引言

能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，各國積極研究新能源技術(shù)，特別是太陽能、風(fēng)能、生物能等可再生能源。可再生能源具有取之不竭，清潔環(huán)保等特點(diǎn)，受到世界各國的高度重視。科學(xué)家指出，太陽光線一個(gè)小時(shí)的照射所產(chǎn)生的能量足以支撐全球經(jīng)濟(jì)運(yùn)行一整年。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，在所有適合的建筑物表面安裝光伏系統(tǒng)就能夠產(chǎn)生1.5萬億度電，能滿足歐盟所需電力總數(shù)的40%。2009 年在《科學(xué)》雜志稱只要中國提高補(bǔ)貼和改善傳輸網(wǎng)絡(luò)，至2030年風(fēng)力發(fā)電就可以滿足中國所有的電力需求，可見可再生能源對(duì)于解決能源問題具有巨大的潛力。

可再生能源存在地理上分散、生產(chǎn)不連續(xù)、隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控等特點(diǎn)，傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)的集中統(tǒng)一的管理方式，難于適應(yīng)可再生能源大規(guī)模利用的要求。對(duì)于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存儲(chǔ)，就地使用。但微電網(wǎng)和分布式發(fā)電并網(wǎng)并不能從根本上改變分布式發(fā)電在高滲透率情況下對(duì)上一級(jí)電網(wǎng)電能質(zhì)量，故障檢測(cè)，故障隔離的影響，也難于實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用，只有實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電信息的共享，以信息流控制能量流，實(shí)現(xiàn)可再生能源所發(fā)電能的高效傳輸與共享，才能克服可再生能源不穩(wěn)定的問題，實(shí)現(xiàn)可再生能源的真正有效利用。

信息技術(shù)與可再生能源相結(jié)合的產(chǎn)物—— 能源互聯(lián)網(wǎng)為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的技術(shù)方案。與目前開展的智能電網(wǎng)，分布式發(fā)電，微電網(wǎng)研究相比，能源互聯(lián)網(wǎng)在概念，技術(shù)，方法上都有一定的獨(dú)特之處。因此，研究能源互聯(lián)網(wǎng)的特征及內(nèi)涵，探討實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各種關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并逐步使傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)演化，具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

能源互聯(lián)網(wǎng)的特征及內(nèi)涵

參考美國國家自然科學(xué)基金委支持的未來可再生電力能源轉(zhuǎn)換與管理 (FREEDM) 項(xiàng)目對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)敘述，能源互聯(lián)網(wǎng)可理解是綜合運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量儲(chǔ)存裝置和各種類型負(fù)載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的能量對(duì)等交換與共享網(wǎng)絡(luò)，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

能源互聯(lián)網(wǎng)由若干個(gè)能源局域網(wǎng)相互連接構(gòu)成。能源局域網(wǎng)由能量路由器、發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、交直流負(fù)載組成, 可并網(wǎng)工作，也可脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。能量路由器由固態(tài)變壓器 (solid state transformer,SST)和智能能量管理組成;智能能量管理根據(jù)收集的能源局域網(wǎng)中發(fā)電設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載等信息做出能量控制決策，然后將控制指令發(fā)送給固態(tài)變壓器執(zhí)行，即智能能量管理控制信息流，固態(tài)變壓器控制能量流。為保證能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠安全工作，能源局域網(wǎng)的上一級(jí)母線具有智能故障管理功能，提供能源互聯(lián)網(wǎng)故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，快速隔離等功能。能源互聯(lián)網(wǎng)與其他形式的電力系統(tǒng)相比，具有以下4個(gè)關(guān)鍵特征。

可再生能源高滲透率能源互聯(lián)網(wǎng)中將接入大量各類分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，在可再生能源高滲透率的環(huán)境下，能源互聯(lián)網(wǎng)的控制管理與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間存在很大不同，需要研究由此帶來的一系列新的科學(xué)與技術(shù)問題。

非線性隨機(jī)特性分布式可再生能源是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主體，但可再生能源具有很大的不確定性和不可控性，同時(shí)考慮實(shí)時(shí)電價(jià)，運(yùn)行模式變化，用戶側(cè)響應(yīng)，負(fù)載變化等因素的隨機(jī)特性，能源互聯(lián)網(wǎng)將呈現(xiàn)復(fù)雜的隨機(jī)特性，其控制，優(yōu)化和調(diào)度將面臨更大挑戰(zhàn)。

多源大數(shù)據(jù)特性能源互聯(lián)網(wǎng)工作在高度信息化的環(huán)境中，隨著分布式電源并網(wǎng)，儲(chǔ)能及需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施，包括氣象信息，用戶用電特征，儲(chǔ)能狀態(tài)等多種來源的海量信息。而且，隨著高級(jí)量測(cè)技術(shù)的普及和應(yīng)用，能源互聯(lián)網(wǎng)中具有量測(cè)功能的智能終端的數(shù)量將會(huì)大大增加，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也將急劇增大。

多尺度動(dòng)態(tài)特性能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)物質(zhì), 能量與信息深度耦合的系統(tǒng), 是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會(huì)空間耦合的多域，多層次關(guān)聯(lián)，包含連續(xù)動(dòng)態(tài)行為、離散動(dòng)態(tài)行為和混沌有意識(shí)行為的復(fù)雜系統(tǒng)。作為社會(huì)/信息/物理相互依存的超大規(guī)模復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復(fù)雜性，呈現(xiàn)出復(fù)雜的，不同尺度的動(dòng)態(tài)特性。

能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

為了解決以上特性所帶來的問題，發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)需要解決6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)、固態(tài)變壓器技術(shù)、智能能量管理技術(shù)、智能故障管理技術(shù)、可靠安全通信技術(shù)和系統(tǒng)規(guī)劃分析技術(shù)。

3.1先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)

與傳統(tǒng)電網(wǎng)的用戶側(cè)節(jié)點(diǎn)不同，能源互聯(lián)網(wǎng)中的用戶側(cè)節(jié)點(diǎn) (如家庭或小區(qū)等) 一般都具有發(fā)電能力，因此需要配備一定規(guī)模的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。另一方面能源互聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)或發(fā)電側(cè)，因?yàn)榭稍偕茉吹母邼B透率，所以為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須配備較大規(guī)模的集中儲(chǔ)能系統(tǒng)。可以看出，分布式和大規(guī)模同時(shí)并存是能源互聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)能的重要特點(diǎn)。

分布式儲(chǔ)能主要面向用戶，經(jīng)濟(jì)效益非常關(guān)鍵，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率、能量密度、使用壽命等提出了較高要求，新型儲(chǔ)能材料是提高這些性能的關(guān)鍵;目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模存儲(chǔ)的主要手段是電池成組技術(shù)，電池成組后儲(chǔ)能單元的科學(xué)管理是儲(chǔ)能系統(tǒng)高效，長壽命運(yùn)行的重要保證;不論是分布式儲(chǔ)能還是集中式儲(chǔ)能的布局與建設(shè)，都會(huì)對(duì)整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，因此進(jìn)行科學(xué)合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃意義重大。先進(jìn)儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)的邏輯關(guān)系如圖 2 所示。

3.1.1新型儲(chǔ)能材料

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能方式是電池儲(chǔ)能，為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的需求，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型儲(chǔ)能材料進(jìn)行了深入研究，以獲取更高能量密度，更大的存儲(chǔ)容量，更好的轉(zhuǎn)換效率和更穩(wěn)定的性能。新型儲(chǔ)能材料的研究主要集中在以下 3 個(gè)方面。

(1) 高比容量合金負(fù)極材料。傳統(tǒng)的碳系材料雖然具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，電極位低，制成電池電壓較高，但在反復(fù)充放電時(shí)，可能會(huì)發(fā)生表面析出化合物現(xiàn)象和與電解液發(fā)生共嵌反應(yīng)，成為電池循環(huán)壽命提升的瓶頸，未來的研究方向是硅合金與其他形式的合金材料。

(2) 大功率，低成本，高容量和高安全性正極材料。正極材料性能對(duì)儲(chǔ)能電池安全性，循環(huán)壽命，成本等的影響極大，目前的正極材料以固相法為主，液相法有待發(fā)展。

(3) 燃料電池關(guān)鍵材料，燃料電池堆，固體氧化物燃料電池的電極材料。

3.1.2儲(chǔ)能管理技術(shù)

儲(chǔ)能單元大規(guī)模成組后，由于儲(chǔ)能單元的差異性大，數(shù)量較多，連接復(fù)雜，如果管理混亂，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的壽命和性能，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能單元的成組管理開展了大量研究工作，主要集中于以下 3 個(gè)方面。

(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)技術(shù)。能源互聯(lián)網(wǎng)的非線性隨機(jī)特性給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來較大沖擊，為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)靈活應(yīng)對(duì)和處理隨機(jī)波動(dòng)的能力，科學(xué)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)。目前，動(dòng)態(tài)化，網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是研究的主要方向。

(2) 性能監(jiān)控技術(shù)。對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的精確監(jiān)控是保證對(duì)其合理調(diào)度使用的基礎(chǔ)，然而目前儲(chǔ)能單元的性能監(jiān)控技術(shù)仍不夠成熟，大規(guī)模成組之后儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能監(jiān)控更難以實(shí)現(xiàn)。目前，監(jiān)控的主要參數(shù)為溫度、電壓、電流、內(nèi)阻、荷電狀態(tài) (SOC)、健康狀態(tài) (SOH) 等，其中SOC和SOH不可直接測(cè)量，其精確估算模型是研究的重點(diǎn)。

(3) 狀態(tài)均衡技術(shù)。儲(chǔ)能單元成組之前，因?yàn)樯a(chǎn)工藝等原因，不可避免地存在差異性;成組之后，差異性隨著循環(huán)次數(shù)增加將越來越大。為減小差異性，目前已開發(fā)了幾種常用的儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)均衡技術(shù)，分別基于電阻、電容、電感和二極管等耗能和儲(chǔ)能元件，但均衡效果仍不夠理想，均衡電路與均衡元件的有效搭配是狀態(tài)均衡的熱點(diǎn)。

3.1.3儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入對(duì)提高電網(wǎng)的穩(wěn)壓調(diào)頻能力，拉低電網(wǎng)功率峰谷差，改善用戶在電網(wǎng)事務(wù)中的參與度具有重要意義，但儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位投入成本較高，有必要開展儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃研究，目的是以最小的成本實(shí)現(xiàn)壽命長，安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益高的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃研究過程中面臨的主要問題有：

(1) 不同的儲(chǔ)能技術(shù)在成本、額定功率、充放電速率有所不同;

(2) 發(fā)電站側(cè)、傳輸線側(cè)、變電站側(cè)、用戶側(cè)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能要求不同;

(3) 同一儲(chǔ)能系統(tǒng)具有多種使用策略;

(4) 可再生能源發(fā)電和負(fù)載需求具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性。

因此。為了更好的開展儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)研究。需要從以下 3 個(gè)方面進(jìn)行突破。

(1) 各種待選儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)分析。全面分析各種儲(chǔ)能技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如額定功率、使用壽命、初始投資成本、年平均維護(hù)成本、功率密度、比能量等，經(jīng)過指標(biāo)初選，指標(biāo)篩選建立對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，為開展不同儲(chǔ)能技術(shù)篩選提供理論依據(jù)。

(2) 儲(chǔ)能系統(tǒng)使用環(huán)境及作用機(jī)理分析。主要進(jìn)行微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用機(jī)理分析，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行作用機(jī)理分析，負(fù)荷特性分析，可再生能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)分析，為快速準(zhǔn)確的進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃提供保障。

(3) 儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃權(quán)衡分析。確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化使用目標(biāo)與約束條件，運(yùn)用線性規(guī)劃，非線性規(guī)劃，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，智能優(yōu)化等方法選出最適合的儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，最佳的配置位置，最優(yōu)化的使用策略。

3.2固態(tài)變壓器技術(shù)

隨著高滲透率下可再生能源發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備接入，傳統(tǒng)變壓器的供電質(zhì)量等方面難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的需求，而固態(tài)變壓器作為一種利用電力電子器件進(jìn)行高頻的能量和功率控制的變換器，被認(rèn)為是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，其原理如圖3所示，該固態(tài)變壓器由3部分組成，分別是：AC/DC整流器、DC/DC 變換器和 DC/AC 逆變器。固態(tài)變壓器可實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的有效管理，固態(tài)變壓器具有雙向能量流動(dòng)能力，可以控制有功功率和無功功率，具有更大的控制帶寬提供即插即用功能。

固態(tài)變壓器是將固態(tài)技術(shù)整合到變壓器中，通過電力電子控制和中間直流總線能量存儲(chǔ)功能，這種變壓器具有很多新的功能。

(1) 電壓下陷補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓短期下降時(shí)，固態(tài)變壓器可以補(bǔ)償功率差額維持輸出電壓穩(wěn)定，這種直流總線的能量存儲(chǔ)功能可以作為滿足用戶的特定需求。

(2) 斷電補(bǔ)償。和電壓下陷補(bǔ)償原理類似，在外電網(wǎng)斷電時(shí)，固態(tài)變壓器可以通過內(nèi)置儲(chǔ)能設(shè)備提供全電壓補(bǔ)償。

(3) 瞬時(shí)電壓調(diào)整。當(dāng)電力系統(tǒng)或者負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，固態(tài)變壓器因?yàn)榫哂械哪芰烤彌_功能可以維持輸出電壓恒定。

(4) 故障隔離。固態(tài)變壓器能起到電網(wǎng)和負(fù)載故障相互隔離的作用。

(5) 單位功率因數(shù)校正 (無功功率補(bǔ)償)。固態(tài)變壓器能在一定功率范圍內(nèi)保持單位功率因數(shù)運(yùn)行，也可以根據(jù)系統(tǒng)需要產(chǎn)生或吸收一定的無功功率。

(6) 諧波隔離。非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電流會(huì)積累到變壓器的主邊，而固態(tài)變壓器能維持輸入電流不畸變，能運(yùn)行在單位功率因數(shù)下。

(7) 直流輸出。固態(tài)變壓器具有400V直流輸出，使得分布式能源的接入更方便。

(8) 分布式信息量自動(dòng)測(cè)量。固態(tài)變壓器能自動(dòng)測(cè)量包括瞬時(shí)電壓、電流、功率因數(shù)、諧波量、率、故障電流和故障電壓等。

(9) 環(huán)境效益。傳統(tǒng)變壓器需要絕緣油等液體，而固態(tài)變壓器不需要絕緣油，對(duì)環(huán)境友好，且因?yàn)橹虚g采用變壓器的高工作頻率，變壓器體積大幅度減小。固態(tài)變壓器和傳統(tǒng)變壓器的具體性能比較如表 1 所示。

固態(tài)變壓器作為能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其研究領(lǐng)域主要有：

(1)基于SiC的新型寬禁帶材料的研制，固態(tài)變壓器要工作在高溫、高壓、高頻的環(huán)境下，并且小型化也要求固態(tài)變壓器具有高的功率密度，而SiC材料在高壓、高溫、高頻環(huán)境下將表現(xiàn)出比Si材料更優(yōu)異的性能：3 倍于Si的禁帶寬度，更大幅度的工作溫度，比Si高一個(gè)數(shù)量級(jí)的擊穿電場(chǎng)，有很高的功率密度。比Si高3倍的熱導(dǎo)率，能在更高溫度下長時(shí)間穩(wěn)定工作，所以SiC材料將逐漸取代Si材料，成為固態(tài)變壓器中功率半導(dǎo)體的主要材料;

(2) 基于SiC的固態(tài)功率器件和固態(tài)變壓器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[19]中利用10KVSiC功率設(shè)備成功研制出270KVA的固態(tài)變壓器，文獻(xiàn)[20]中利用SiCMOSFET研制出FREEDM研究中心的第2代固態(tài)變壓器，實(shí)現(xiàn)AC-DC的變換，效率達(dá)97%，體積僅為第1代的1/5，為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ);

(3)固態(tài)變壓器的魯棒性控制，傳統(tǒng)的PID控制方法只具有小信號(hào)穩(wěn)定性，不能保證固態(tài)變壓器在元器件參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載突變、可再生能源功率波動(dòng)、電網(wǎng)波動(dòng)等不確定性，大信號(hào)干擾下具有很好的穩(wěn)定性，很多先進(jìn)的控制方法如滑模控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、反演控制等非線性控制方法表現(xiàn)出了很好的大信號(hào)穩(wěn)定性，另外也可以應(yīng)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法提高固態(tài)變壓器的魯棒性。

3.3智能能量管理技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)中具有多種能量產(chǎn)生設(shè)備，能量傳輸設(shè)備，能量消耗設(shè)備，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，具有典型的非線性隨機(jī)特征與多尺度動(dòng)態(tài)特征，如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)能源局域網(wǎng)內(nèi)能量設(shè)備的“即插即用” 管理，多能源局域網(wǎng)之間的分布式協(xié)同控制，以及針對(duì)可再生能源高滲透率下的控制策略高魯棒性，需要在能源互聯(lián)網(wǎng)的各層引入智能能量管理技術(shù)。

3.3.1能量設(shè)備“即插即用” 管理技術(shù)

隨著太陽能電池模塊，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與分布式發(fā)電設(shè)備成本的持續(xù)下降，繁瑣的設(shè)備安裝，互連等非硬件成本占到分布式電源總成本的比例越來越大，固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也降低了系統(tǒng)的安全性與靈活性。為了降低分布式發(fā)電設(shè)備的非硬件成本，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)拓?fù)湫裕`活性和安全性，要求能源互聯(lián)網(wǎng)中能量設(shè)備滿足“即插即用” 的特性。能量設(shè)備的 “即插即用” 管理技術(shù)應(yīng)具備：

(1) 類似于計(jì)算機(jī)的 “USB” 接口協(xié)議，能夠快速感知與描述負(fù)載、儲(chǔ)能、發(fā)電等設(shè)備;

(2) 具有開放的硬件平臺(tái)，能與現(xiàn)有電網(wǎng)很好連接;

(3) 能量設(shè)備接入或脫離時(shí)能自動(dòng)快速進(jìn)行能量與信息的接入與斷開。

為了實(shí)現(xiàn)能量設(shè)備的“即插即用”，應(yīng)突破以下 3 個(gè)方面的技術(shù)：

(1) 各種能量設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別技術(shù);

(2) 能量設(shè)備“即插即用” 標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的制定;

(3) 能量設(shè)備集成管理技術(shù)。

3.3.2分布式能量管理與協(xié)同控制技術(shù)

多能源局域網(wǎng)之間的能量管理與協(xié)同控制主要有主從控制與對(duì)等控制兩類。主從控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為僵化，且主控中心計(jì)算量巨大，一旦崩潰會(huì)波及整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);分布式對(duì)等控制沒有控制中心，能量控制主要采用多能源局域網(wǎng)間的協(xié)同與配合，采用的是動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有能源網(wǎng)與信息網(wǎng)疊加的特點(diǎn)。為了最大化的利用可再生能源，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠性與安全性，要求能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用多層交叉，集中與分布結(jié)合的分布式能量管理與協(xié)同控制技術(shù)。由于對(duì)等控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，接口較多，響應(yīng)速度相對(duì)集中控制稍慢，需要探索能夠快速、高效和不以犧牲單個(gè)能源局部利益全局最優(yōu)分布式能量管理與協(xié)同控制技術(shù)。

分布式能量管理與協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)中主要有以下幾個(gè)方面的困難：

(1) 節(jié)點(diǎn)異質(zhì)和通信時(shí)延等情況;

(2) 適應(yīng)“即插即用” 的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

(3) 保證系統(tǒng)整體的一致性。

可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)突破：

(1) 設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)簡單，邏輯快速的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

(2) 采用動(dòng)態(tài)性，適應(yīng)性較強(qiáng)的分布式人工智能控制技術(shù)，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中的多個(gè)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行地，相互協(xié)作地控制;

(3) 借助agent技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建基于 agent 的分布式多層交叉能量控制架構(gòu)。

3.3.3基于可再生能源預(yù)測(cè)的控制策略優(yōu)化技術(shù)

為了提高能源互聯(lián)網(wǎng)中各種設(shè)備合理配置與優(yōu)化調(diào)度能力，需要提高控制策略魯棒性與適應(yīng)性，而可再生能源發(fā)電功率作為最大的不確定因素，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置，充電使用策略和網(wǎng)內(nèi)電壓的穩(wěn)定有重大影響，因此，有必要開展基于可再生能源預(yù)測(cè)的控制策略優(yōu)化研究。目前，由于可再生能源發(fā)電高度的隨機(jī)性和間歇，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)，更難以研究出一套與之相適應(yīng)的控制優(yōu)化算法。

因此，開展基于可再生能源預(yù)測(cè)的控制策略優(yōu)化研究主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行突破：

(1) 小偏差的短期，超短期可再生能源輸出功率預(yù)測(cè)方法。探索運(yùn)用氣象預(yù)報(bào)數(shù)值結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊自適應(yīng)等大規(guī)模數(shù)據(jù)處理優(yōu)化模型對(duì)可再生能源的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2) 高魯棒性和動(dòng)態(tài)性的控制優(yōu)化方法。

以可再生能源利用率、經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)能量滿足充裕度等為目標(biāo)，以負(fù)載能耗需求、成本約束、光照與風(fēng)力條件等為約束，采用混合動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、遺傳算法、粒子群算法等實(shí)現(xiàn)高魯棒性和動(dòng)態(tài)性的基于可再生能源預(yù)測(cè)的控制策略優(yōu)化。

3.4智能故障管理技術(shù)

智能故障管理技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中，固態(tài)變壓器提供分布式能源和負(fù)載的有效管理，因其具有強(qiáng)烈的限流作用，能大幅度改善短路電流波形，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)故障電流很小，最多只能提供兩倍額定電流的故障電流，傳統(tǒng)的通過檢測(cè)電流大小的故障檢測(cè)設(shè)備和方法將失效，需要設(shè)計(jì)新型故障識(shí)別和定位方法。這就需要設(shè)計(jì)一種新的電路斷路器，保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器可以快速的隔離故障單元，使得固態(tài)變壓器能快速的恢復(fù)系統(tǒng)電壓。而傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器會(huì)使系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，功率流動(dòng)出現(xiàn)短暫的中斷，會(huì)很大程度上干擾系統(tǒng)中的關(guān)鍵負(fù)載運(yùn)行。而用固態(tài)電力半導(dǎo)體器件代替機(jī)械式斷路器而研制的固態(tài)短路器可以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的需求。

固態(tài)斷路器利用 IGBT 等電力半導(dǎo)體器件作為無觸點(diǎn)開關(guān)，大幅度提高相應(yīng)速度，同時(shí)起到重合器和分段器的雙重作用。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中主要采用環(huán)路供電策略，提高了系統(tǒng)的柔性操作能力和供電可靠性，能源互聯(lián)網(wǎng)提出識(shí)別和定位技術(shù)，提出區(qū)域化系統(tǒng)保護(hù)方案，如圖 5 所示，利用 Kirchhoff 電流定律，根據(jù)線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判斷依據(jù)，即區(qū)域兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對(duì)策，然后兩側(cè)分別按照對(duì)側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來判別區(qū)域故障或區(qū)域外故障。利用縱連差動(dòng)的思想，將能源互聯(lián)網(wǎng)分割成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域兩端都接有固態(tài)斷路器，負(fù)責(zé)清除故障，由固態(tài)變壓器提供后備保護(hù)，每個(gè)區(qū)域連接若干個(gè)固態(tài)變壓器拓?fù)浞种В總€(gè)分支上都有電流流入或流出，顯然不能僅僅必先區(qū)域兩側(cè)的判別量，可以將在差動(dòng)保護(hù)基礎(chǔ)上，由 Kirchhoff 定律去判斷，若圖中閉合線圈內(nèi)支路電流之和為零，則區(qū)域內(nèi)無故障;若電流之和不為零，則區(qū)域內(nèi)有故障。由于電流傳感器的勵(lì)磁特性不可能完全一致，且在采用通信傳輸電流采樣值時(shí)，也不能完全保證實(shí)時(shí)性和同步性，使得電流累加結(jié)果不為零，因此設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)累加電流大于此閾值時(shí)，判定區(qū)域內(nèi)有故障，相關(guān)區(qū)域的固態(tài)斷路器斷開，反之則判定無故障，固態(tài)斷路器無動(dòng)作。

3.5可靠安全通信技術(shù)

安全可靠的通信骨干網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)正常工作的重要保證。由于能源局域網(wǎng)內(nèi)能量設(shè)備具有易接觸性與高動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓裕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的多尺度動(dòng)態(tài)性，如圖 6 所示，使得能源互聯(lián)網(wǎng)中的通信結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，為了保證能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求通信網(wǎng)絡(luò)滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)分類、可靠傳輸、時(shí)間同步以及支持多點(diǎn)傳輸?shù)榷喾N功能。

實(shí)現(xiàn)正常，高效的能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，需要處理好以下幾個(gè)方面的問題：

(1) 通信的設(shè)備繁多(IEM、IFM、發(fā)電設(shè)備、各種智能負(fù)載);

(2) 通信層級(jí)各異 (廣域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、家域網(wǎng));

(3) 通信時(shí)延要求較高 (< 20 ms)。

因此，主要可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破。

(1) 可靠安全通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析。主要從地理上與控制關(guān)系上將通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的層次劃分，對(duì)影響各層通信時(shí)延，可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全的影響因素進(jìn)行分析，包括可靠安全通信網(wǎng)絡(luò)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、通信安全措施分類、通信性能要求確定、通信媒介選擇與確定等。

(2) 協(xié)議改進(jìn)與標(biāo)準(zhǔn)分析。主要通過對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議分析，根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)通信協(xié)議，分析 IEC61970 與 IEC61968 協(xié)議選擇能量管理與分布式管理系統(tǒng)協(xié)議，分析 IEC60870-6、DNP3、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC 62445-2 等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)控制中心間通信協(xié)議，分析 IEC62445-1、IEC61850 等協(xié)議變電站間通信協(xié)議，最后根據(jù)分析結(jié)果、構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)可靠安全通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、偽傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

(3)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)評(píng)估。主要是通過建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)通信的功能是否滿足要求，需要完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與評(píng)估、系統(tǒng)改進(jìn)等工作。

3.6系統(tǒng)規(guī)劃分析技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)物質(zhì)，能量與信息深度耦合的系統(tǒng)，是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會(huì)空間耦合的多域、多層次關(guān)聯(lián)，包含連續(xù)動(dòng)態(tài)行為、離散動(dòng)態(tài)行為和混沌有意識(shí)行為的復(fù)雜系統(tǒng)。作為社會(huì)/信息/物理相互依存的超大規(guī)模復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復(fù)雜性。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在協(xié)同控制過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在著博弈過程和較強(qiáng)的社會(huì)性，能量的流動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓苁袌?chǎng)電價(jià)和政府政策的影響，結(jié)構(gòu)與單元異質(zhì)，行為復(fù)雜，能量與信息深度融合，量供需不確定等特征，表現(xiàn)出混雜多尺度動(dòng)態(tài)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性。因此，開展能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃分析技術(shù)研究，分析并揭示能源互聯(lián)網(wǎng)的控制，運(yùn)行和演化機(jī)理，研究能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)具有重要的意義。

能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)以構(gòu)建雙向互動(dòng)，自治高效和安全可信的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為目標(biāo)，考慮能源互聯(lián)網(wǎng)行為復(fù)雜，能量與信息深度融合，能量供需不確定等特征，主要從以下幾個(gè)方面開展研究：

(1) 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化;

(2) 能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、安全性和抗毀性分析與評(píng)估;

(3) 政策對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的影響分析等問題。

結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與可再生能源相結(jié)合的產(chǎn)物，涉及的學(xué)科領(lǐng)域非常廣泛，如材料科學(xué)、生物科學(xué)、控制科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等，是典型的交叉學(xué)科問題。能源互聯(lián)網(wǎng)為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的思路與技術(shù)方案。本文分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的六大關(guān)鍵技術(shù)：先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)、固態(tài)變壓器技術(shù)、智能能量管理技術(shù)、智能故障管理技術(shù)、可靠安全通信技術(shù)、系統(tǒng)規(guī)劃分析技術(shù)，初步討論了每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要解決的科學(xué)問題，目的在于引起學(xué)術(shù)界對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)研究的關(guān)注，共同推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為解決中國乃至世界能源問題做出貢獻(xiàn)。

END