能源互联网技术发展阶段分析

1、能源互联网技术发展阶段分析2016.8目录一、引言1二、能源互联网阶段划分12.1 全球能源互联网发展阶段划分22.2 国内互联的阶段划分32.3 能源互联网架构划分4三、能源互联网阶段技术分析53.1 能源本身的互联阶段63.2 信息互联网与能源行业相互促进103.3 能源与信息深度融合11四、结论12能源互联网技术发展阶段分析一、 引言第一次工业革命：蒸汽机作为动力机被广泛使用，机器代替了手工劳动，使人类社会对能源需求大大提高。第二次工业革命：电的发现和利用、内燃机等机械技术的发展直接推动了第二次工业革命，人类这一百多年的文明发展伴随着能源的急速消耗，对能源的需求还在不断增加。“第三次工业

2、革命”：融合互联网技术和可再生能源技术，构建新型能源供需架构的思路，能源互联网相关技术获得广泛关注。之所以“第三次工业革命”，注以引号，是因为随着美国未来学者杰里米里夫金所写的第三次工业革命一书提及并着重描绘的能源互联网蓝图引起广泛关注和憧憬。从而逐渐兴起一股能源互联网的讨论热，并且逐步升温成一种预见性的“革命”。即便称之为“革命”，也只是概念性的，因为并不是后世总结。或许，今时今日的我们便是“革命者”，开创一个新革命。能源互联网，现在被各界誉为能源发展趋势，具有指向性的作用，国内外学者给以不同发展阶段定义，所谓“仁者见仁，智者见智”，本文根据目前国内多数专家、学者的学说，简单谈一下能源互联网

3、的阶段划分，以及现阶段技术发展状况。二、 能源互联网阶段划分能源互联网是刚刚起步的阶段，也是正在构建蓝图，逐步定义调整的阶段。现阶段能源互联网主要定义为，互联网技术、能源技术与现代电力系统的结合，是信息技术与能源电力技术融合发展的状态。解决可再生能源的有效利用问题, 即借助电力电子技术、信息技术实现各类集中式电源、分布式电源、储能装置、用电单元的能源流、信息流的互联互通，在允许新能源接入的同时，合理分配能源资源以提高能源利用率。能源互联网是互联网技术提供了可行的技术方案。包含了目前开展的智能电网,分布式发电,微电网等研究,能源互联网在概念、技术、方法上都有一定的独特之处，其中微电网是能源互联网

4、现阶段的主体，也是最基本的构架。因此如果以开放、互联、对等、分享的原则对电力系统网络进行重构，可以提高微电网在电网安全性和电力生产的效率，使得能源互联网内可以跟互联网一样信息分享无比便捷。对于推动能源互联网的发展,并逐步使传统电网向能源互联网演化,具有重要理论意义和实用价。2.1 全球能源互联网发展阶段划分能源互联网的发展阶段划分，我们引进互联网发展历程作为参考点，首先总结归纳一下互联网发展情况，通过现有文本资料，大致互联网分为三个阶段，具体如下：第一阶段，1960年的专用电子网发展到1970年的计算机局域网；第二阶段，1980年到1990年，发展的DARPA-Net，包含了IP体系结构和TC

5、P 协议；第三阶段，1990年到2000年的全球通用互联网（Internet )和互联网应用（Web等）。可以看出，第二阶段的转变是互联网的关键，那么关键点是什么？关键点，即把Net联成Internet，通过通讯协议的标准化，水平互联，互通大网。同理，我们依据上述互联网阶段性的划分，分析一下全球能源互联网的阶段性划分，如下所述：第一阶段，国内互联，相当于互联网的专用电子网和计算机局域网；第二阶段，洲内互联，相当于DARPA-Net，开始互通，定制能源通讯标准；第三阶段，洲际互联，相当于全球通用互联网和互联网应用。相比各阶段的互通性，能源互联网也是通过局域性的联通，然后定制交互的标准，最终达到全

6、球通用，类似互联网的万维网。可以得出，构建全球能源互联网总体可分为：“国内互联”、“洲内互联”、“洲际互联”三个阶段。从现在到2020年，重点加快各国清洁能源开发和国内电网互联建设；到2030年，重点推动洲内大型能源基地开发和电网跨国互联；到2050年，重点开发“一极一道”能源基地和推动电网跨洲互联，基本建成全球能源互联网。从此可看出，全球宏观的角度，目前尚处于第一阶段“国内互联”，而在此阶段，我国学者对能源互联网的概念提出了自己的见解。认为能源互联网是综合运用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来

7、，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。2.2 国内互联的阶段划分根据国内能源的发展经历，同样也可大致分为三个阶段，如下：第一阶段，1980年开始发展的分布式能源、可再生能源、储能等技术；第二阶段，2000年逐渐开始发展的能源微网，主要以微电网为主；第三阶段，2015年开始把能源微网联成能源互联网，亦被称为“元年”。经过上述三个阶段，完成全球能源互联网的第一阶段“国内互联”。通过上文，可以判断出我们现在处于“国内互联”的第三阶段的初步时期，即从2015年的“元年”始，到2030年完成建设。便可展开全球能源互联网的“洲内互联”、“洲际互联”后续的两个阶段。“国内互联”的第三阶段，又可细化，

8、划分为三个阶段：第一阶段，能源本身的互联阶段，以电力系统为核心枢纽的多种能源物理互联网络，实现了横向多源互补；第二阶段，信息互联网与能源行业相互促进，信息指导能量，初步形成能量互联网；第三阶段，能源与信息深度融合，能源生产和消费达到高度定制化、自动化、智能化，形成一体化的全新能源产业形态。这三个步骤既是一个逐级递进的过程，也是一个相互渗透、同步发展的过程。我们目前现状处于第二阶段，为了更加直观，方便梳理，请下图1.1图1.1 能源互联网发展阶段示意图通过图1.1，我们可以清晰的看到，现在处于的阶段，即图1.1的红字部分，预计在2020年完成此阶段的进程，后续2020年至2030年，第三阶段“能

9、源与信息深度融合”完成。此时，全球能源互联网第一阶段“国内互联”，告一段落。2.3 能源互联网架构划分上文中是通过互联网发展阶段的角度，划分能源互联网的阶段性。能源互联网既然称为“互联网”，是否可以按照互联网的组织架构，将能源互联网的架构进行划分，答案是显而易见的，详见下文。以互联网理念构建的新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微电网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，请参考图1.2。以开放对等的信息-能源一体化架构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。认为能源互联网是以电力系统为核心、以互联网及其他前沿信息技术为基础、以分布式可

10、再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。图1.2 能源互联网架构由图1.2可看出，能源网络与互联网有异曲同工之处，借鉴互联网在概念、技术、方法上的独特之处，使得电力输配网络具有极强的可延展性，这是其他能源网络所不具备的。同时，能源互联网由若干个能源局域网相互连接构成。能源局域网由微电网、能量路由器、储能设备、交直流负载组成。以微电网为主体，即可并网工作,也可脱网独立运行。以基本单元局域网中微电网,作为中心扩散到储能设备和负载等，类似于互联网的大量信息交互，做出能量控制决策，保证能源互联网架构的可靠安全工作。三、 能源互联网阶段技术分析通过前文分析

11、，能源互联网正处于初步能量互联的状态。如图1.3红字部分所示，因为我们正处于此阶段，其余阶段本文别不再赘述，重点讨论图中红字部分。图1.3 能源互联网发展阶段示意图如图1.3所述，在“国内互联”第三阶段初期的三个步骤，它们之间其实相互渗透，相互交集，并不是完全独立的。将此三个步骤，逐个讨论一下。3.1 能源本身的互联阶段第一步骤，“能源本身的互联阶段”主要以多种可再生新能源组成的微电网，使得多种相互连通在同一电力平台，提供能源互联网的源。主要涉及到技术为，微电网，大规模储能技术，电能质量。Ø 微电网能源互联网，主要由微电网、低碳节能冷热资源、智能管理平台等构成。最关键部分是由多种新能

12、源发电组成的微电网，它是整个能源互联网的核心部分，带动其他形式能源的关键点，其与能源互联网相互耦合过程中,有以下技术特性问题。1. 可再生能源组成的微电网，新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,在可再生能源高渗透率的环境下,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. 非线性随机特性分布式可再生能源是未来能源互联网的主体,但可再生能源具有很大的不确定性和不可控性,同时考虑运行模式变化,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。3. 多源大数据特性能源互联

13、网工作在高度信息化的环境中,随着分布式电源并网,储能及需求侧响应的实施,包括气象信息,用户用电特征,储能状态等多种来源的海量信息。而且,随着高级量测技术的普及和应用,能源互联网中具有量测功能的智能终端的数量将会大大增加,所产生的数据量也将急剧增大。4. 多尺度动态特性能源互联网是一个物质,能量与信息深度耦合的系统,是物理空间、能量空间、信息空间乃至社会空间耦合的多域,多层次关联,包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统。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。5. 微电网，都是由新能

14、源发电组成。例如光法发电、风力发电，生物质发电等等。它们共同的发电特性，便是间歇性发电，对电网稳定形成扰动，正是由于这样有一定冲击性的源，诸多地方，出现了弃光、弃风的现象。利用储能PCS，作为调节源，电网有电时，PCS工作在电流源模式，用来平抑新能源发电的波动及平滑PCC点的功率。当电网故障或发电机组维修导致整个系统失电时（全黑），通过PCS建立交流母线电压，为新能源发电及负荷提供稳定的电压和频率，此时PCS工作在电压源模式；从系统全黑到PCS建立起交流电压直至恢复对负荷供电的整个黑启动过程。6. 微电网保护系统必须能够响应公共电网和微电网的所有故障。并网运行时，继电保护处于并网模式，如果故障

15、发生在公共电网，保护系统应该尽快切断主断路器，将微电网从公共电网断开，微电网由并网方式平滑切换到孤岛运行模式，提高了供电的可靠性和分布式电源的利用效率，起到保护微电网的作用；如果故障是发生在微电网内部，保护系统应该尽可能把故障进行小范围隔离。孤网运行时，继电保护处于孤网模式，响应微网内部的所有故障。Ø 大规模储能技术储能系统是整个微电网调节系统平衡稳定时的缓冲带，微电网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(如家庭或小区等)一般都具有发电能力,因此需要配备一定规模的分布式储能系统。另一方面能源互联网的电网侧或发电侧, 因为可再生能源的高渗透率,所以为了维持系统

16、的稳定运行,必须配备较大规模的集中储能系统。可以看出,分布式和大规模同时并存是能源互联网储能的重要特点。目前大规模储能技术，由下面3个方面进行攻破技术：1. 储热/储冷。重点在太阳能光热的高效利用、分布式能源系统大容量储热(冷)等方面开展研发与攻关。如开发高热导、高热容的耐高温混凝土、陶瓷、熔盐、复合储热材料的制备工艺与方法;研究高温储热材料的抗热冲击性能及机械性能间关系，探究高温热循环动态条件下材料性能演变规律;研究10MWh级以上高温储热单元优化设计技术。2. 物理储能。重点在电网调峰提效、区域供能的物理储能应用等方面开展研发与攻关。如压缩空气，飞轮储能，蓄水储能等等，简单介绍两种，如下：

17、新型压缩空气储能技术。突破10MW/100MWh和100MW/800MWh 的超临界压缩空气储能系统中宽负荷压缩机和多级高负荷透平膨胀机、紧凑式蓄热(冷)换热器等核心部件的流动、结构与强度设计技术；飞轮储能技术。发展 10MW/1000MJ 飞轮储能单机及阵列装备制造技术。突破大型飞轮电机轴系、重型磁悬浮轴承、大容量微损耗运行控制器以及大功率高效电机制造技术;突破飞轮储能单机集成设计、阵列系统设计集成技术;研究飞轮单机总装、飞轮储能阵列安装调试技术;研究飞轮储能系统应用运行技术、检测技术、安全防护技术;研究飞轮储能核心部件专用生产设备、总装设备、调试设备技术和批量生产技术。3. 化学储能。重点

18、在可再生能源并网、分布式及微电网、电动汽车的化学储能应用等方面开展研发与攻关。如锂电池，铅酸电池，液流电池，钠硫电池，超级电容，氢储能等等，简单介绍一下超级电容：大容量超级电容储能技术。开发新型电极材料、电解质材料及超级电容器新体系。开展高性能石墨烯及其复合材料的宏量制备，探索材料结构与性能的作用关系;开发基于钠离子的新型超级电容器体系。研究高能量混合型超级电容器正负电极制备工艺、正负极容量匹配技术;研发能量密度 30Wh/kg、功率密度 5000W/kg的长循环寿命超级电容器单体技术。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,拓扑结构动态变化, 能源互联网的非线性随机特性

19、给储能系统带来较大冲击,为了提高储能系统灵活应对和处理随机波动的能力,科学合理的拓扑结构是基础。目前,动态化,网络化拓扑结构是研究的主要方向。具有典型的非线性随机特征与多尺度动态特征，对储能系统性能的精确监控是保证对其合理调度使用的基础,然而目前储能单元的性能监控技术仍不够成熟,大规模成组之后储能系统的性能监控更难以实现。监控的主要参数为温度、电压、电流、内阻、荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)等,其中SOC和SOH不可直接测量,其精确估算模型是研究的重点。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，储能单元

20、成组之前,因为生产工艺等原因,不可避免地存在差异性;成组之后,差异性随着循环次数增加将越来越大。为减小差异性,目前已开发了几种常用的储能系统状态均衡技术,分别基于电阻、电容、电感和二极管等耗能和储能元件,但均衡效果仍不够理想,均衡电路与均衡元件的有效搭配是状态均衡的热点。Ø 电能质量 新能源发电，会产生谐波问题，谐波会干扰整个系统稳定运行，降低了发电、输变电设备的效率；大量的3次谐波流过中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾；影响各种电气设备的正常工作除了引起附加损耗外还可使电机产生机械振动、噪声和过电压使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏；会引起

21、公用电网中局部并联谐振和串联谐振从而使谐波放大使前述的危害大大增加甚至引起严重事故；会导致继电保护和自动装置误动作并使电气测量仪表计量不准确；会对邻近的通信系统产生干扰轻者产生噪声降低通信质量重者导致信息丢失使通信系统无法正常工作。在并网点，必须满足国家政策规定的功率因素，需要补偿大量的无功功率，向电力系统快速、连续、动态的输出感性、容性无功；维持线路、受电端电压稳定性，抑制电压波动和闪变；补偿系统无功功率，提高功率因数，减少线损；消除负序电流，抑制三相不平衡；谐波动态补偿，通常目前选用，相应快速的SVG设备。3.2 信息互联网与能源行业相互促进第二步骤，“信息互联网与能源行业相互促进”，一方

22、面，互联网大量信息快速交互，分析判断出控制策略；另一方面，信息的高效流动使分散决策替代了集中决策的整体优化，实现资源配置更加优化。主要涉及到技术为，能量路由器、传感与通信、大数据分析。Ø 能量路由器在能源互联网中,骨干网络仍将承担能源远距离传输的功能;分布式能源单元不仅是能源负荷,也是重要的能源供应来源,实现不同特征能源流融合是能源路由器必须具备的功能.一方面,能源路由器必须要保证流入能源的质量满足需求要求;另一方面,应能够保证能源的合理流动,实现恰当数量的能源流向恰当的负荷;第三方面,能够及时监控能源流的质量,实时调节保证能源流的安全流动.以电力能源为例,承担局域能源单元与骨干网络

23、互联的能源路由器必须能够实现骨干高压能源流到低压适用的能源流的变压调节、交流能源和直流能源的相互转换;局域能源单元互联的能源路由器必须具备消纳可再生能源生产,尽可能地保证可再生能源的高效利用,因此,变压、整流、存储和消纳功能是能源路由器必须具备的功能.保证能源流的适时流动要求路由器必须能够感知负荷和能源供应变化,具备改变能源流动方向和数量的功能,负荷监控和自动调节使其需具备的功能,多级别变压和能源存储管理技术能够较好的支撑该功能.电流质量的细微变化都有可能造成整个能源供应体系的崩溃,及时发现和处理能源质量问题是主要解决办法,在路由器上实现能源质量的监控和调节是分布式保证能源质量问题的有效方法,

24、能源质量感知和自动安全保护功能也应该在能源路由其中加以设置。Ø 传感与通信采集发电端及负载端各个设备的信号，再充分利用信息通信技术，构建一体化信息通信系统和适用于海量数据的计算分析和决策平台，整合智能电网数据资源，挖掘信息和数据资源价值，全面提升电力系统信息处理和智能决策能力，为各类能源接入、调度运行、用户服务和经营管理提供支撑。在统一的技术架构、标准规范和安全防护的基础上，建设覆盖规划、建设、运行、检修、服务等各领域信息应用系统。Ø 大数据分析通过各个节点数据收集，主要通过实测潮流、数据云库、能量管理、能量交易，分析大数据，得出最优控制方式。并且可以进行预测性分析，提前通

25、过控制策略，规避风险。3.3 能源与信息深度融合第三步骤，“能源与信息深度融合”，能源与信息深度融合，能源生产和消费达到高度定制化、自动化、智能化，形成一体化的全新能源产业形态。主要涉及到技术为：能量管理系统、能量计费系统、运行与控制自动化。Ø 能量管理系统微电网在并网和孤网时都可以按照某种设定的目标运行，如经济目标，技术目标等，能量管理系统为微电网系统内部每个分布式能源控制器提供功率和电压设定点；确保满足微电网系统中电负荷需求；确保微电网系统满足与主网系统间的运行协议；尽可能使能源消耗与系统损耗最小；使分布式电源的运行效率最高；提供微电网系统故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑与控制方法等。Ø 能量计费系统微网能源交易系统通