能源互联网技术实现路径及实践

Energy of China - - 刊头题词 李鹏 -

摘要:能源互联网是在新时代背景下互联网与能源系统相结合的产物。本文总结了能源互

联网以能源微网、储能技术、综合能源系统为代表的三种技术实现路径,提出了适合我国能源资源禀赋的能源互联网架构,介绍了神华集团在能源互联网领域以分布式光伏发电构建的能源微网、以氢能与电池储能耦合、以传统燃煤与生物质能、分布式光伏发电构建的综合能源系统等 3个实践案例,可为我国未来能源互联网的建设提供有益的借鉴。

关键词:能源互联网;分布式;综合能源系统;氢能

中图分类号:TM621 文献标识码:A 文章标号:1003-2355-(2017)02-0038-06 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2017.02.008

Abstract: Energy Internet is the combination of internet and energy system. This paper summarizes the technical roadmap of energy internet with energy micro grid, energy storage, and integrated energy system. This paper proposes the architecture of energy internet suitable for Chinese energy resource. In the construction field of energy internet by Shenhua Group, it introduces the cases of energy micro grid based on the distributed PV, coupling storage of hydrogen and battery. At the last, the project of integrated energy system is presented, which is composed by the traditional coal power plant, biomass power generation, and distributed PV. It provides beneficial experience for the construction of future energy internet in China.

Key words: Energy Internet; Distributed; Integrated Energy System; Hydrogen

0 引言

欧阳羿,杨 杰(神华集团有限责任公司,北京 100010)

在互联网高度发达的今天,信息对个人与公司的决策选择、国家的政策制定均产生影响。信息经济学是运用信息科学和经济学的方法从信息和经济的各个方面研究信息经济的基本理论、发展规律、运行机制和运作方法的一门学科,其主要研究的重点之一是信息对经济的影响。信息经济学认为,市场信息的透明是建立完全竞争市场的基础,市场信息流通越充分,资源将越趋近于最优化配置。

互联网正是一种快捷的传递信息的手段,有助于降低和消除信息的不对称。2015年国务院发布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见 》[1],希望进一步激发互联网与各领域的融合发展,促进中国经济提质增效升级。由于信息的不对称会产生交易成本,互联网可以提高信息的传播速度

和传播量,降低信息不对称,从而降低交易成本,实现信息经济学中的帕累托最优,继而达到市场在资源配置中起决定性作用的目标。目前,在我们身边成功运用互联网改造行业发展业态的案例比比皆是,例如阿里巴巴、京东、滴滴等,其成功的核心均是利用互联网打造平台战略,通过互联网零边际成本、规模效应的特点,培育客户消费习惯,提高客户对公司产品及服务的需求粘度,降低中间成本和交易成本 [2-3]。

能源是人类活动的物质基础。尽管能源的形式多种多样,但是,经济性始终是能源的首要特征。我国正处于工业化发展阶段,能源需求巨大,而社会、经济的可持续发展对我国能源行业的发展提出了新的要求。鉴于互联网的突出优势和在经济社会各领域的成功实践,互联网与能源的结合也逐渐成为传统能源行业自我改造及转型升级

的必然选择。

1 能源互联网的发展历程

能源互联网的提出经历过几个阶段。自20 世纪以来,信息和通信技术领域的大量变革创新,为能源领域的进一步提升和发展提供了技术支持。在各种技术的推动下,能源领域先后出现了智能电网,综合能源系统与多能源系统以及能源互联网。

[4-7]目前较为主流的看法有三种 能源互联网模式。1.1 以分布式可再生能源为中心的能源互联网美国学者里夫金先后在其著作《第三次工业革

[8]

命》 中提到的能源互联网,以可再生能源为主要一次能源,产销一体成为能源生产与消费主要形式,由于可再生能源低能量密度、分散式的特点引发了产销者之间的合作意识,从而使得基于互联网技术建立开放网络、实现广域能源共享成为必然;这种网络支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统自由接入网络。其所倡导的能源互联网的内涵大体就是:从化石能源走向可再生能源,从集中式生产走向分布式生产,从封闭走向开放,从产权独占走向协同共享。

1.2 以跨区域电力输送为核心的能源互联网全球能源互联网方案由中国国家电网公司提出 [9],它是以特高压电网构建骨干电网,跨国输送清洁能源为主。该方案积极贯彻国家“一带一路”战略构想,是提高中国在国际能源领域影响力的首要举措,是未来能源互联网发展的重要方向之一。但是,国际间的任何能源合作与网络互连,均涉及复杂的政治博弈,其实现的壁垒不在技术层面。该方案在短期内实现的可能性较低。

1.3 以综合能源系统为核心的能源互联网综合能源系统及多能源系统(以下统称综合能源系统 )就是对能源系统中存在的不同能源形式进行优化组合,如热电冷联供发电机组通过高低品位热能的协调优化,以达到提升燃料利用效率的目的。因此,综合能源系统就是在规划、建设和运行等过程中,通过对能源的产生、传输与分配(能源网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后,形成能源产供销一体化系统。按能源形式划分,综合能源系统主要由电力系统、天然气系统(含氢系统)、热力系统(含供热、供冷)以及未来电气化后的交通系统等子系统构成 [10-11]。

2 符合我国能源禀赋特点的能源互联网

综合已有的各种定义与诠释,能源互联网实 现了电力系统、天然气系统、供热系统和交通系统的耦合、互通和融合,如图1 所示。能源互联网发展的最终形态是实现大能源系统的重塑与融合。电力是各种形式能源产品的最重要的消费方式,是经济、能源市场发展的晴雨表,同时控制手段丰富。因此,未来汇聚多种能源系统的能源互联网必将以电力系统为核心,其他系统为辅的复杂网络形态 [12-13]。

现阶段,能源互联网在中国的现实意义主要有两点:一是通过能源互联网中“源- 网 - 荷 -储”中“源源互补”、“源网协调”、“网荷储互动” 3种方式实现协调优化,从而扩大可再生能源并网规模,克服供应侧与负荷侧双侧随机性带来的挑战,弥补我国目前电源结构中灵活性资源不足的缺陷;二是通过互联网手段改造我国的电、气、热以及交通等传统行业,提高市场透明度,减少中间环节,降低用能成本,提高能源利用效率 [14-15]。

从发展方向来看,一方面,在不同能源形式的纵向产业链上面,通过消除和简化能源生产、运输、配送到消费各个环节中的非必要流程,提高能源利用效率;另一方面,在不同能源之间构建横向平台,梯级利用能源,发挥不同能源品位高低的特点,提高能源利用效率。但是,在能源互联网的探索中,美国、欧洲、日本对能源互联网均有各自不同的侧重点,因此我国也应该以国家的资源禀赋条件为前提实践能源互联网。未来的能源必然转向以可再生能源为主,风能、太阳能、水能将成为主要的一次能源。在我国中东部地区,能源需求强度高,但是各种自然资源非常有限,风能、太阳能由于自身能量密度较低,所

以,可再生能源供给方式无法满足中东部地区的能源需求;在我国西北部地区,不仅集中了我国主要煤炭、石油、天然气等化石资源,而且蕴含着丰富的风能、太阳能等非化石能源。因此我国未来的能源互联网将形成以中东部可再生能源优先就地平衡、西北部化石能源和非化石能源管网集中单向输送的格局。

3 能源互联网的技术实现路径

能源互联网不同于其他行业+ 互联网,其突出的特征是保持供给侧与负荷侧、生产侧与消费侧的实时平衡。结合能源实时平衡的特征,根据上述能源互联网的现实意义,现阶段能源互联网的实现路径可分为 3大类:一类是通过大能源系统的降阶简化,将寻求整体解决方案转为局部问题优化,各能源互联网局域网络、本地化网络在内部能源消费供给自平衡的基础上,再寻求外部能源的支撑;另一类是通过储能环节实现供给侧与负荷侧的解耦,利用储能环节缓冲供给侧的随机波动性,按需配给负荷侧对能源的需求,同时保证供给侧的持续高效生产,提高供给侧产能利用率;第三类是通过跨能源种类的优化,发挥不同能源各自的优势,以综合能源效率最高的形式,解决能源供给侧与负荷侧的实时平衡。

3.1 能源微网能源微网的建立实际是通过局部优化替代整体决策。集中决策的优点是可以实现全局的整体优化,但其实现的前提是需易于建立研究对象数学模型。从控制论的观点来看,集中决策的特点在于准确获取对内控制对象、对外扰动信息,依据这些信息集中进行控制决策。因此,当整个系统阶数较低、数学模型较简单时,系统外部扰动信息没有动态变化,决策中心有能力掌握绝大部分系统信息时,整体决策是科学、有效的。然而,随着系统阶数增加,系统外部扰动信息量实时变化时,决策中心全面获取系统信息,并针对每个系统环节的利益关注,构建协调全局优化并兼顾个体需求的集中决策模型的难度将大大增加。最终,当系统规模和外部扰动信息获取成本增加到一定程度,集中决策将变得不科学、不可行。

分散化的微平衡决策,依控制论观点就是一个完全由市场机制决定的负反馈闭环控制系统,在这个系统中,市场环境中的客观规律充分作用。这时的子系统(市场主体 )直接面对市场多变环境,参与市场竞争,作出各种决策,因此子系统 对于内部变化和外部干扰极为敏感,适应能力强。

以电力系统、油气系统、热力系统为主体构成的能源系统规模庞大,体系复杂。因此,能源系统整体层面的信息快速处理、科学决策变得越来越困难,需要进行分散化处理,对系统进行降阶简化,以便于子系统简单数学模型下局部自平衡决策的形成。

互联网技术的发展降低了信息获取成本,加快了信息流通速度,缩减了信息传递环节,为分散化交易提供了可能。因此,与传统能源、电力行业相比,能源微网中的自平衡实现了个别能源供应者和消费者之间的自发、自主的能源交易,实现局部的自我平衡,垂直层级集中决策的管理运营方式向分散化决策的局部微平衡转变 [2]。

3.2 储能技术由于风电和光伏发电具有低能量密度、波动性和间歇性的特征,导致未来新增电力装机的容量置信度较低,电力系统供电可靠性存在下降的可能。以电储能为主要代表的储能技术具备双向功率调节能力和灵活调节特性,可以显著提高系统对分散可再生能源的接纳能力 [16-17]。一方面满足了负荷侧对电力随机、波动性的需求;另一方面,在用电低谷期将风电、光伏发电电能储存起来,待用电高峰期再释放,降低对燃煤电厂调峰调频的要求,使得燃煤电厂保持在较高的运转效率,减少燃煤电厂的污染物排放,实现供给侧与负荷侧的解耦。

对于电力系统应用而言,储能系统的基本技术特征体现在功率等级及其作用时间上,储能的作用时间是区别于电力系统传统即发即用设备的显著标志,是储能技术价值、电力时间的重要体现。储能所拥有的这一独特技术特征将改变现有电力系统供需瞬时平衡的传统模式,在能源革命中发挥重要作用。

3.3 综合能源系统传统的能源系统运行、规划局限于电、气、热(冷)等单一能源形式系统的内部,无法充分发挥它们之间互补优势和协同效益 [18-19]。综合能源系统作为能源互联网中的物理部分,能为多种能源协调、综合利用提供平台,通过各种热—电、电—气、气—电—热等耦合装置实现多系统优化。一方面,作为核心的电力系统目前无法解决大规模高效存储电力储能问题,综合能源系统将电力系统中无法有效解决的储能问题提升至整个能源

相关系统的层次,建立统筹协调,利用天然气系统、热力系统及电气化的交通系统在能量储存方面的特点弱化供给侧与负荷侧的强耦合联系。另一方面,负荷侧对能源需求多样化、随机性的客观要求为综合能源系统从能量梯级利用的角度解决不同能源形式的组合提供了可能。

多种能源协调运行,可发挥不同系统的优势和潜力,丰富可再生能源消纳途径,扩大可再生能源消纳空间,促进可再生能源的消纳。同时,多种能源的统筹考虑可以在更大范围内实现资源优化配置,提高能源利用效率。

4 神华集团能源互联网实践

神华集团是以煤为基础,集电力、铁路、港口、航运、煤制油与煤化工为一体,产运销一条龙经营的特大型能源企业,是目前我国规模最大、现代化程度最高的煤炭企业和世界上最大的煤炭供应商。目前,神华集团在清洁能源发展战略的指引下,沿着化石能源清洁化、新能源规模化两条路径积极实施转型发展。为推进清洁能源战略落地,神华集团正在全方位、多领域开发建设能源互联网项目,在能源微网、综合能源系统以及储能技术研究等方面重点开展工作。

4.1 北七家能源微网在北京神华北七家科技园区围绕 3000kW 分布式光伏发电系统构建源—储—荷型小型微电网,实现微电网的孤岛转并网、并网转孤岛方式的自动切换。并网运行模式下,光伏发电系统、蓄电池储能系统、氢储能系统并网运行,储能用双向逆变器既可以在并网充电模式下也可以在并网放电模式下工作;孤岛运行模式下,以电池储能系统和氢储能系统(双向 )作为独立运行模式的主控单元,双向储能逆变器无缝切换,电池向母线供电,光伏发电、负载正常运行,实现系统孤岛运行。

通过部署分布式光伏发电系统和能源传感器系统,并利用物联网技术,研究开发基于大数据技术的分布式能源供需双侧资源协同优化调度系统,构建多类能源耦合运行、智能运维的智能微网综合开发运营平台系统,帮助电力的经营管理者挖掘用能数据,完成高度精确的预测需求,为能源用户提升用能、用电体验,引导其有意识地调整优化自身用电方式,从而实现显著的节能降耗。

4.2 氢储能及电池储能系统除了传统的电池储能,与电解水技术和燃料 电池技术相结合的电—氢—电的模式近年来被认为是可以大规模应用的储能技术,低谷电时,利用电解水制氢并储存,高峰电时利用储存的氢气供给燃料电池发电,从而完成电—氢—电的储能路径。

神华集团在北七家能源微网系统基础上,建设 900kW,9MWh 大容量储能示范工程。利用传统电池储能技术的双向存储特点,结合以氢气为载体、以电解水制氢和燃料电池发电为实现形式的储能方式,采用双向、单向两种能力存储模式,根据峰谷时段电价差异,开发储能调峰应用系统,利用低谷时段电价给储能系统充电,在峰值时段放电,减少峰值时段的用电量,降低电网在高峰时段的用电压力,减少电费支出。

储能系统常规时间工作在峰时段放电、平时段待机、谷时段充电的调峰模式。基于不同的控制策略,系统还可以实现应急备用、电能质量管理与控制、负荷跟踪与补偿、分布式发电管理与平滑等功能。据此,在储能系统中,进行自设备、子系统至整个系统的多层级综合控制管理,实现储能系统不同工作模式下设备、子系统的协调控制及系统在不同工作模式之间的平滑切换。

4.3 富平综合能源系统

2012年,神华集团在富平高新区开发2×350MW超低排放热电联产项目,计划 2017 年 10 月两台机组全部投产。为响应能源“四个革命、一个合作”能源发展战略思想、践行五大发展理念,神华集团依托 2×350MW 热电联产机组,建立多能源互补、集中与分布式供应相结合的能源生产系统,开发区域综合能源示范项目,为所在区域提供一体化能源服务。该项目已正式纳入国家能源局首批多能互补集成优化示范工程 [20]。项目践行“煤炭绿色开采、绿色运输、绿色储存、绿色转化”的清洁发展路线,实现以电替代油、电替代天然气、汽替代所有散烧锅炉、低品质蒸汽制冷替代电制冷,达到终端用能零碳排放。

能源互联。从能源生产角度,建立区域智能能源供应网络,能源供给方以富平热电厂为主,以光伏、风力发电等分布式可再生能源进行补充,经过能源转换,实现“电、热、汽、冷、水”五联供;从能源传输角度,物理层面采用综合管廊传输,避免由于敷设和维修地下管线频繁挖掘道路而对交通和居民出行造成影响和干扰,保持路容完整和美观;便于各种管线的敷设、增减、维修

和日常管理;有效利用了道路下的空间,节约了城市用地;从能源消费角度,园区内推广智能家电、智能电动汽车、智能充电桩、智能储能设施和其他智能用电设备,可以通过互联网实现互联和控制。园区内发电设施、企业或家庭的智能储能设备,可以在用电低谷、电价较低时自动进行储能,在用电高峰或电价高时自动放能自用或出售给其他用户,降低园区从大电网获取能源的能源总量,起到虚拟调峰电站的作用。

信息互联。通过工业控制网络、电力网络、互联网,实时感知工业园区内固定消费端、电动汽车等移动消费端、储能设备和屋顶光伏发电等可再生能源节点的接入、断开和消费信息,对“电、热、汽、冷、水”进行实时高效配置,实现能源调度智能化,提高能源生产效率。综合能源供应中心所有设备实现数字化、网络化、透明化,配备智能分析软件,实时采集设备的状态特征和运行过程数据,实现故障预判和预测性维护,实现设备运行优化管理,提高安全运行水平和对能源的利用率。建立基于网络化的智能感知、计量、控制和保护设备,搭建覆盖能源生产、传输和消费全部环节的能源物联网,实现自动计量和自动交易。建立智慧能源管控系统,通过基于分布式能源调度模型的发电功率预测、用能预测、协调调度、节能潜力分析以及用能优化与管理等核心技术,实现区域中的能源一体化优化调度,并引入大数据分析等技术,综合管理区域资源,实现经济。安全和高效的能源分配和管理,有效提升能源使用效率,降低单位 GDP 能耗。基于智慧能源云服务平台,建立实现园区内能源交易和其他相关服务的商务平台,在云计算平台上对各生产节点和消费节点实现全自动无人化交易结算。可 以收集生产和消费数据,形成大数据,并基于大数据实现能源管理智能化分析应用,比如帮助家庭消费者分析其用能数据,提供用能节能服务。

价值互联。综合能源系统为能源生产、配送、消费方提供了新业务和商业模式机会,为相关方资金流的互通提供了平台,促进物理与虚拟融合,提升对能源需求的满足程度;新的生产、管理和交易方式通过提升生产效率、去中介化降低交易成本,创造效率价值,提升了能源需求满足过程中的效率。

该系统改变了传统能源供应体系中条块分割的局面,以能源源层、五联供动力模块层、综合管廊输送层、控调中心层以及需求层等五个不同层面协调不同能源利用形式,通过各类能源的梯级利用,能源的一体化开发和二次优化集成,使得区域综合能源效率达到 70% 以上。项目通过建设基于互联网 + 能量平衡管理(EMS)+ 需求侧管理(DSM)的智慧能源系统,在供给侧实现能量的平衡与调配,能源的协调与互补;在需求侧实现服务与管理,提供用能解决方案;构建起一体化数据平台,实现供给侧与需求侧信息流互动、能量流互动、资金流互动,见图 2。

5 结语

互联网与传统行业的结合,通过互联网打造平台战略,由于能源行业的特殊性—供给侧与消费侧的实时平衡,所以能源互联网相对于一般的“互联网 + 传统行业”具有更加丰富的内容。由横向平台、纵向产业链构成的能源互联网,实现了不同能源产品(煤、电、热、气)的优化组合与能源供给消费(源、网、荷、储)的实时动态平衡,见图 3。

我国的能源互联网,通过互联网手段和思维,解决能源产业整体效率问题(包括生产效率、传递效率、使用效率、转化效率等等),既包含二次能源,也兼顾一次能源。通过整合不同类型能源的生产、转化(一次能源与二次能源的转化、能源形式间的转化)、传输、储存、配送、使用各环节,对环节中信息流、能量流、资金流进行优化和重构,在生产、消费环节增强能源价值创造能力,在输配环节提高能源价值传递环节效率,通过互联网手段实现对传统能源体系的变革,以市场为手段配置资源,在能源供需上实现局部平衡、帕累托最优,构建高效、绿色、智能的现代能源产业体系。

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