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【技術】能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架研究(圖)

來源:網(wǎng)絡

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: 能源互聯(lián)網(wǎng),新能源,智能電網(wǎng)

      中國電力科學研究院的研究人員周海明、劉廣一等,在2014年第11期《中國電力》雜志上撰文,為滿足未來提高可再生能源應用比例,減少環(huán)境污染等能源供用要求,研究了與未來能源資源約束條件和應用技術水平相匹配的能源供應與消費技術框架。相對于傳統(tǒng)的能源供應體系,這種基于先進信息技術的“能源互聯(lián)網(wǎng)”技術框架能夠發(fā)揮能源綜合應用和負荷側互動技術優(yōu)勢,整體優(yōu)化能源供給與消費,提高能源的整體利用效能。

      中國目前主要依賴于化石能源發(fā)電,是世界上最大的火力發(fā)電國(國內的水電、生物乙醇應用受限于自然條件和土地資源)。中國也是世界上最大的風機和太陽能電池板生產(chǎn)國,擁有豐富的風力資源和太陽能資源,生物能與地熱能的總量也相當可觀,此外還有漫長海岸線所蘊藏的潮汐能。

      能源的供給在持續(xù)滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要的同時要盡量減少對環(huán)境的影響。煤炭、石油等傳統(tǒng)能源資源有限、用于火力發(fā)電存在污染問題。因此,中國在提高傳統(tǒng)能源利用效率的同時積極發(fā)掘新能源、提高清潔能源和可再生能源應用比例。以風電為代表的可再生能源在國內發(fā)展迅速,中國是目前世界上風電發(fā)展速度最快和發(fā)電量最大的風力發(fā)電大國。但是,風電發(fā)電量與消納量的矛盾也隨著風電發(fā)電比例的提高日益突出。

      以新能源大規(guī)模開發(fā)利用為特征的新一輪能源變革正在世界范圍內蓬勃興起。隨著新一輪能源變革的到來,新能源技術、智能技術、信息技術、網(wǎng)絡技術不斷突破,與智能電網(wǎng)全面融合,正在承載并推動第三次工業(yè)革命。

      “能源互聯(lián)網(wǎng)”將互聯(lián)網(wǎng)技術和可再生能源將結合起來,為第三次工業(yè)革命創(chuàng)造強大的基礎。未來,數(shù)以億計的人們將在自己家里、辦公室里、工廠里生產(chǎn)出自己的綠色能源,并在“能源互聯(lián)網(wǎng)”上與大家分享。

      這種基于互聯(lián)網(wǎng)思維提出的“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念包含了基于信息共享的多種能源的“互聯(lián)互動”及“替代與轉化”的含義。

      針對電能在能源供應環(huán)節(jié)中的作用,提出,“能源互聯(lián)網(wǎng)是未來的智能電網(wǎng),具有網(wǎng)架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的特征”,“電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等相互融合,構成功能強大的社會公共服務平臺?;ヂ?lián)的廣泛性帶來了資源配置的廣泛性,既廣泛配置電力資源,也廣泛配置其他公共服務資源”。

      以電能為中心,對不同的供能環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化,形成一體化的社會綜合能源供用體系,即“能源互聯(lián)”系統(tǒng),可以促進社會用能效率提升、提高可再生能源應用比例、實現(xiàn)人類能源可持續(xù)供應。

      1 能源互聯(lián)網(wǎng)需求分析

      “能源互聯(lián)網(wǎng)”的需求推動力源于能源供需矛盾和新型可再生能源的出現(xiàn)。其追求的目標是充分利用新技術優(yōu)勢,對不同的供能環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化,形成一體化的社會綜合能源供用體系,即“能源互聯(lián)”系統(tǒng),通過對能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行整體協(xié)調控制,通過整體優(yōu)化提高能源的利用效率,并通過不同能源間的“替代和轉化”提高可再生能源應用比例。電能的方便傳輸和易于使用的特點使其在能源整體化應用中,將扮演紐帶作用。

      能源互聯(lián)網(wǎng)的需求推動作用可以歸結為以下2個方面。

      (1)供需互動的需求。

      在電力系統(tǒng)中,分布式電源、三聯(lián)供機組、電動汽車、儲能裝置、可控負荷、智能建筑大量出現(xiàn),電網(wǎng)內將出現(xiàn)越來越多的“發(fā)用電聯(lián)合體”(Prosumer)。它們的出現(xiàn)使能量的流動方向由單向向“雙向互動、互聯(lián)”轉換,相對傳統(tǒng)負荷它們具有更多的智能特性,不但可以受控,而且可以主動提供能量,在能源整體控制過程中可以作為局部的“虛擬發(fā)電廠”參與能源調度控制。

      信息化的進步和“智能負荷”以及“發(fā)用電聯(lián)合體”的出現(xiàn)也給負荷主動參與提高能源整體使用效率提供了新手段,新型負荷的互動控制和主動供電能力,可以減小和補充系統(tǒng)備用,提高能源系統(tǒng)整體效率。

      (2)能源間的替代轉化需求。

      社會對能源的需求是多樣的,除用電需求外還有供熱、制冷等需求,這些不同能源需求的變化會影響能源的供應平衡。各種新能源技術的發(fā)展,能源供應種類向多樣性發(fā)展(電、天然氣、風能、生物質能等綠色可再生能源)。“多種能源”在滿足“不同能源需求”過程中,將會出現(xiàn)不同種類能源間的替代與轉化需求。

      以風電為代表的可再生能源在國內發(fā)展迅速,但是,由于當前技術條件限制,風電在用電低谷及供暖季節(jié)存在較突出風電發(fā)用矛盾,棄風現(xiàn)象時有發(fā)生,一方面負荷需求旺盛,另一方面可再生能源卻無處消納。通過能源間的替代和轉化可以實現(xiàn)不同種類能源負荷需求和供應間的聯(lián)產(chǎn)、聯(lián)供,從而使可再生能源如替換常規(guī)電能一樣在其他能源供應領域發(fā)揮更大的作用,形成能源領域的“互聯(lián)”和整體優(yōu)化。

      這種能源互聯(lián)系統(tǒng)可以綜合考慮能源供給成本及其特性,在滿足能源需求的前提下,優(yōu)化能源供給,滿足使用成本或者污染排放最低等優(yōu)化目標。

      信息技術的進步,互聯(lián)網(wǎng)改變了當代社會人們的生活方式。電力及能源領域信息化程度的提高,也為能源跨領域的集約化供給提供了契機。不同能源領域以及用戶信息的互聯(lián)互通,能夠更加便捷地了解當前能源的供給與消費情況。發(fā)揮能源間互補優(yōu)勢、充分利用可控負荷資源,對能源供應與消費體系進行整體優(yōu)化,可以改善能源供用結構、推進能源使用效率整體提高。

      2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架分析

      2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)構成

      構建“能源互聯(lián)網(wǎng)”的主要目的是優(yōu)化能源結構(更多應用新能源)、提高能源效率(發(fā)揮不同能源優(yōu)勢和新型負荷的技術優(yōu)勢),從而改善用戶體驗。優(yōu)化能源互聯(lián)網(wǎng)資源,首先需要確認能源互聯(lián)網(wǎng)構成要素,界定優(yōu)化范圍。

      根據(jù)[描述,結合智能電網(wǎng)研究成果,圖1描述了能源互聯(lián)網(wǎng)總體構成:電、供熱及供冷等形式的能源輸入通過與信息等支撐系統(tǒng)有機融合,構成協(xié)同工作的現(xiàn)代“綜合能源供給系統(tǒng)”。

      該系統(tǒng)內多種能源(化石能源、可再生能源)通過電、冷、熱和儲能等形式之間的協(xié)調調度供給,達到能源高效利用、滿足用戶多種能源應用需求、提高社會供能可靠性和安全性等目的;同時,通過多種能源系統(tǒng)的整體協(xié)調,還有助于消除能源供應瓶頸,提高各能源設備利用效率。

      不同能源對環(huán)境的影響不同,傳統(tǒng)能源供應體系中,特定能源已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的消費市場,比如石油主要用于交通、化工、發(fā)電等行業(yè);天然氣則主要于日常生活、供熱、發(fā)電、交通等領域。

      可再生能源目前幾乎全部用來發(fā)電。一次能源長期以來形成了自身的產(chǎn)業(yè)鏈條,不同種類能源間互相補充空間有限。但是,電能可以充當不同能源間的橋梁。目前可再生能源絕大部分轉化為電能。如果通過電能用綠色可再生能源替換其他高污染一次能源,可以提高能源消費的整體環(huán)境友好程度。

      要實現(xiàn)這種能源的優(yōu)化供給需要具備幾個條件:①要具備不同種類能源間的(供求關系等)信息互通;②要具備能源輸出互相替代的必要技術手段,即通過電能能夠滿足被替代能源消費主體的需求;③要能夠給能源消費者清晰、及時的引導信號,吸引能源消費主體參與能源消費優(yōu)化配置。

      具備以上條件,配合必要的技術手段,最終實現(xiàn)社會能源的整體優(yōu)化利用。實現(xiàn)這一目標可以通過技術手段構建“能源互聯(lián)網(wǎng)”。

      2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架

      為了達到上述整體優(yōu)化目標,在明確能源“互聯(lián)”范圍基礎上,需要進一步研究合理的能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架,應用先進技術發(fā)揮多種能源與用戶互聯(lián)、互動的整體優(yōu)勢。

      這種能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架設計的唯一目的是發(fā)揮技術優(yōu)勢,從技術角度提高能源的使用效率。在不存在政策、市場和技術條件限制的前提下,設計滿足上述條件的能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架模型,如圖2 所示。

      圖2所示“能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架”包括“市場環(huán)境”、“能源供給、轉化和消費”、“信息支持”以及“調度控制”4個部分。

      市場環(huán)境包括能源供給側市場和能源需求側市場。其中,能源供給側市場負責發(fā)布不同種類能源的市場價格信號,調節(jié)市場能源供應結構(可以在這個環(huán)節(jié)使用價格信號或補貼鼓勵使用清潔能源,減小環(huán)境污染);能源需求側市場負責發(fā)布吸引可控負荷和具有反向送電(或其他能源形式)的“發(fā)用電聯(lián)合體”參與需求側調度控制的價格或其他激勵信號,以鼓勵負荷參與需求側響應。

      能源供給、轉化及消費是能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源流,也是整個技術框架的最終優(yōu)化協(xié)調對象。多種能源發(fā)出的電、熱、冷等能量形式通過輸電電網(wǎng)、管網(wǎng)或者運輸通道最終抵達用戶側,滿足用戶的用能需求。

      能源互聯(lián)網(wǎng)框架在以上基礎上,加強了對分布式電源和微電網(wǎng)的支持,同時應用各種儲能以及電轉化為氣體等技術,結合信息共享和多種能源的成本對比,以電能為中心實現(xiàn)有目標(優(yōu)化或降低污染、提高清潔能源比例等)的多種能源間的替代和轉換。消費環(huán)節(jié)除了包括傳統(tǒng)用戶還增加了智能可控用戶以及可以反向供能的發(fā)用電聯(lián)合體等。

      信息共享支持是整個技術框架中的信息流。“高速、可靠和安全”的未來信息網(wǎng)絡技術是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架下大量數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析再到優(yōu)化計算的基礎條件。

      在信息技術支持下,為保障整個能源框架的安全優(yōu)化運行,需要設置必要的運營管理機構,對能源進行集中調度管理,這種調度管理可以采用與外部市場環(huán)境相適應的商業(yè)運營模式并根據(jù)能源管理范圍進行分級設計。

      同時針對用戶側可控負荷和具有發(fā)電及其他供能(供熱、制冷等)能力的“發(fā)用電聯(lián)合體”在自愿的前提下可以直接參與或通過“負荷調度控制代理”,應用“虛擬發(fā)電廠”技術參與能源互聯(lián)網(wǎng)的調度控制。這種基于信息共享的通過能源整體調度控制實現(xiàn)能源的整體優(yōu)化利用是能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架的核心內容。

      2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化控制概念模型(略)

      在上述能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架內能源消費有如下特性。

      (1)能源供應能夠“互聯(lián)”。能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架下不同能源間可以相互支持以及一定程度上的替代轉換。這種互聯(lián)可以通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)面向用戶最終需求的“應用轉化”,也可以直接通過能源間的轉換與替代實現(xiàn)。

      (2)能源互聯(lián)后不影響用戶的使用。方便用戶安全高效使用,原來互相割裂的能源供應“互聯(lián)”后應提升用戶體驗,不影響用戶的正常使用。

      (3)能源互聯(lián)后能夠優(yōu)化。能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架下的能源供應應該比“互聯(lián)”之前有更高的效率。

      可見,能源互聯(lián)網(wǎng)是一個以對能源進行整體優(yōu)化為目標的復雜能源供用系統(tǒng),為了實現(xiàn)整體優(yōu)化的目的,需要建立相應的優(yōu)化模型。能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化模型根據(jù)不同市場運營規(guī)則細節(jié)上將有所不同,這里討論的優(yōu)化模型是對能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架的一種目的性描述,求解該模型需要確定不同能源的成本函數(shù)和其他約束條件,這些約束條件與具體的能源互聯(lián)網(wǎng)運營規(guī)則和物理環(huán)境密切相關。

      3 能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

      上述“能源互聯(lián)網(wǎng)”技術框架是對未來能源整體供用體系的概念性設想,關于未來的能源發(fā)展,國內外普遍開展了基于先進信息通信技術的包含能源互動思想(包含能源間的轉化和替代)的相關研究。除了關于“能源互聯(lián)網(wǎng)”的設想外,美國各大研究機構和高校都在進行相關研究。

      在用戶互動方面,美國在需求側響應方面已經(jīng)進入實際應用階段,電網(wǎng)中出現(xiàn)了專職的“調荷服務商”用于為電網(wǎng)提供負荷調度服務;能源的互聯(lián)與轉換方面,美國發(fā)電公司長期根據(jù)市場需要選擇出售天然氣與電力的比例。

      歐盟也在開展“智能能源的未來網(wǎng)絡”(FINSENY)項目,研究將能源與信息的整合,匯集了能源和ICT(信息通信技術)行業(yè)的關鍵技術以確定智能能源系統(tǒng)對ICT的要求,從而提供創(chuàng)新性的能源解決方案以優(yōu)化能源傳輸,改變人們的能源消費方式,減少CO2的排放,改善生活環(huán)境[3]。

      日本則在微網(wǎng)及分布式電源基礎上致力于研究冠名為“電力路由器”的電能控制技術及相關裝備[4]。

      在國內,關于未來能源供應技術的研究一直受到高度重視,國家電網(wǎng)公司明確“能源互聯(lián)網(wǎng)”是未來的智能電網(wǎng),智能電網(wǎng)是承載第三次工業(yè)革命的基礎平臺,對第三次工業(yè)革命具有全局性的推動作用。目前,國家電網(wǎng)公司已積極開展、部署相關研究工作。

      北京市科委組織了“第三次工業(yè)革命”和“能源互聯(lián)網(wǎng)”專家研討會,并啟動了相關軟課題研究,以期形成詳細的能源互聯(lián)網(wǎng)調研報告和路線圖。

      中國能源發(fā)展目前面臨總量供應(石油、天然氣對外依存度高)、資源配置(能源與生產(chǎn)力分布不均衡)、能源效率(大量煤炭直接燃燒,整體能效偏低)、生態(tài)環(huán)境(土壤、水質、大氣污染)四大問題。

      針對以上問題,可以采用增加清潔能源發(fā)電比例、提高能源效率的方法加以改善。本文所述能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架統(tǒng)一配置能源資源,從能源供給和使用2個方面進行整體優(yōu)化,基于信息共享建立必要的市場調節(jié)機制,優(yōu)化引導能源的開發(fā)和使用,最終實現(xiàn)增加清潔能源發(fā)電比例、提高能源效率,以電能為中心統(tǒng)一優(yōu)化配置能源資源;使能源發(fā)展方式由消耗型向可持續(xù)、可再生和更環(huán)保的發(fā)展軌跡過渡;實現(xiàn)能源供應安全、清潔、環(huán)保與友好地發(fā)展[5-11]。

      4 結語

      通過本文描述的能源互聯(lián)網(wǎng)技術框架實現(xiàn)能源整體優(yōu)化,在未來的發(fā)展實現(xiàn)過程中既需要考慮能源供應中宏觀戰(zhàn)略層面的規(guī)劃布局和機制體制問題,又要解決局部的關鍵技術細節(jié)問題。

      這2個部分是密切聯(lián)系和互相影響的,一方面,技術的發(fā)展,要求有與之對應的政策來發(fā)揮技術進步的優(yōu)勢;另一方面,國家的能源政策將會直接刺激未來能源互聯(lián)技術的應用。

      因此,能源互聯(lián)網(wǎng)未來的研究需要從整體架構(能源整體結構、整體優(yōu)化調度運營等)和關鍵技術細節(jié)(能源替代轉換技術、新型能源供需互動以及先進信息技術)兩大方面開展后續(xù)研究。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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