷實(shí)時(shí)預測系統、運營(yíng)交易報價(jià)撮合系統、需求響應管理系統、安全校驗與故障診斷系統、能效評價(jià)與結算系統中的相關(guān)運行管理優(yōu)化技術(shù)。
�、壑料露�，通過(guò)對微網(wǎng)中不同智慧能量源的優(yōu)化建模，仿真研究能源互聯(lián)網(wǎng)的非解耦運行過(guò)程，待能量路由器相關(guān)技術(shù)取得突破，即可實(shí)現解耦運行的研究仿真，其中智慧能源可優(yōu)先對現階段已有部分應用的冷熱電聯(lián)供技術(shù)進(jìn)行研究。
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