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机械工程前沿.docx
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机械工程前沿
中国地质大学
研究生课程论文
课程名称:
机械工程前沿
教师姓名:
饶建华
研究生姓名:
刘强
研究生学号:
1201420350
研究生专业:
机械工程
所在院系:
机械与电子信息学院
类别:
硕士
日期:
2014年12月24日
能源互联网现状及发展趋势
摘要:
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,推动了世界经济和人类社会的发展。
在分析能源发展与应用的基础上,提出了以可再生能源为基础的能源互联网的概念,同时阐述了能源互联网的特点和内涵。
能源互联网力图结合可再生能源技术与互联网技术,推动分布式可再生能源的利用与分享。
最终实现改变能源利用模式,推动经济与社会可持续发展的目的。
介绍了国内外能源互联网的发展及建设状况。
在此背景下,展望了能源互联网的发展前景,探讨了能源互联网中的关键技术,以及能源互联网发展过程中可能遇到的困难与面临的挑战。
关键词:
能源互联网;可再生能源;智能电网;分布式发电;发展趋势
ThePresentStatusandDevelopmentTrendofEnergyInternet
Abstract:
Energyisthehumansocietysurvivalandthedevelopmentimportantmaterialfoundation,topromotetheworldeconomyandthedevelopmentofhumansociety.Onthebasisoftheanalysisofenergydevelopmentandapplication,putforwardonthebasisoftherenewableenergytheconceptoftheenergyoftheInternet,atthesametimeelaboratedthecharacteristicsofenergyontheInternetandtheconnotation.EnergytryingtocombineInternetrenewableenergytechnologyandInternettechnology,topromotetheuseofdistributedrenewableenergyandshare.Finallyrealizesthechangepatternofenergyutilization,thepurposeofpromotingeconomicandsocialsustainabledevelopment.ThispaperintroducestheenergyathomeandabroadandthedevelopmentoftheInternetandthestatusoftheconstruction.Inthisbackground,onthefutureenergythedevelopmentoftheInternet,discussesthekeytechnologyofenergyInternet,aswellastheenergyinthedevelopmentoftheInternetmayencounterdifficultiesandchallenges.
KeyWords:
energyinternet;renewableenergysources;smartgrid;distributedgeneration;developmenttrends
1概述
随着化石能源的不断发现与开采,人们逐步重视常规能源日益枯竭和环境保护等问题,世界各国也正积极探索各种不同类型的新能源。
目前,可供使用的新能源(如风能、太阳能等)存在分布过于分散、随机性程度高、能量转化效率低和使用成本偏高等一系列问题,使得新能源的大规模发展和推广受到制约。
为构建新能源大规模推广应用的理论体系框架,在2003年部分科研项目和媒体宣传资料中出现能源互联网的相关内涵,其后出现了诸多学术研究热点,如智能电网、坚强智能电网、智能配电网、微网、智能微电网等。
2008年美国国家科学基金(NSF)项目未来可再生电力能源传输与管理系统明确提出了能源互联网这一学术概念,指出能源互联网是一种构建在可再生能源发电和分布式储能装置基础上的新型电网结构,是智能电网的发展方向。
为了应对能源危机,各国积极研究新能源技术,特别是太阳能、风能、生物能等可再生能源。
可再生能源具有取之不竭,清洁环保等特点,受到世界各国的高度重视。
科学家指出,太阳光线一个小时的照射所产生的能量足以支撑全球经济运行一整年。
欧洲光伏工业协会预测,在所有适合的建筑物表面安装光伏系统就能够产生1.5万亿度电,能满足欧盟所需电力总数的40%。
2009年在《科学》杂志称只要中国提高补贴和改善传输网络,至2030年风力发电就可以满足中国所有的电力需求可见可再生能源对于解决能源问题具有巨大的潜力。
但微电网和分布式发电并网并不能从根本上改变分布式发电在高渗透率情况下对上一级电网电能质量,故障检测,,故障隔离的影响,也难于实现可再生能源的最大化利用,只有实现可再生能源发电信息的共享,以信息流控制能量流,实现可再生能源所发电能的高效传输与共享,才能克服可再生能源不稳定的问题,实现可再生能源的真正有效利用信息技术与可再生能源相结合的产物——能源互联网为解决可再生能源的有效利用问题,提供了可行的技术方案。
《经济学人》2012年4月发表《第三次工业革命:
制造业与创新》描述了目前正在发生的一种建立在互联网和再生能源基础上的由技术引领的制造业的深刻变化。
能源互联网是一个可持续发展的模式,这一模将使人类迅速过渡到一个全新的能源体制和工业模式,从而取代化石能源为传统的经济模式和社会发展模式。
与目前开展的智能电网,分布式发电,微电网研究相比,能源互联网在概念、技术、方法上都有一定的独特之处。
因此,研究能源互联网的特征及内涵,探讨实现能源互联网的各种关键技术,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值。
图1能源互联网示意图
2能源互联网的内涵和特点
2.1能源互联网的内涵
能源互联网与之前出现过的智能电网、坚强智能电网、智能配电网、微网、智能微电网等相关概念并不矛盾。
可以这样认为,能源互联网是Internet式的智能电网。
具体来说,能源互联网是在现有能源供给系统与配电网的基础上,通过先进的电力电子技术和信息技术,深入融合了新能源技术与互联网技术,将大量分布式能量采集装置和分布式能量储存装置互联起来,实现能量和信息双向流动的能源对等交换和共享网络。
以可再生能源发电为基础构建的能源互联网络,通过智能能量管理系统实现实时、高速、双向的电力数据读取和可再生能源的接入。
能源互联网是先进制造业未来个性化发展的一个趋势。
能源互联网是互联网技术、储能技术、材料科学、智能能量管理技术、可再生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必然趋势。
2.2能源互联网的特点
能源互联网是新型电力电子技术、信息技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的有机结合,具有以下特点:
(1)能源来源的种类广泛。
能源互联网发电体系包括常规能源、大规模新能源和大容量储能,以可再生能源发电的广泛应用为基础,包容多种不同类型的发电形式。
然而,可再生能源发电具有模糊性和随机性,其大规模接入对电网的稳定性产生冲击,从而促使传统的能源网络转型为能源互联网。
(2)能源来源的地域分散。
可再生能源具有较强的地域性特点,来源分散,不易输送。
为了最高效地收集和使用可再生能源,需要建立就地收集、存储和使用能源的网络,这些能源网络单个规模小,分布范围广,每个微型能源网络构成能源互联网的一个节点。
(3)不同能源之间互联。
能源互联网是以大规模分布式电源应用为基础,然而大部分微型能源网络并不能保证自给自足,因此,需要将每个微型能源网络互联起来进行能量交换。
能源互联网是在传统电网的基础上将分布式发电、储能、智能变电和智能用电组成的
微型能源网络互联起来。
(4)能源网络共享开放。
能源互联网不仅具备传统电网的供电功能,还提供能源共享的公共平台,系统支持小容量可再生能源发电、智能家电、电动汽车等随时接入和切出,真正做到即插即用。
传统用户不仅是电能使用者,还是电能的创造者,可以没有任何阻碍地将
电能传送到能源互联网上并取得相应的回报。
从能量交换的角度看,所有微型能量网络节点都是平等的。
(5)基础设施建设融入传统电网。
传统电网中已有的骨干网络投资大,因此,在能源互联网的结构中应该充分考虑对传统电网的基础网络设施进行改造,并将微型能源网络融入到传统电网中形成新型的大范围分布式能源共享互联网络。
(6)具有很强的自愈功能。
电力系统自愈机制主要是指当电网出现故障时,无需或仅需少量的人为干预,即可实现自动隔离电网中存在危险或潜在危险的器件,使供电中断最小化或恢复其业务的一种机制。
能源互联网系统在出现故障时,应能够主动隔离故障,实现系统自愈功能,必要时允许孤岛运行。
(7)具备系统运行的高效性。
能源互联网通过智能代理终端实现发电端与用户设备之间行为的交互,引入最先进的IT和监控技术,既可以对电网运行状态进行精确估计,也可以对负荷、发电端、储能装置等进行实时监控和管理,合理分配电网资源,提高单个资产的利用效率,降低运行成本。
(8)响应环境友好的政策。
能源互联网以分布式可再生能源发电的大量应用为基础,以建立智能型绿色电网为目标,具有绿色、环保的特点,有利于我国改善能源结构,也是构建资源节约型与环境友好型社会的基石。
3能源互联网关键技术分析
3.1先进储能技术
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。
分布式储能主要面向用户,经济效益非常关键,对储能系统的存储效率、能量密度、使用寿命等提出了较高要求,新型储能材料是提高这些性能的关键;目前实现大规模存储的主要手段是电池成组技术,电池成组后储能单元的科学管理是储能系统高效,长寿命运行的重要保证;不论是分布式储能还是集中式储能的布局与建设,都会对整个能源互联网产生较大影响,因此进行科学合理的储能系统规划意义重大。
先进储能相关技术的逻辑关系如图2所示。
图2先进储能技术逻辑关系图
3.1.1新型储能材料
目前,能源互联网中应用最广泛的储能方式是电池储能,为了满足能源互联网对储能的需求,国内外学者对新型储能材料进行了深入研究,以获取更高能量密度,更大的存储容量,更好的转换效率和更稳定的性能。
新型储能材料的研究主要集中在以下3个方面。
(1)高比容量合金负极材料。
传统的碳系材料虽然具有良好的层状结构,电极位低,制成电池电压较高,但在反复充放电时,可能会发生表面析出化合物现象和与电解液发生共嵌反应,成为电池循环寿命提升的瓶颈,未来的研究方向是硅合金与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极材料。
正极材料性能对储能电池安全性,循环寿命,成本等的影响极大,目前的正极材料以固相法为主,液相法有待发展。
(3)燃料电池材料,燃料电池堆,固体氧化物燃料电池的电极材料。
3.1.2储能管理技术
储能单元大规模成组后,由于储能单元的差异性大,数量较多,连接复杂,如果管理混乱,将严重影响系统的寿命和性能。
因此国内外学者对储能单元的成组管理开展了大量研究工作,主要集中于以下3个方面。
(1)拓扑结构优化与设计技术。
能源互联网的非线性随机特性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。
(2)性能监控技术。
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。
目前,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。
(3)状态均衡技术。
储能单元成组之前,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。
3.1.3储能系统规划技术
储能系统的接入对提高电网的稳压调频能力,拉低电网功率峰谷差,改善用户在电网事务中的参与度具有重要意义,但储能系统的单位投入成本较高,有必要开展储能系统规划研究,目的是以最小的成本实现寿命长,安全可靠,经济效益高的储能系统。
储能系统规划研究过程中面临的主要问题有:
(1)不同的储能技术在成本、额定功率、充放电速率有所不同;
(2)发电站侧、传输线侧、变电站侧、用户侧对储能系统的功能要求不同;(3)同一储能系统具有多种使用策略;(4)可再生能源发电和负载需求具有随机性、波动性和间歇性。
因此,为了更好的开展储能系统规划技术研究,需要从以下3个方面进行突破。
(1)各种待选储能技术评价分析。
全面分析各种储能技术的各项性能指标,如额定功率、使用寿命、初始投资成本、年平均维护成本、功率密度、比能量等,经过指标初选,指标筛选建立对储能技术评价的指标体系,为开展不同储能技术筛选提供理论依据。
(2)储能系统使用环境及作用机理分析。
主要进行微电网与大电网相互作用机理分,储能系统对微电网稳定运行作用机理分析,负荷特性分析,可再生能源发电功率预测分析,为快速准确的进行储能系统规划提供保障。
(3)储能系统规划权衡分析.确定储能系统的优化使用目标与约束条件,运用线性规划,非线性规划,动态规划,智能优化等方法选出最适合的储能系统组成,最佳的配置位置,最优化的使用策略。
3.2固态变压器技术
随着高渗透率下可再生能源发电设备及储能设备接入,传统变压器的供电质量等方面难以满足能源互联网建设和发展的需求,而固态变压器作为一种利用电力电子器件进行高频的能量和功率控制的变换器,被认为是能源互联网的核心技术,该固态变压器由3部分组成,分别是:
AC/DC整流器、DC/DC变换器和DC/AC逆变器。
固态变压器可实现可再生能源发电设备和储能设备和负载的有效管理,固态变压器具有双向能量流动能力,可以控制有功功率和无功功率,具有更大的控制带宽提供即插即用功能。
固态变压器是将固态技术整合到变压器中,通过电力电子控制和中间直流总线能量存储功能,这种变压器具有很多新的功能。
(1)电压下陷补偿。
当电网输入电压短期下降时,固态变压器可以补偿功率差额维持输出电压稳定,这种直流总线的能量存储功能可以作为满足用户的特定需求。
(2)断电偿。
和电压下陷补偿原理类似,在外电网断电时,固态变压器可以通过内置储能设备提供全电压补偿。
(3)瞬时电压调整。
当电力系统或者负载出现波动时,固态变压器因为具有的能量缓冲功能可以维持输出电压恒定。
(4)故障隔离。
固态变压器能起到电网和负载故障相互隔离的作用。
(5)单位功率因数校正(无功功率补偿)。
固态变压器能在一定功率范围内保持单位功率因数运行,也可以根据系统需要产生或吸收一定的无功功率。
(6)谐波隔离。
非线性负载产生的畸变电流会积累到变压器的主边,而固态变压器能维持输入电流不畸变,能运行在单位功率因数下。
(7)直流输出。
固态变压器具有400V直流输出,使得分布式能源的接入更方便。
(8)分布式信息量自动测量。
固态变压器能自动测量包括瞬时电压、电流、功率因数、谐波量、功率、故障电流和故障电压等。
(9)环境效益.传统变压器需要绝缘油等液体,而固态变压器不需要绝缘油,对环境友好,且因为中间采用变压器的高工作频率,变压器体积大幅度减小。
3.3智能能量管理技术
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,具有典型的非线性随机特征与多尺度动态特征,如图3所示,为了实现对能源局域网内能量设备的“即插即用”管理,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。
图3智能能量管理技术的系统架构
3.3.1能量设备“即插即用”管理技术
随着太阳能电池模块,小型风力发电机组与分布式发电设备成本的持续下降,繁琐的设备安装,互连等非硬件成本占到分布式电源总成本的比例越来越大,固定的拓扑结构也降低了系统的安全性与灵活性。
为了降低分布式发电设备的非硬件成本,提高能源互联网的动态拓扑性,灵活性和安全性,要求能源互联网中能量设备满足“即插即用”的特性。
能量设备的“即插即用”管理技术应具备:
(1)类似于计算机的“USB”接口协议,能够快速感知与描述负载、储能、发电等设备;
(2)具有开放的硬件平台,能与现有电网很好连接;(3)能量设备接入或脱离时能自动快速进行能量与信息的接入与断开。
为了实现能量设备的“即插即用”,应突破以下3个方面的技术:
(1)各种能量设备的自动识别技术;
(2)能量设备“即插即用”标准与协议的制定;(3)能量设备集成管理技术。
3.3.2分布式能量管理与协同控制技术
多能源局域网之间的能量管理与协同控制主要有主从控制与对等控制两类。
主从控制的拓扑结构较为僵化,且主控中心计算量巨大,一旦崩溃会波及整个能源互联网系统;分布式对等控制没有控制中心,能量控制主要采用多能源局域网间的协同与配合,采用的是动态拓扑结构,具有能源网与信息网叠加的特点。
为了最大化的利用可再生能源,提高能源互联网的可靠性与安全性,要求能源互联网运用多层交叉,集中与分布结合的分布式能量管理与协同控制技术。
由于对等控制结构比较复杂,接口较多,响应速度相对集中控制稍慢,需要探索能够快速、高效和不以牺牲单个能源局部利益全局最优分布式能量管理与协同控制技术。
分布式能量管理与协同控制技术实现中主要有以下几个方面的困难:
(1)节点异质和通信时延等情况;
(2)适应“即插即用”的动态网络拓扑结构;(3)保证系统整体的一致性。
可以从以下几个方面进行技术突破:
(1)设计物理结构简单,逻辑快速的控制网络拓扑结构;
(2)采用动态性,适应性较强的分布式人工智能控制技术,对能源互联网中的多个微电网节点进行并行地,相互协作地控制;(3)借助agent技术的突出优势,构建基于agent的分布式多层交叉能量控制架构。
3.3.3基于可再生能源预测的控制策略优化技术
为了提高能源互联网中各种设备合理配置与优化调度能力,需要提高控制策略鲁棒性与适应性,而可再生能源发电功率作为最大的不确定因素,对储能系统的配置,充电使用策略和网内电压的稳定有重大影响,因此,有必要开展基于可再生能源预测的控制策略优化研究。
目前,由于可再生能源发电高度的随机性和间歇,传统的预测方法难以实现精确预测,,更难以研究出一套与之相适应的控制优化算法。
因此,开展基于可再生能源预测的控制策略优化研究主要从以下两个方面进行突破:
(1)小偏差的短期,超短期可再生能源输出功率预测方法。
探索运用气象预报数值结合神经网络或模糊自适应等大规模数据处理优化模型对可再生能源的输出功率进行预测。
(2)高鲁棒性和动态性的控制优化方法。
以可再生能源利用率、经济性、电网能量满足充裕度等为目标,以负载能耗需求、成本约束、光照与风力条件等为约束,采用混合动态规划算法、遗传算法、粒子群算法等实现高鲁棒性和动态性的基于可再生能源预测的控制策略优化。
3.4智能故障管理技术
智能故障管理技术在能源互联网中,固态变压器提供分布式能源和负载的有效管理,因其具有强烈的限流作用,能大幅度改善短路电流波形,提高电网的稳定性,与传统电网相比,能源互联网故障电流很小,最多只能提供两倍额定电流的故障电流,传统的通过检测电流大小的故障检测设备和方法将失效,需要设计新型故障识别和定位方法。
这就需要设计一种新的电路断路器,保证当系统发生故障时,断路器可以快速的隔离故障单元,使得固态变压器能快速的恢复系统电压。
而传统的机械式断路器会使系统在发生故障时,功率流动出现短暂的中断,会很大程度上干扰系统中的关键负载运行。
而用固态电力半导体器件代替机械式断路器而研制的固态短路器可以满足能源互联网的需求。
固态断路器利用IGBT等电力半导体器件作为无触点开关,大幅度提高相应速度。
同时起到重合器和分段器的双重作用。
在能源互联网中主要采用环路供电策略,提高了系统的柔性操作能力和供电可靠性,能源互联网提出识别和定位技术,提出区域化系统保护方案,如图4所示,利用Kirchhoff电流定律,根据线路两侧判别量的特定关系作为判断依据,即区域两侧均将判别量借助通道传送到对策,然后两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区域故障或区域外故障。
利用纵连差动的思想,将能源互联网分割成若干个区域,每个区域两端都接有固态断路器,负责清除故障,由固态变压器提供后备保护,每个区域连接若干个固态变压器拓扑分支,每个分支上都有电流流入或流出,显然不能仅仅必先区域两侧的判别量,可以将在差动保护基础上,由Kirchhoff定律去判断,若图中闭合线圈内支路电流之和为零,则区域内无故障;若电流之和不为零,则区域内有故障。
由于电流传感器的励磁特性不可能完全一致,且在采用通信传输电流采样值时,也不能完全保证实时性和同步性,使得电流累加结果不为零,因此设定一个阈值,当累加电流大于此阈值时,判定区域内有故障,相关区域的固态断路器断开,反之则判定无故障,固态断路器无动作。
图4区域化系统保护方案
3.5安全可靠通信技术
安全可靠的通信骨干网是能源互联网正常工作的重要保证。
由于能源局域网内能量设备具有易接触性与高动态拓扑变化性,能源互联网的多尺度动态性,如图5所示,使得能源互联网中的通信结构复杂,数据处理量大;为了保证能源互联网的稳定运行,要求通信网络满足网络时延小、数据传输优先级分类、可靠传输、时间同步以及支持多点传输等多种功能。
实现正常,高效的能源互联网通信网络,需要处理好以下几个方面的问题:
(1)通信的设备繁多(IEM、IFM、发电设备、各种智能负载);
(2)通信层级各异(广域网、区域网、家域网);(3)通信时延要求较高(<20ms)。
因此,主要可从以下几个方面进行突破。
(1)可靠安全通信网络架构分析。
主要从地理上与控制关系上将通信网络进行合理的层次划分,对影响各层通信时延,可靠性和网络安全的影响因素进行分析,包括可靠安全通信网络软硬件结构设计、通信优先级设计、通信安全措施分类、通信性能要求确定、通信媒介选择与确定等。
(2)协议改进与标准分析。
主要通过对传统电网通信网络的通信协议分,根据能源互联网的体系结构改进或重新设计通信协议,分析IEC61970与IEC61968协议选择能量管理与分布式管理系统协议,分析IEC60870-6、DNP3、IEC60870-5-101、IEC60870-5
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