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淺析能源互聯網與智慧能源的發展及技術挑戰論文
1 能源互聯網與智慧能源概念
能源互聯網是在第三次工業革命背景下，為解決化石燃料的逐漸枯竭及其造成的環境污染問題，以新能源技術和信息技術深入結合為特征的一種新的能源利用體系。能源互聯網沒有中心化的調度與管理，借鑒互聯網應用中社交網絡的信息分享機制，能源互聯網中各局域網間的能量交換與路由也都是就近實時動態進行的，分布式能量自治單元構成了能源的局域網，以分散式的局部最優實現全局能量管理的調度優化方法，真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用，因此可以最大限度地適應新能源的接入。能源互聯網是從能源生產、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，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法比擬的優勢，未來能源基礎設施在傳輸方面的主體必然還是電網， 因此未來能源互聯網基本上是以大電網為主干網絡，而在配、用環節利用電、氣、冷、熱等能量的相互轉化和替代來構建城市能源互聯網的分布式能量自治單元，最后以互聯網理念構建而成的新型的信息能源相互融合的網絡態勢。
2 能源互聯網關鍵技術與運行機制探討
能源互聯網的形成需要新的技術突破與管理運行機制的優化和創新。
2.1 網間傳輸
能源互聯網在微網間及微網與傳輸層間的能量傳遞所需要解決的技術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，研究的焦點主要集中在固態變壓器與能量路由器。
(1)固態變壓器。
固態變壓器相比傳統變壓器不僅能實現電壓轉換(高壓和低壓間的轉換)，還能實現頻率轉換(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，固態變壓器可將風力發電并入電網，實現低壓交流電向高壓交流電的轉化;可將太陽能發電并入電網，實現低壓直流電向高壓交流電的轉化;可為電動汽車充電，實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相連，實現直流電與交流電的雙向傳導。同時，固態變壓器在實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。
固態變壓器研究目前還處于起步階段，還沒有商業化的相關產品，而國際上也僅有集中高功率密度的固態變壓器產品。固態變壓器發展高度依賴于電力電子技術的發展，現階段在電網企業中與其有關的研究主要集中在柔性直流技術上，隨著云南電網與南方電網異步互聯運行及省區電網為解決電磁環網在220kV 電壓等級應用柔性直流輸電技術，在積累一定的運行經驗后，可能會對固態變壓器的研究有所推動。
(2)能量路由器。
能量路由器概念的提出依賴于下述概念，同傳統電網自頂向下的樹狀結構相比，能源互聯網的形成是能量自治單元之間的對等互聯，任意單元之間的連接是邏輯上的， 真正的實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題。在廣域互聯中可以通過儲能緩沖直流輸電等方式實現解耦，同時局域不穩定問題可以通過廣泛互聯實現廣域的動態互備用，達到安全穩定可靠的目標，而不是依靠過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要分為3 個層面。
第1 層為能量層，主要靠固態變壓器、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)、能量負荷實時預測系統、運營交易報價撮合系統、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展建立的云計算技術等互聯網體系架構建立。
2.2 儲能技術
儲能技術的發展是解決能源間及產能與耗能間時間不匹配性的關鍵根據所用的能量形式，通常可將儲能技術分為物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電化學儲能(二次電池儲能、液流電池儲能、超級電容器儲能)、化學儲能(氫儲能、合成天然氣儲能)、磁儲能(超導線圈儲能)和熱儲能(熔融鹽儲能、顯熱儲能)5 類。
對于能源互聯網的實現，根據其定義可看出，最基本需要3 個層面的儲能設備。第1 個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，其形式應滿足體積小，充放電較快的要求;第3個層面是在能源互聯網傳輸層需配備容量較大的儲層設備，依當前技術水平，形式采取抽水蓄能較為實際。
2.3 應用平臺
能源互聯網綜合應用服務平臺的建立是能源互聯網納入實際運行的必要條件。能源互聯網綜合應用服務平臺的建設需要強大的技術支撐、政策支撐、頂層設計、行動計劃，然后才能探索如何形成有效的商業模式。
能源互聯網綜合應用服務平臺的建立首先需建立能源市場交易平臺。隨著國家對傳統能源企業經營模式的改革，南方電網公司作為試點正在推進輸配電價改革及售電側模式的改革，但根據國家發改委、國家能源局正式公布6 大電力體制改革配套文件，國家并沒有剝離電網公司參與售電的權利，而僅是引入民營資本，可能在短期內電力能源的銷售模式并不會發生較大改變，只會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也只是進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。所以若要推進能源互聯網的形成與發展，必須有國家政策的頂層設計，建立不同形式能源交易競價的綜合平臺。
其次，能源互聯網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網中供需區域平衡為目標，通過用戶對不同能源形勢的需求分析，根據經濟激勵、儲能水平以及能量管理系統對能源互聯網中能源進行優化分配響應。
最后，能源互聯網的綜合應用平臺的建立還需建立用戶服務系統(包含用電管控、電能質量、委托管理等子系統)、營銷服務系統(包含負荷預測、用戶能效管理、實時電價)。
3 能源互聯網與智慧能源的發展方向
結合上述能源互聯網的關鍵技術與運行機制可以看出，能源互聯網的真正實現和形成需要能量路由器相關軟硬件技術取得突破。
根據我國大規模儲能技術發展應用路線圖，若要滿足能源互聯網運行的水平需要，至少需要等到2030 年。所以現階段的能源互聯網可以把其看成是一個以電網為主干網架，含智慧能源的分布式微網非解耦接入的過渡期狹義能源互聯網。
針對其的研究主要可以從3 方面進行：
①從頂層設計的思路，研究能源互聯網的標準化體系架構以及能源市場交易機制。
②以可預見的儲能技術發展為前提條件，研究分布式能量管理與分配系統(含儲能)、能量負荷實時預測系統、運營交易報價撮合系統、需求響應管理系統、安全校驗與故障診斷系統、能效評價與結算系統中的相關運行管理優化技術。
③至下而上，通過對微網中不同智慧能量源的優化建模，仿真研究能源互聯網的非解耦運行過程，待能量路由器相關技術取得突破，即可實現解耦運行的研究仿真，其中智慧能源可優先對現階段已有部分應用的冷熱電聯供技術進行研究。
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