中國能源互聯(lián)網之路_78能源互聯(lián)網的認識和展望
本文關鍵詞:能源互聯(lián)網的認識和展望,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
Vol.39No.23Dec.10,2015;:/DOI10.7500AEPS20151101;能源互聯(lián)網的認識和展望;姚建國,高志遠,楊勝春;(,江蘇省南京市2)中國電力科學研究院(南京)1;摘要:能源互聯(lián)網目前已經成為研究熱點,但有關其理;論;、含義,其發(fā)展依賴信息通信技術(商業(yè)模式等8項關;0引言;能源問題是支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的核心問不論采用;技術
Vol.39No.23Dec.10,2015
:/DOI10.7500AEPS20151101004
能源互聯(lián)網的認識和展望
姚建國,高志遠,楊勝春
(,江蘇省南京市2)中國電力科學研究院(南京)10003
摘要:能源互聯(lián)網目前已經成為研究熱點,但有關其理念、架構、技術、發(fā)展路徑等諸多方面尚無定
論。文中從互聯(lián)網的發(fā)展經驗出發(fā),剖析能源互聯(lián)網的實質和特征,辨析其與智能電網的區(qū)別與聯(lián)系,梳理其關鍵支撐技術,提出了能源互聯(lián)網的可能發(fā)展路徑。指出能源互聯(lián)網有廣義和狹義2種
、含義,其發(fā)展依賴信息通信技術(商業(yè)模式等8項關鍵技術和機制,未來的發(fā)展可以分為同ICT)時并存的自頂向下的廣域全球能源互聯(lián)網和自底向上的局域能源共享網絡2種發(fā)展模式和路徑。關鍵詞:智能電網;能源互聯(lián)網;能源互聯(lián);信息通信技術;可再生能源;儲能
0 引言
能源問題是支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的核心問不論采用什么題。然而全球的化石能源是有限的,
技術,按目前的社會需求和開采強度,百年之內全球
1]
。更何況化石能源的分布化石能源就將趨于枯竭[
)。隨著2互聯(lián)網(以下簡稱EI011年美國學者杰里
[3]
米·里夫金的《第三次工業(yè)革命》一書的出版,相關研究逐漸開始增多。本文對E特征、關I的理念、
鍵技術進行了辨析,梳理了其發(fā)展現(xiàn)狀和技術差距,分析和展望了中國的EI未來的發(fā)展路徑。
其使用對環(huán)境也會帶來很大危害?梢圆⒉痪,
預見,化石能源將逐漸不足以支撐人類社會的和諧發(fā)展,進入可再生能源時代是必然的。
對可再生能源,包括水能、風能、太陽能、生物能、海洋能、地熱能等的開發(fā)和利用,已經經過了長期的努力,其基本形式是將其轉化為電能以供傳輸和使用,但目前不論是對可再生能源的開發(fā),還是電
2]
,網對其的接納利用都還面臨著許多問題[突出表
1 EI理念和架構的再認識
EI隨著可再生能源時代的到來應運而生。國
際上對下一代能源網絡的研究由來已久,近年來EI更是逐漸成為研究和實驗熱點,出現(xiàn)了眾多的成果比較典型的有美國的未來可再生電能和原型系統(tǒng),
[4]
,傳輸與管理系統(tǒng)(德國的基于信息通FREEDM)
”信技術(的智能化能源系統(tǒng)“計劃及ICT)EEner-gy
5]
,其試點建設[日本的基于信息互聯(lián)網的數字電
6]
等。中國各科研院所和企業(yè)也已從多個方面開網[
]714-
,展了相關研究和實踐[包括交直流混合主動配11]
,電網等基礎支撐技術的研究[能源路由器和電能]1213-
,交換器等支撐裝備的實驗室研發(fā)[北京延慶的
[4]
城市E等,國家電網公司提出了全球EI試點1I戰(zhàn)1]
。目前,略[雖然有關E但在I的研究和實驗眾多,
現(xiàn)在能源開發(fā)的技術和成本,能源的傳輸,可再生能源本身的隨機性、間歇性、波動性、反調峰特征,及其分布地域不均衡性等問題。這些都是目前可再生能源規(guī);褂眯枰獞獙徒鉀Q的問題。
互聯(lián)網的繁榮發(fā)展和深刻影響,既是不爭的事又帶來了很多啟示。在其發(fā)展過程中的一些經實,
驗和特征值得借鑒,特別是以下幾點:①大眾參與;重標準、少干預;依②重機制、③以平臺服務為基礎,
托其上的應用是無限的;④衍生出眾多的有效商業(yè)模式。如今的互聯(lián)網已成為經濟和社會發(fā)展的重要基礎。
當可再生能源開發(fā)與互聯(lián)網應用深入結合時會發(fā)生什么?眾多學者都看好第三次工業(yè)革命和能源
。收稿日期:20151101--
其理念、架構、技術、關鍵設備、發(fā)展路徑等方面也出現(xiàn)了分歧眾多、適用范圍各異的情況,需要深入探討。
[]
以互聯(lián)網思維為基礎的EI原始理念3可以用
圖1來表示,其后的相關研究大多以此為基礎。其要點在于:①建立能源共享網絡;②能源以電能為基本形式,允許多種能源形式的互聯(lián)互通和綜合應用(;基于電動汽車的智能交通就是一個典型應用)③海量用戶接入該網絡;④每個用戶/應用都是該網
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9
()2015,3923·信息能源系統(tǒng)·
絡的參與建設者,即同時具有能源消費者、儲存者、提供者三重角色;存在類⑤在能源共享平臺基礎上,似互聯(lián)網的商業(yè)機制,允許用戶之間以及用戶與平臺之間進行靈活的能量交易;⑥該網絡以分布式能源的利用和發(fā)展為目標。其發(fā)展思路是始于網絡互聯(lián),建立能源共享平臺,從而調動大眾參與,最終最大限度地開發(fā)利用可再生/清潔能源
。
球)這是由全球資源稟賦EI和局域EI的有機結合,和電能的物理屬性所決定的;EI更②在廣域層面,多地表現(xiàn)為互聯(lián)能源網絡(特別是廣域智能電網)的特點,以電能為基本形式,電力、天然氣、氫氣等多種起到了廣域范圍的基礎能源保能源網絡互聯(lián)互通,
障、能源高效傳輸、資源優(yōu)化互補配置的作用;③局域的E運行機制分布自治,物理上以I應大眾參與,就地平衡為主,商業(yè)模式采用互聯(lián)網式(可以是廣;各類能源用戶,各類用戶側熱域)④在終端應用層,(冷)網、氣網、電網等能源網絡,交通、礦山等能源應用都是EI的重要組成部分
。
圖1 EI的原始理念Fi.1。希颍椋椋睿幔欤悖铮睿悖澹簦铮妫牛睿澹颍桑睿簦澹颍睿澹簟 。纾纾穑纾
然而,這種以互聯(lián)網方式大眾開發(fā)、利用分布式能源的方式,對人類進入可再生能源時代有多大貢到2獻?據估計,050年全球分布式能源年發(fā)電量也,約占全球總發(fā)電量的1僅合標準煤35億t5%和一
[]
次能源消費的11.5%1。而可再生能源資源特別
豐富的地區(qū)往往地廣人稀、規(guī)模集中。可見,在相當分布式可再生能源的開發(fā)不能成為能源長時期內,利用的主要形式。
同時,電能是EI中多種能源和應用關聯(lián)的基本因此它必然受到電能物理屬性的約束:能源形式,
即電能的傳輸是有損耗的,特定的電壓①空間約束,
等級有合適的經濟傳輸距離和容量匹配關系;②時間約束,即電能的利用是瞬時(實時)平衡的(供用電;相等)精確)溯源性,即無法精確區(qū)分所消費③無(的電能具體由哪個電源點提供。這些物理屬性限制了分布式能源實現(xiàn)共享的地理范圍(單個用戶的容,量并不大)而即使用戶在廣域內依托某種商業(yè)機制實現(xiàn)了名義上的能源共享,其實質還是以就地平衡為主?梢,分布式能源的開發(fā)和利用在局域范圍內最經濟。
因此,通過分布式能源利用實現(xiàn)EI從而解決能同時考慮到社源問題有其局限性;谝陨戏治,
包括電力系統(tǒng))的漸進式發(fā)展、智會能源支撐系統(tǒng)(
能電網的發(fā)展現(xiàn)狀、分布式可再生能源的利用前景等因素,剖析得出EI的體系架構和關鍵支撐技術如圖2所示。
圖2中架構特點在于:乃至全I應是廣域(①E10
綜合以上分析,認為廣義的EI理念是包含廣域和局域層面的完整的能源網絡系統(tǒng),在廣域范圍主要表現(xiàn)為互聯(lián)能源網絡(主干是電網)的特征,在局域則主要表現(xiàn)為能源共享網絡的特征。狹義的EI理念則主要是指按照互聯(lián)網機制運轉的能源共享網絡。從當前的技術、經濟條件看,狹義的EI還只能在局域范圍內實現(xiàn),隨著技術和經濟條件的變化,它電壓等級也會有所所覆蓋的空間范圍將有所擴大,提高。
圖2。牛审w系架構及關鍵支撐技術
Fi.2。粒颍悖瑁椋簦澹悖簦酰颍澹幔睿洌耄澹螅酰铮颍簦椋睿簦澹悖瑁睿铮欤铮椋澹蟆 。纾穑穑纾纭
ofEnerInternetsstem 。纾
2。牛膳c智能電網的區(qū)別與聯(lián)系
當前國內外電力工業(yè)普遍在開展智能電網研究和建設,明確EI與智能電網的區(qū)別和聯(lián)系有著重要意義。
從內容特征來看,兩者確實聯(lián)系緊密。例如:考
15]16]
、、察智能電網的本質動因[發(fā)展機理[中國堅強
智能電網的五大內涵,即堅強可靠、經濟高效、清潔
姚建國,等 能源互聯(lián)網的認識和展望
環(huán)保、透明開放、友好互動等,EI可以說也都具備,只是E所以許多研究認為智能電I有更多其他特征,
[]
網的未來發(fā)展就是E或者EI8,I是智能電網
[]
2.09。
很大差距。
)包括支撐其實現(xiàn)的其他關2ICT。EI的實現(xiàn),鍵技術本身的應用都離不開I文獻[等CT支撐,17]已進行了深入研究,可以說目前ICT總體上是先進的,互聯(lián)網的發(fā)展就是明證,但其在EI中的應用還面臨著許多特殊需求。目前的主要工作在于支撐能源共享平臺的建立、對各類能源共享業(yè)務的支撐、適應E云計算等關鍵技術的深I發(fā)展的多網融合通信、入應用。
)電力電子技術。固態(tài)變壓器是目前多個E3I
12]
,原型系統(tǒng)的開發(fā)和實驗焦點[從目前看EI各級
18]
。目節(jié)點的實現(xiàn)都離不開電力電子技術的支撐[
筆者認為從EI的廣義理念來看,EI在廣域范,圍內就是智能電網,就是全球E特高壓和智能電I網是EI存在和運轉的基礎。但是從EI在局域表現(xiàn)的能源共享網絡特征來看,智能電網在很多方面只表現(xiàn)為傳統(tǒng)電網的升級,而沒有將多種能源互聯(lián)和利用作為其突出特征。除了能源形式、實體范圍、組網方式
[7]
這些外在的不同,其最大的區(qū)別在于所面
對的場景不同。
)局域E多1I所面對的是可再生能源普遍開發(fā),
種能源互相轉化,海量用戶節(jié)點同時參與能源提供、儲存和使用的場景,而智能電網則立足于以化石能源為主,逐步向可再生能源時代轉化的目前場景。)局域E智2I強調的是分布式開發(fā)可再生能源,能電網則沒有強調這一特征,并且在實踐中更多的是解決集中式開發(fā)所帶來的各種問題。
(沒有智能電網,狹義E局域能源共享網絡)絕I
大多數情況都不能保持自我平衡(可再生能源未必,并且有波動性等特征)難以全面支撐當地經足夠,
濟社會的發(fā)展。同時局域能源共享網絡的發(fā)展也將給智能電網帶來深刻影響:一方面,保障一個局域能源共享網絡的平衡不難,但在多時空尺度保障海量局域能源共享網絡的平衡則給智能電網帶來了新的
另一方面,電網本身的特征也因為眾多局域能挑戰(zhàn);
源共享網絡而逐步發(fā)生改變,如多種能源網絡互聯(lián)、大規(guī)模電動汽車充放電、分布式能源滲透率由量變到質變的提高等。
前的主要差距在于新型半導體功率器件的實用化、
以電力電子變壓器為核心的能源路由器的實用化、支撐E高電I中終端節(jié)點綜合能源及儲能系統(tǒng)應用、壓大容量電力電子裝置的設計和應用。
)可再生能源技術。包括采集、并網、輸送技4術,以及多種形式能源的協(xié)調和利用。目前的主要差距在于個體分散化的可再生能源開發(fā)、可靠和低成本的個體化綜合能源利用、電網對大規(guī)模分散式開發(fā)的可再生能源的并網接納及其可能引起的問題的應對。
)儲能技術。利用其對功率和能量的時間遷移5
能力以應對電能利用的時間約束特性和可再生能源
]1920-
。目前各種方案普遍受限于技術水的波動性[
平、經濟成本、應用規(guī)模及使用壽命、實施便利性等
[21]
因素。部分新技術,如“電轉氣”或以冷和熱的方式儲能,其實際效能還需大幅提升。
)標準化即插即用接口技術。這是未來海量終6端能源節(jié)點的必然要求,特別是對于分布式能源的大眾化開發(fā)。由于EI本身還只是處于理論研究和少量的實驗室原型系統(tǒng)開發(fā)驗證階段,標準化工作還處于起步階段。
)控制和調度技術。怎樣保持未來E7I的安全穩(wěn)定和精確平衡是一個挑戰(zhàn),海量節(jié)點、更多儲能系統(tǒng)的加入、分散平等的網絡構建方式決定了控制和
22]
,調度技術必然發(fā)生巨大的變化[目前來看,分布
式智能控制、多智能體控制、復雜網絡等理論都是可
3。牛芍械年P鍵技術和機制
就廣域(全球)特高壓和智能電網的持EI而言,續(xù)發(fā)展已為其奠定了重要技術基礎,然而要建成全
,球E則面臨一系列重大的技術經濟問題,可謂任I重道遠。局域能源共享網絡所面臨的許多新的技術問題則更為具體。綜合分析后得出圖2所示的支撐未來EI發(fā)展的基礎關鍵技術和機制如下。
)能源轉化和綜合利用技術。建立以電能為基1實現(xiàn)多種本形式的多種能源融合傳輸和供給渠道,能源相互間的轉化和綜合應用,不論是對于EI廣域層、局域層還是終端應用層都具有重要意義。目前這方面的研究總體還比較初步,典型的如電網和天
7]21]
、、然氣網的融合[電轉氣[冷熱電三聯(lián)供、用戶端
考慮的支撐理論。即插即用、分布自治、集中協(xié)調必
然成為EI的主要控制方式。)互聯(lián)網商業(yè)機制;ヂ(lián)網商業(yè)機制是能源共8
享網絡的重要組成部分,調動大眾參與開發(fā)可再生能源的關鍵。這些機制在互聯(lián)網已經得到廣泛驗證,從I目前的主要差CT支撐角度考慮沒有問題,距在于適應電能利用特性的機制設計、相關政策和管理制度的調整等。
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綜合能效系統(tǒng)等,在體系性和實用性等方面都還有
()2015,3923·信息能源系統(tǒng)·
其他還有很多相關的重要技術,如超導技術、需
求響應技術、微網和主動配電網技術等。由于目前E僅有部分原I研究還處于起步階段,型系統(tǒng),許多問題還沒有充分暴露。以能源路由器它是仿照互聯(lián)網網絡設備的最直接結果,目前為例,
被賦予了能源普遍認為是EI的關鍵甚至核心設備,轉化、變壓、交直流轉換、控制電能傳送路徑、控制電
甚至自動化地互聯(lián)實現(xiàn)電能供需平衡的功能質量,
能。其實上述功能目前電網中都有,只是由分散各
處的不同設備和系統(tǒng)協(xié)作完成。能否基于電力電子或其他技術)采用若干個能源路由器就可實現(xiàn)技術(
以上功能,甚至把電能或其他能源像信息一樣自動路由實現(xiàn)供需平衡,支撐復雜的互聯(lián)網商業(yè)機制?筆者認為可以大膽嘗試,但必須要考慮到電能與信息的本質不同,避免照搬和走彎路。畢竟除了時間和空間約束,電能并不像信息那樣可以任意分包、邊界清楚、重復使用,也就決定了它難以實現(xiàn)精確的溯源性。同時還要考慮到電力電子等技術的實際成熟程度。
開發(fā)。
對于技術問題,在其他各類支撐技術的基礎上,當前I能源轉化和綜CT是領先和起到促進作用的;合利用技術、電力電子技術、可再生能源技術、儲能
,技術則成為E硬條件”當前它們都I實現(xiàn)和發(fā)展的“不同程度地存在瓶頸;分布式智能調度與控制、互聯(lián)
“,網商業(yè)機制、即插即用”標準化則成為“軟條件”它)特別是4個“硬條件”的支撐。因們需要各類技術(
此核心問題在于:未來儲能、電力電子等技術能否有所突破并走向實用;能否找到高效、廉價而又便于實施的可再生能源開發(fā)技術;并最終促進3個“軟條件”的成熟。當然作為以上技術綜合應用的EI原型系統(tǒng)開發(fā)和實驗是否成功也很重要。
]從文獻[來看,其第1部分標題就是“即將爆3
,發(fā)的第三次工業(yè)革命”可見從里夫金的觀點來看,目前以EI為核心特征的第三次工業(yè)革命還未開始或者剛剛開始。
綜合以上分析和文獻[中的規(guī)劃,筆者認為1]
2020年以前,EI在廣域上將逐步形成全球電網廣域
而局域的“能源共享網絡”只會在很小互聯(lián)的共識,
的局域范圍內和1因其容0kV以下電壓等級出現(xiàn),量小,對電網平衡的影響可以忽略,但為后續(xù)發(fā)展積累了經驗,為E軟條件的成熟奠定了基I發(fā)展的硬、礎;跨2020—2040年,EI在廣域上將逐步沿著跨國、
全球大型能源基地得以建設,而局洲互聯(lián)方向推進,
域出現(xiàn)規(guī);哪茉垂蚕砭W絡的可能性很大,其數量上也比較成規(guī)模,具體的局域范圍、電壓等級則取決于當時的技術、經濟條件,特別是4個硬條件的成熟程度;全球將逐步形成廣域互聯(lián)2040—2050年,
,的E其下聯(lián)結著若干分布全球的大型能源基地和I,含多種能源形式)并在海量的局域能源共享網絡(
經濟社會中實現(xiàn)普遍的電能替代和清潔替代。4.2 可能的商業(yè)機制
網絡只是起到一個平臺作用,商業(yè)機制才是互聯(lián)網成功的關鍵。同樣,合理的商業(yè)機制直接關系到用戶參與E對于EI建設的積極性,I的發(fā)展至關重要。
23]
電力體制改革9號文[的發(fā)布,標志著在用戶側引入競爭、進行市場化管理的發(fā)展趨勢,對于EI
4。牛傻陌l(fā)展可能性及其發(fā)展路徑
4.1 基本判斷
人類社會將進入可再生能源時代,這一點沒有能源共享網疑義。但在可再生能源時代,EI中的“
]絡”是否會如文獻[中所述一樣走向現(xiàn)實?核心問3題在于:即可再生能源是大規(guī)模集中開①場景問題,
發(fā),還是由海量用戶分散開發(fā)利用;大②技術問題,規(guī)模集中開發(fā)并遠程輸送已由特高壓和智能電網在廣域內實現(xiàn)并正在完善提升,而局域分散式開發(fā)的EI則受限于部分關鍵技術和機制。
對于場景問題,由于自然、地理和社會條件的限制,分散式和集中式大規(guī)模開發(fā)應長期并存。對于兩類場景的多寡,除了技術條件,還需要具體分析。例如:水能和海洋能開發(fā),應該普遍以集中開發(fā)為主;光伏開發(fā),看似是最有希望實現(xiàn)分布式開發(fā)的能源,理論上,太陽抵達地球的輻射能量約為/,每年相當于1173000TWs700000億t燃煤放
[]
出的熱量,約為世界年耗能的1風能則0000倍2; 有很大的分布式開發(fā)前景,作為太陽能的一種轉化形式,據估計全球風能總量約2其中可開740TW,
[]
其他如生物質能、地熱能等發(fā)的風能約20TW2;
的發(fā)展具有重要意義。同時也需要看到,目前影響
用戶投入和收益的政策、經濟形勢、技術發(fā)展等不確定因素太多,這里面有很多商業(yè)機遇,也有很多陷阱。建立能源共享平臺的商業(yè)機制,還有許多問題需要研究,特別是政策、市場管理措施、參與方角色、投入和收益分配、結算方式等方面。
進而以需求響應為特也都有可能實現(xiàn)分布式開發(fā);
征的用戶綜合能效系統(tǒng)也很有希望得到普遍應
10]
。然而,用[很多偏遠地區(qū)用能需求很小,但恰恰
適合目前的集中式又是可再生能源集中的地方,12
姚建國,等 能源互聯(lián)網的認識和展望
4.3 可能的發(fā)展路徑
但其具體實現(xiàn)還依賴EI的發(fā)展前景非常廣闊,
它需于許多技術和其他條件。特別是在發(fā)展初期,要合適的發(fā)展平臺,需要合適的切入點以走進實際
應該是各種技術和機應用。未來實際的能源系統(tǒng),淘汰、演變形成的。制經過實踐檢驗、
在各項支撐技術順利進展的情況下,EI可能的
發(fā)展路徑如圖3所示。其具體形態(tài),則取決于各地不同的資源特點和當時經濟社會發(fā)展情況
。
那不僅僅是一種技術EI如果真正地得到實現(xiàn),
創(chuàng)新,更重要的是一種面向清潔、可再生能源而重構的能源生產、轉化、傳輸、儲存、消費、管理模式。//附錄見本刊網絡版(httwww.aesinfo.p:p-
///)。aeschindex.asxcompp
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[]盛萬興,段青,梁英,等.面向能源互聯(lián)網的靈活配電系統(tǒng)關鍵13
圖3。牛煽赡艿陌l(fā)展路徑
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5 結語
EI的建設是改變整個社會能源結構的重要舉措。正如1只是由4臺機器969年互聯(lián)網發(fā)展之初,組成AR但不到5今天的互PANET小網,0年時間,,聯(lián)網已全面改變了世界。出于國內能源形勢的需要,也為了在該領域獲得先發(fā)優(yōu)勢,提前部署有關EI的研究和試點布局很有必要。
基于前文的分析,可以認為EI是全球EI和局域能源共享網絡的有機結合,二者相輔相成。研究和建設EI需要考慮以下幾個方面。
)全球化頂層布局,在中國已經取得的特高壓、1智能電網建設成果基礎上,以全球E著眼I為抓手,于全球能源大局,做好頂層設計并推進。)信息通信研究先行,優(yōu)先建立局域能源共享2平臺。
)硬件基礎是關鍵,通過對各項關鍵支撐技術3的基礎性研究打好基礎。)軟件條件要跟上,其中引入互聯(lián)網發(fā)展精髓4的商業(yè)模式設計是EI的靈魂。)以微網/主動配電網研究為試點,建立局域能5源共享網絡,依從自然發(fā)展規(guī)律,逐漸增多接入電網的局域EI數量。
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