以交直流混聯(lián)電網(wǎng)為核心的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)研究與實踐

姚曉君，齊保振，管 笠，丁丹軍

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

我國的能源結構以化石能源為主，能源使用污染大、效率低，能源體制、市場建設滯后，這種現(xiàn)狀決定了我國必須加快能源變革[1]。“十九大”報告強調(diào)，推進能源生產(chǎn)和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。

國家電網(wǎng)有限公司將建設能源互聯(lián)網(wǎng)作為公司發(fā)展的重要載體和著力點。在此背景下，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司探索打造區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，構建能源服務新業(yè)態(tài)，在蘇州率先建設同里區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)(以下稱“示范區(qū)”)，作為探索區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建設的第一步，見圖1。區(qū)內(nèi)建成了多項世界領先的能源項目，將能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及市場等要素深度融合，探索了能源網(wǎng)絡的新形態(tài)、能源運行的新方式和能源服務的新模式。示范區(qū)得到了國內(nèi)外專家和社會各界的高度贊譽。

圖1 示范區(qū)一期項目

本文結合能源變革形勢，分析區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建設和運營的主要思路。以同里示范區(qū)為例，介紹以交直流混聯(lián)電網(wǎng)為核心的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，采用多能源的源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)運行方式，提出多方共享的綜合能源服務新業(yè)態(tài)。

1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)基本概念

2011年，美國學者Jeremy Rifkin在《第三次工業(yè)革命》中首次提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念[2-4]。他認為能源互聯(lián)網(wǎng)是以可再生能源為主要能量單元，利用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)能量流與信息流實時流動，多種能源供應、傳輸網(wǎng)絡及能源技術、信息技術高度耦合的新型能源利用體系。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的子集，面向規(guī)模可大可小的工業(yè)園區(qū)、商業(yè)綜合體等區(qū)域，有著共同的思路和鮮明的地域特點。

能源的可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境問題是本次能源變革的主要推動力[1]。從能源可持續(xù)發(fā)展的角度看，應改變能源結構和提高能效，主要通過充分使用可再生能源、減少能源轉換環(huán)節(jié)、降低損耗、消費節(jié)能和能源梯次利用等方式實現(xiàn)。從環(huán)境友好的角度看，應盡可能降低能源各環(huán)節(jié)的污染排放。行業(yè)和學術界一致認可應提高可再生能源滲透率、多種能源互聯(lián)互通互補及高效利用。

2 互聯(lián)互通的網(wǎng)絡形態(tài)

2.1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在功能、形態(tài)上表現(xiàn)為將電力、可再生能源、油氣、冷熱及終端互聯(lián)互通、緊密耦合的綜合能源網(wǎng)絡[5]。

電能是能源終端消費的主要形式，只有電可與各種能源互相轉化，因此以電為統(tǒng)一形式，可實現(xiàn)多種能源之間的緊密耦合，以電網(wǎng)為主，其他網(wǎng)絡為輔，是實現(xiàn)各類能源互聯(lián)互通的最佳選擇[6]。

許多可再生能源(例如光伏)、儲能及充電樁等直流設備必須通過變流器并網(wǎng)，這些轉換大大增加了能量損耗。而可再生能源的波動性也增加了電能質(zhì)量的控制難度。許多設備具有能源“供應”和“消費”雙重屬性，需要和能源網(wǎng)絡雙向交流，進一步增加了控制難度。針對這些問題，可通過構建具有交流和直流雙重屬性的“智能”配網(wǎng)來解決[4]。根據(jù)不同的規(guī)模和需求，構建不同電壓等級的直流和交流配網(wǎng)，讓直流電源和負荷直接接入直流網(wǎng)絡，交流電源和負荷直接接入交流網(wǎng)絡。

傳統(tǒng)的配電變壓器無法將這些網(wǎng)絡連接起來，必須有類似于能源“智能路由器”的設備，作為連接各網(wǎng)絡、匯集和分配能源的樞紐，進而實現(xiàn)交流和直流設備靈活接入、統(tǒng)一控制和高效使用。

2.2 能源互聯(lián)互通

示范區(qū)能流圖如圖2所示。示范區(qū)能源節(jié)點拓撲如圖3所示。

圖2 示范區(qū)能流圖

圖3 示范區(qū)能源節(jié)點拓撲

如圖2和圖3所示，示范區(qū)因地制宜地選擇可再生能源開發(fā)的種類、儲能形式和容量。

(1)能源供應方面，最大化開發(fā)了光熱、風電、屋頂/車棚/幕墻/路面光伏、地源熱泵等本地可再生能源，能源結構中可再生能源占比約34%，并通過引入?yún)^(qū)外光伏提高至100%。示范區(qū)能源存儲豐富，充分支撐區(qū)內(nèi)能量管理和可再生能源就地消納需求。高溫相變儲熱、冰蓄冷、壓縮空氣儲能等項目可進行冷熱存儲。預制艙式儲能包含超級電容與鋰電池，支撐電網(wǎng)的能量特性和功率特性。采用退役動力電池建成梯次儲能電站，減少污染排放。

(2)能源傳輸方面，研發(fā)了以微網(wǎng)路由器為核心的交直流混聯(lián)網(wǎng)絡。微網(wǎng)路由器采用電力電子技術，通過4個端口連接4個交直流網(wǎng)絡(±375 V、±750 V、交流10 kV和380 V)，各類源、網(wǎng)、荷、儲節(jié)點都根據(jù)自身特點靈活接入對應的交直流網(wǎng)絡，同時為區(qū)域內(nèi)冷熱源及負荷就近搭建了冷熱管網(wǎng)，所有節(jié)點通過微網(wǎng)路由器實現(xiàn)智能控制，微網(wǎng)路由器轉換效率超過96%，整體實現(xiàn)減少能量轉換損耗和提高能效。

(3)能源轉換方面，以各能源與電的轉換為主(風電、光伏、電制冷/熱、電化學等)，輔以其他轉換，例如溴化鋰機組進行冷熱轉換、光熱發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電的同時儲熱，壓縮空氣系統(tǒng)實現(xiàn)電能與內(nèi)能轉換同時也收集了過程中的冷和熱。

示范區(qū)通過以微網(wǎng)路由器為核心的交直流混聯(lián)網(wǎng)絡連接各類能源節(jié)點，實現(xiàn)多種能源的靈活接入、互聯(lián)互通、智能控制和高效利用。

3 多能源的源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制

3.1 電力物聯(lián)網(wǎng)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)要求能源相關節(jié)點可靈活接入，能量和信息充分流通[4]。作為能源控制的基礎，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的信息網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，因為它是整個區(qū)域內(nèi)能源節(jié)點的信息互聯(lián)，而各節(jié)點的形態(tài)和屬性大相徑庭，本質(zhì)上是一個物聯(lián)網(wǎng)。

在以電網(wǎng)為核心的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，其信息網(wǎng)絡就是電力物聯(lián)網(wǎng)。因此，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡形態(tài)上是以電網(wǎng)為核心的能量網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)(信息網(wǎng))的“兩網(wǎng)融合”。

電力物聯(lián)網(wǎng)通過感知層、網(wǎng)絡層、平臺層以及應用層建設，對各能源節(jié)點數(shù)據(jù)進行全采集、狀態(tài)全感知，實現(xiàn)能源的設備廣泛連接、數(shù)據(jù)開放共享、服務互動創(chuàng)新，推動能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)流的“三流合一”，支撐區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的智能運行和服務。

3.2 源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制

為實現(xiàn)提高可再生能源占比、多種能源互聯(lián)互通互補及高效利用，只有對區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)各能源的供應、傳輸、負荷、儲能等各要素進行多能源的源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制才能實現(xiàn)，應實現(xiàn)以下功能[4]。

(1)不同能量流間的互補控制。

(2)“安全”、“清潔”、“高效”等多目標的控制策略。

(3)各節(jié)點的實時分析和預測。

(4)各節(jié)點的精細化控制。

(5)與其他能源網(wǎng)絡交互、備用。

3.3 源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制運行方式

示范區(qū)依靠電力物聯(lián)網(wǎng)在各能源設備中采用紅外感應、圖像識別、智能表計等智能傳感設備，全面采集設備、網(wǎng)絡和環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。融合4G專網(wǎng)、光纖、載波等通信技術，分層分區(qū)組網(wǎng)，構建靈活、安全的通信網(wǎng)絡。

分布式智能和集中式智能相結合，實現(xiàn)智能運行控制。統(tǒng)一模型、共享數(shù)據(jù)、創(chuàng)新應用，建設源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以“協(xié)同互補、雙向互動”的思路，通過對源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)控制，以及冷、熱、電的多能流互補控制，執(zhí)行“安全、可靠、經(jīng)濟、高效、綠色”等多目標的運行策略，實現(xiàn)能源網(wǎng)絡的智能運維和高效管理。

另外，系統(tǒng)具備“需求響應”、“主動孤網(wǎng)”和“應急支撐”等互動能力，兼顧區(qū)域能源管理以及與大電網(wǎng)或鄰近網(wǎng)絡的“網(wǎng)絡協(xié)同”。

4 多方共享的綜合能源服務新業(yè)態(tài)

4.1 多方共享的綜合能源服務生態(tài)圈

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的服務對象是能源的消費者、供應者、儲能、設備運營商、能源衍生服務商等整個能源產(chǎn)業(yè)鏈相關各方。

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的運營者對整個能源網(wǎng)絡擁有最完備的信息和控制能力，應充分發(fā)揮好自身的平臺作用，為各方共享數(shù)據(jù)并滿足其能源設備或能量流的控制需求。

依靠信息和技術優(yōu)勢，為各方提供能效監(jiān)測、規(guī)劃設計、技術支持、工程建設、運行維護、金融、信用評級等能源全產(chǎn)業(yè)鏈的支撐服務，打造區(qū)域內(nèi)能源行業(yè)的共享生態(tài)圈。同時，運營者也應依靠自身優(yōu)勢開展競爭性能源業(yè)務，促進企業(yè)轉型。

4.2 同里示范區(qū)多方共享的平臺型綜合能源服務

示范區(qū)在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎上建設一體化的綜合能源服務平臺并開展服務。平臺與政府、企業(yè)合作共享能源數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析，實現(xiàn)能源系統(tǒng)全景分析、實時檢測，可提供“經(jīng)濟、資源、環(huán)境”等多目標的能源決策輔助和商機洞察。

平臺圍繞數(shù)據(jù)運營構建了能源服務生態(tài)圈，吸引能源相關企業(yè)，共享資訊和數(shù)據(jù)、拓展能源服務。平臺提供能效全景分析、能效檢測分析及能源數(shù)據(jù)公開，提供交易平臺、精準營銷、交易撮合、企業(yè)評級、能源金融，從而為能源各方輔助制定能源策略、助力能效提升、推動能源服務市場發(fā)展、降低運營成本、凸顯共享價值。

同時，運營方也依靠依托平臺的信息及技術優(yōu)勢，圍繞綜合能源服務全產(chǎn)業(yè)鏈開展能效監(jiān)測、規(guī)劃設計、技術支持、工程建設、運維、金融、信用評級等競爭性綜合能源服務業(yè)務。例如開展了同里湖嘉苑綠色被動房改造項目，涵蓋規(guī)劃設計、工程實施、運維等典型綜合能源服務環(huán)節(jié)，取得了良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

5 結語

本文從區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的概念和訴求出發(fā)，以同里示范區(qū)的實踐為例，分析了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡形態(tài)、運行控制和服務三個層面的特征。在形態(tài)上介紹了以交直流混聯(lián)電網(wǎng)為核心的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，最大化地開發(fā)可再生能源、降低能量轉換損耗。

通過“兩網(wǎng)融合”采用源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)多能互補、能效提高及網(wǎng)絡協(xié)同。在服務方面，發(fā)揮平臺優(yōu)勢和屬性，打造多方共享的綜合能源服務新業(yè)態(tài)。