能源互联网体系架构及关键技术_严太山.docx

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1、 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 Vol. 40 No. 1 2016 年 1 月 Power System Technology Jan. 2016 文章编号： 1000-3673（ 2016） 01-0105-09 中图分类号： TM 72 文献标志码： A 学科代码： 47040 能源互联网体系架构及关键技术 严太山 1，程浩忠 2，曾平良 3，马则良 4，张立波 2，田书欣 2 （ 1上海电力学院 电气工程学院，上海市 杨浦区 200090； 2电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 (上海交通大学 )，上海市 闵行区 200240； 3中国电力科学研究院，北京市 海淀区 1

2、00192； 4国家电网公司华东分部，上海市 浦东新区 200122） System Architecture and Key Technologies of Energy Internet YAN Taishan1, CHENG Haozhong2, ZENG Pingliang3, MA Zeliang4, ZHANG Libo2, TIAN Shuxin2 (1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China;

3、 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Minhang District, Shanghai 200240, China; 3. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 4. East China Power Grid Company, Pudong New Distr

4、ict, Shanghai 200122, China) ABSTRACT: The study of building energy internet, which is featured by integration of renewable energy and internet information technology, will be the fundamental way to forge a green energy structure and improve energy efficiency. Firstly， this paper introduces the gene

5、ral research of energy internet at home and abroad, and indicates that electricity is the major energy form of energy internet and the smart grid is the carrier. Based on that, the system architecture of energy internet is studied. Secondly, the situation of sophisticated network system that include

6、s power network, transportation system and natural gas network is analyzed; coordinated planning of electrified transportation system and power network, coordinated planning of gas and power network considering various uncertain factors, combined heat and power network are proposed as the research e

7、mphases of energy internet. Finally, key technologies of energy internet are analyzed and future research directions are pointed out. KEY WORDS: energy internet; system architecture; coordinated planning; key technologies 摘要： 构建以融合可再生能源与互联网信息技术为特征的能 源互联网，建立从集中利用传统化石能源向清洁能源转变的 能源利用 体系 将 是实 现 能源结构 绿色化

8、 和用 能 高效 化的根 本途径。基于此背景下，首先介绍了国内外能源互联网的研 究现状，指出能源互联网是以电能为主体形式、以智能电网 为载体的能源互联网络，进而对能源互联网的体系架构进行 基金项目： 国家自 然科学基金项目 (51337005)；国家电网公司科技 项目 (XT71-15-040)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (51337005); Project Supported by Science and Technology Project of SGCC (XT71

9、-15-040). 研究 ；其次，对电 力 、 交通 、 天然气等 网络的融合现状进行 分析 ，指出研究电网和电 气化交通网的协调规划 、 考虑计及 各类不确定性因素的天然气网和电网协调规划 、 热 电联合 系统等方面将是能源互联网的研究 重点；最后分析 了发展能 源互联网中的关键技术，并指出后续关键技术研究中的突破 方 向。 关键词： 能源互联网；体系架构；协调规划；关键技术 DOI： 10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.015 0 引言 传统化石能源的逐渐 枯竭 以及能源消费引起 的环境问题日益恶 化，缓解 能源危机和减少大气污 染已成为能源可持续发展中迫切需

10、要解决的 问题 ， 因 而以集中 式利用 高碳 化能源为 特点 的传统 能源 利用模式将难以持续 。 随着 可再生能源发电技术以 及互联网信息技术的快速发展，提出构建以深入融 合 可再生能 源与互 联网信息技术为特 征的能 源互 联 网将是实 现能源 清洁替代和可持续发展 的 关键 所在 。 发展 能源互联网将从根本上改变对传统能源 利用模式的依赖，推动 传统 产业向以可再生能源和 信息网络为基础的 新兴产业 转变。 近年来 ，能源互联网 作 为信息技术与可再生能 源 技术 的产物，引起了 国内 外学者的 广泛 关注 。 2011 年，美国著名经济学者杰里米 里夫 金 第三 次 工业革命一书

11、中提出互联网通信技术与能源体 系交汇的设想 1，并认为信息技术与能源的融合将 从根本上改变能源的开发与利用方 式。 目前 ，国内 外针对能源互联网的研究正在兴起，但各 国对能源 能能源共同体 ” 计划 ，开展能源和智能电网等领 “ 106 严太山等：能源互联网体系架构及关键技术 Vol. 40 No. 1 互联网的概念理解尚未达成统一 。 2008 年，美国 “ 未 来电能传输与 管理 系统 ” (future renewable electric energy delivery and management system， FREEDM) 从技术层 面提 出了能源互联网的概念，并开展配电 系

12、统能源互联网研究 2-3。 2012 年，欧盟理事会在 “ 促 进 欧洲领跑新工业革命 ” 的研讨会上明确提出 第三次工业革命将 围绕 能源互联网而展开 。 其 中， 德国联邦政府经济和技术部在 2008 年提 出能源互 联网计划与 “ E-Energy” 理念 ，重点是将信息通信 技术和能源领域结合起来，旨在 建立一个基于信息 通 信技术、实现能源体系 数字化互联的高效能源系 统 4-6。 E-Energy” 计划在 2020 年实现在电网中覆 盖信息网络，并使能源网络中所有元素都可通过互 联网信息技术进行 协调工作 。 2010 年，日本 启动 “ 智 7 域的研究； 2011 年日本通过

13、提 供异步连接 、 协调 局 域 网内 部以 及不 同局域 网系统研 制数字 电网路由 器 ，从而统 筹管理一定范围区域内的电力， 并通 过 电力路由器调度地区电力 8-10 。 目前，日本数字电 网联 盟 已在肯尼亚 未通电 地区 开展 数字电网路由器 试验 研究。 韩国在首尔等 城市 开展 智能能源城市示 范 11，如 “ 智能首尔 2015” 等 。此外，国家电网 公 司董事 长刘振亚 在电气 与电 子工 程师 学会电力与 能源协会 2014 年会上进一步提出构建 全球 能源互 联网，并 指出能源问题 具有全局性和广泛性，只有 统筹全球 能源 资源开发 、 配置 与利用， 才能实现能 源

14、清洁 替代和电能 替代 12，保障全球 能源的高效、 可持续供应 。 相比 于智能电网，能源互联网 更加强调 多种 能 源形式间的综 合互 补 利用，是 一个以电能为主体形 式、以智能电网为主 要载体的能源生态 系统。 近年 来 国内 针对 能源互 联网的研 究已经取得了一些成 果，文献 13探讨 了能源互联网下的 新型配电网及 其相关控制，并从基本功 能、系统结构、 通信要求 3 个方面分析了新型配 电网的特 点 。 文献 14以分 布式可再生能源发电为基础 ，建立了 包含 分布 式能 源、 储能装置 、智能 终端等构成 的能源互联网系统。 文献 15建立了能 量路由器 的基本模型，指出柔性

15、 直流输 电、 直流 配电等技术是 发展 能源互联网亟需 突破 的方 向。 文献 16对能源互联网的 需求推动作 用和研究现状进行 分析 ，并建立了能源互联网的技 术框架模型 。 文献 17对柔性直流技术在 能源互联 网中的应用价值进行探讨， 并提 出柔性直流技术在 未来 能源互联网中的 2 种应 用方案 。 文献 18-19利 用复杂网络理论 ，从 宏观 结构 角度 建立能源互联网 拓扑模型 ，为 后续研究能源互联网系统的设计与优 化提供参考 。 目前的 文献 大部分都是在分析国内外 具有代表意义 的能源互联网 雏形的基础上，讨论能 源互联网的概念 、技术 框 架、 拓扑 模型以及发展能 源

16、互联网的必 要性 ，而 很少从系统的角度去研究能 源 互联网的 体系架 构以及分 析能 源互 联网中 需要 重点研究的关键 技术。 本文 首先分析 了能源互联网的内涵以及 特征， 明确了能源互联网与智能电网之间的关 系， 并 对能 源 互联网基 本体系 架构及其 能量 信息 双 向互 动进 行初步 研究。 其次 ，以电网为 枢纽 ，分别对能源互 联网体系中电气化 交通 网与电网协调规划 、 天然气 网与电网协调规划 、 热 电联合系统的研究现状进 行分析总 结， 并 指出 后 阶段 能源互联网的重大研究 方 向。 最后 ，从可再生能源 发 电技术、智能 输电网 技术、 储 能技术、互联网信息技

17、术、系统 规划分析 技术 5 个 方面 ，探讨 分析 能源互联网研究中需要解 决的 关键技术领域 ，为 后续 开展能源互联网的相关 研究提供参考 。 1 能源互联网体系架构 能源互联网的提出是 基于现 有的能源基础设 施，尝试深入融合先进的互联网信息技术和可再生 能源发 电技 术，实 现多种能 源的广域智能 优化配 置 。能源互联网的建立将 克服大规模清洁能源在接 入 、传 输和 控制 等方面的 瓶颈 ， 推动清洁能源的 大 规模利用与 分享 ，实现 多种 能源的可 持续 开发 利用。 关于能源互联网概念与内涵，目 前尚 无统一全 面的明确 描述 。本 文综合能源互联网的研究背景和 当前 能源

18、互联网的研究 成果，总结出能源互联网至 少应包含 3 大特征： 1）以清洁能源作 为主 要一次 能源，传统化石能源 消费 将逐步向清洁能源的高效 利用转 变； 2）允许 大规模集中 式、 分布式发 电系 统以及储能设备的接入，允许 规模化电 动汽车接入 电网 ； 3）能 够将 互联网信息技 术应用到电力 、 天 然气等能源网络，实现 广域 能源共享 。 可见 ，能源互联网是 在现有能源供给系统以及 利用可再生能源发 电、互联网信息以 及 先进 储能等 技术的基 础上 ，以电能为主体形式，以智能电网为 载体，并与智能气 网、智能 热 网、电 气化交通网紧 密耦 合的 具有 互联 开放特性的能源共

19、享 网络。 图 1 给 出了信息 和能源 融合下的能源互联 网体系 架构 示意图 。 图 1 中：双向 箭头 表示信息流；单向箭头 表示能量流 。 由图 1 可看 出，能源互联网是 在搭建 有能源互联开放平台的基础上 ，以电网为 核心 基础 服务器 储能电池 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 107 能源互联开放平台 互联信息 多能源协调 管理 系统 动汽车充电站与换电站的布局 、 车主驾驶习惯以及 充电行为将会对交通流量产生 影响 ，而 交通网的实 网络 智能气网 电转气设施 燃气发电 储气 能源 交易平台 智能发 智能 电及 热网 供热 电力网络 电气化交通网 储热 电动汽车 用户

20、 电动汽车 时流量也会反 过来影响 车主充电时间和特性 ，从而 影响 电网 正常运行 ；其次 ，在电网与天然气 网的 耦 合方面， 随着 可再生能源发电的大力推广以及 “ 页 岩气 革命 ” 不断深化带来天然气开 发成 本的下降， 燃气发电的比重将会日益增加，加上日益成熟 的电 转气 技术， 若将电转气设施与可再生能源发电机组 风 电、 光伏 发电 及储能 用户 服务器 服务器 充电站及 联合运 行，将可能进 一步推动 电网和天然气 网的 深 度 融合。此外，利用 热 电联 产 系统和可再生能源 发 图 1 能源互联网体系架构示意图 Fig. 1 Sketch of energy intern

21、et system architecture 网络设施 ，形 成一个涉及 智能电网、智能 气 网、智 能热网和电气化交通网的复杂多网流 系统。 能源互联开放平台是 一个 具备完善安全策略 且具有互联开放特性的综合信息处理平台 。 在此平 台下，互联信息网络通过在 电网、 燃气 网、 热 网、 交通网等能 源系统 范围内装设海量信息 采集 和传 感设备，采集各种能源设备运 行状 态及各能源系统 的实 时运转状 况等海量信息，并通过云计算和大数 据技术对海量 信息进行分析 处理 ，进而 搭建能源交 易平台支持各项能源交易 。 多能源协调管理系统根 据气 、 热 、电 等能源行业的运转情况 ，从系统

22、 安全 运 行、能源 价值最大 化、 多能源交易准则和法规的 角度对 多种能源 交易和 能源 资源配置 进行 协调管 理，保障能源的安全 高效 供应以及 能源互联网的 健 康发展 。能源互联网中集中式与 分布式可再生能源 发 电、 大容 量储能系统的 接入实现了能源供用关系 的灵活转换，同 时也 形成了多元市场主体并通过能 源交 易平台完 成电能交易 、可再生能源 配额交易等 业务 。 在 能源互联网中，用 户可借助能源互联网清 晰地了解需求侧能源需求状况，并借助系统控制网 络实现能源储备和能源需求的匹配，同时用户也可 参与供电供热环节， 借助 能源交易平台与分布式能 源储能开展能源在线交易

23、、转 售等业务 。 对于复杂多网流系统，由图 1 可看 出，能源互 联网由 智能电网、智能 气 网、智能 热 网、电 气化交 通网紧密耦合构成，并且网络间存有能 量流 与信息 流的双向流动 ，从而形 成一个复杂多网流 系统。 该 系 统是以电 能作为各种不同 形式能源 之 间相互转 化的 枢纽 ，电网与 交通网通过电动 汽车充放 电设施 及车主驾驶 、 充电行为相互影响 ，电网与 天然气网 通过燃 气发电和 近年来 出现 的电转气 技术 20-22 实 现能量双向流动 。首先， 在电网与电气化交通网的 耦合 方面 ，由于未来大规模电动汽车接入 电网，电 电供热技术可实现电能与热能转换，并进 一

24、步发展 热 电联合系统，也将是能源互联网建设中不可或 缺的 重要 部分 。 能源互联网是综合利用可再生能源发 电技术、 智能输 电网技术、互联网信息技术、系统 规划分析 技术，融合电网、 天然气 网络、 热网与电气化交通 网，形 成 多种 能源高效利用的能源共享 网络。能源 互联网的 理想 运营方式应为以电网为主导，涉及能 源生 产者 与消费者 、能源网络 运营商 、能源 代理商 等主体的多行业共同参与的联合运营模 式。 随着能 源与信息的深度 融合，能源行 业在走向互联高效的 过程 中， 在 能源材料 及设备 ，能源生 产 、 交易 、 消 费以及 能源 资产等 方面 都将会衍 生出 新的商

25、业模 式， 具 体 包 括 能源 材料 及 设 备 的 线 下 市 场 ， B2B(business to business)行业垂直电商；基于大数 据的第三方工业节能商业模式，节能解决方案；从 事能源产品交易的能源交易平台 ，能源 资 产的利用 和代理运营服务，能源资产证券化的互联网金 融， 能源资产 的电 子商务； 基于 大数据的用能咨询方面 的能源增值服务，新能源汽车 产业 等 。 2 能源互联网体系子网协调规划研究 2.1 电气化交通网 电网协调规划研究 随着电池储能技术日 益成 熟以及电动汽车制 造成本的下降 ，电 动 汽车 的普及率将会得到大幅度 提 高，交通 网络将逐步走向电气化

26、；此外，通过汽 车到 电网 (vehicle to grid， V2G)技术将电 动汽车和电 网智能地 结合 起来，也 被视 为 解决 电网效率低和未 来大规模可再生能源接入电网 引起 间歇性 、 波动性 问题 的有效措施 。 因此，这两 方面 都将 促使 电气化 交通网与电网的联系愈加紧密 。 然而，由 于电 动汽 车充 电的 随机性 、 无序性 ，可能 会给电力系统带来 电能质量恶化 23-24、 增加电网运行优化 控制 难度 25 等多 方面 的负面影响，如何实现交通网和电网的协 调规划是构建能源互联网中的 重要研究 课题 。 108 严太山等：能源互联网体系架构及关键技术 Vol. 4

27、0 No. 1 电动 汽车 作为 未来 电气化交通 网的核心 ，是能 源互联网的重要组成部分 。 目前 ，国内外 针对 考虑 含电动汽车充放电调度 26-29、 计及电动 汽车充放 电 的机 组组 合 30-31、利用电 动汽车储能平抑可再生能 源间接性 32-33、电 动 汽车 参与调峰调频 34-36等电动 汽车 与电网互 动运行方面已取得不少研究成果 ，而 针 对电 动汽车作为 连接 电气化交通网 和电网 的纽 带，考虑电气化交通网 电网协调 规划方面却有待 深入 研究。 文献 37-39针对充电设施与电网协调规 划进行了一些探索性研究，通过在充电设施规划时 充 分考 虑充电站合理布局以

28、及电动汽车接入 对电 网影响，有效 降低 了电网投资和网络运行成 本。 文 献 40对电动汽车充电设施 规划中电网与 充电设施 的互动 等关 键问题 进行研究 ，并 结合 我国具体情 况 ，对 解决充电设施规划中核心难题提 出建 议 。 文 献 41提 出以系统网架 投资 、 充电站建设等投资成 本最小与截获 交通流量最大 的多目标 协调规 划模 型，并采用基于分解的多目标 进化算法 42求得 帕累 托最优解 ，从而实现电 力系统 规划 和计及交通流量 的电 动汽车充电设施 规划 之间的 协调 。 文献 43指 出 大规 模电动 汽车 的应 用将交通网和电网 耦合在 一起，在假定充电站 可用

29、度和电价会影响车主路线 选择的条件 下， 通过寻求社会效益最大化来 建立 充 电站最优配置模型， 最后 以实际的 交通拓扑 网络和 局部电力网络进行实例论证 。 综上所述，目前关于 充电设施规划的大多数 研究 中忽视了 交通 流量和 交通路网规划等重要影响因素， 未来能源互联网中 的充电设施规划不仅要考虑与电网 规划 相协调 ，而 且还应与 地区 总体 规划 和交通路网 规划 相协调 ，以 保障规模化电动汽车接入下区 域 交通 流畅和 交通 网络的经济运 行。 因此，在目前充电设施规划研究 基础上，后 阶段 还需重点研究区域 交通 网流量和路 网规划对充电设施 规划 的影响 ，以 及进一步研究

30、电 网和电气化交通网的协调规划理论与方法 。 2.2 天然气网 电网协调规划研究 相比于煤炭等传统化石能源，天然气在环境效 益方面具 有明 显优势，加上传统化石能源的 日益 匮 乏，在 未来 总发电容量中燃气发电所占比重将会显 著提升，天然气 网与电网 规划运行之间 的联系将 日 益紧密 44-45。此外， 在能源互联网中，燃气发电作 为清洁能源发 电， 也是实现能源互联和高效利用的 重要环节 ，研究 考虑融合 天然气网和电网的协调规 划具有重大价值 。 现 阶段 在 天然气 网 电网协调规划 的相关 研究 方面，文献 46-48指出 随着 燃 气发电的 比重提升， 天然气网 规划 与电网规划

31、运行存在 紧密联系，未来 电网可靠性评估需要考虑天然气供应的可靠性 ，研 究整合 天然 气 网和电网 的规 划模 型对整个网 络的 安全可靠运行具有重大意义 。 文献 49以最小化整 合 天然 气网 和电网 的发电投资和运行成 本为 目标 函数 建立 混合整数线性优化模型，模型约束条件包 括发电厂常规 约束 、 天然气 网与电网互联约束以及 气井容量约束等 。 文献 50在电源和输 电网规划 中 考虑天然气网以合理计 算燃 料供应成 本，以 输电费 用、 天然气网规划投资和电源 规划 投资的总费用最 小作为目 标函 数建立规划模型，同时考虑天然气网 络节 点气 压约束 、 输气管道容量约束和电

32、网功率平 衡等 约束条件 ，并利用混合算法求解得出燃气电厂 最优布局 、 天然气管道和输电线路 的架 设方案 。 文 献 51针对天然气 网和电网的 协调规划 ，从技术、 经济和 环境角度 进行分析， 指出 在竞争市场 环境 下，网络 协调规划目标是在满足用户电力和天然气 需求等技术条件下追求投资和运行成本之和最小 。 文献 52在天然气 网规划模型的基础上，进一步提 出 了以天然 气 网和电网的年 总投资和运行成本最 小 为 优 化 目 标 的 气 电 联 合 规 划 (gas electric planning， GEP)模型，模型中考虑了气量平衡 约束 、 管道 流量约束 、 储气容量约

33、束 、 天然气 网基础设 施 使用寿命 约束 等约束条件 。 文献 53-55在考虑 未来 天 然气 网输气能力 等问 题给 电网 带来 影响 的基础 上 ，建立了电网与 天然气网联合优化模型，但该模 型更 主要还是在 联合 运行层面上 的研究。 文献 56 以发电成 本、 输电成 本以 及天然气网扩 展规划成 本 之和最小为优 化目标，在待选新增天然气管道和输 电线路 集合 中求出 满足网络 运行 约束 的最优 规划 方案，在追求 经济 最优的同时，又满足用户电力需 求 、电 厂 和用 户的 天然气需 求量 。 总体来说，目前国内外关于天然气 网与电网 协 调规划研究较少，并且在实际中天然气

34、 网与电网 也 一般由不同实体负责，因而在天然气网与电网的协 调规划方面尚有很多难题需要解决 。此外， 随着我 国电力市场化 改革 的逐 步推进， 在电力市场 环境 下，网络 协调规划 还面临电源建设 不确定性 、 负荷 增长 不确定性 、可再生能源 发 电的 间歇性 、网络 运 行环境不确定性等因素，因而 考虑计及各类不确定 性因素下的天然气网 电网协调规划将是后续研究 的热点与 难点 。 2.3 热 电联合系统 在能源互联网中，热 能是 终端 能源消费 的重要 部分 。 随着清洁替代与电能替代中以电代煤 、以电 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 109 代油的能源 消费新模式的开发

35、 利用，电能转化为 热 能的比例将逐步提升，热网和电网的联系也日趋紧 密 。 在 电网中，电能 较易传输而大量存储相对较难， 电能在 能源 的 远距 离输送和大范围优化配置上具 有优势 ；热 网中热能存 储相 对简单 而传 输较难，热 能在存储上具 有明 显优势 ，电网、 热 网的物理 特性 互补使得热 电联合系统的 调节能力和 灵活 性增 强 。而对于电网、 热网等传统的社 会供能系统， 目 前均为各自单独规划 、 独立运 行，系统 之间 缺乏 协 调，不利于从全社会总 能源 供应的层面实现能源清 洁与高效 供应 。 因 此， 发展热 电联合系统将是实 现能源结构转变和能源优化配置的必然要求

36、 。 在热 电联合系统中，包含有化石能源和可再 生能源转换为电能与热 能、 热能发电等多种形式的 能量转换 。 随着大容 量储 热技术在电力 系统中的 推 广和应用 57-58，越来越多的相对独 立、 分布广泛的 热网通过大容 量储热环 节和 电网 形成 协调 统一的 电 热 联合系统。 文献 59指出热 电联合系统除了 提高电网的调节能力 外， 通过加入大容 量储 能环节 可提高电网能源优化配置的调控水平 ，从而 解决电 力调峰 、 大规模可再生能源接 入并 网等难题 。 目前 热 电联 产 、可再生能源 发电供 热等技术 作为热 电 联合系统的初期探索，市场应用前景广阔且已取得 一些 研究

37、 成果 。 热电联产是供热与发电过程一体化的多联产 能源系统，是 改善供热质量 、 增加电力供应 、 提高 能源利用 率的有效方 式。 文献 60指出 供热 系统 具 有电热 、 锅炉供热 、联 产供 热等不 同供热类 型，通 过对不 同供 热 系统 的一般化 分析 提出统一的能耗 评价模型，评价结 果表 明联 产供 热的能 耗水 平最 低 。 文献 61针对热电联产中普遍采用传统抽汽供 热模 式的 劣势，提 出了 循环水直供 直连 供热模 式， 并 利用 串联 系统 单耗分析法将所提供 热模 式 的能 耗分布与传统供热模式进行对比分析 ，为 热 电联产 总 能系统的能 耗 分析 奠定基础 。

38、 文献 62探讨了热 电比 、 性能系数等参数 对联 产系 统能 耗特性的影 响 ，进而建立了联 产 系统 节能定量分析模型和热电 分摊理论模型，为联产系统的集成提供理论依据 。 文献 63针对热电联产集中供热 领域 展开 研究，将 热负荷 、 热 网和 热电 厂视 为一个整体系统进行综合 协调， 分析 整个热电联产系统各部分参数的相互影 响 。 近年来，由于分布式能源系统具有 能源 供应可 靠性 高、能源利用 率高的优势，小型热 电联 产技术 在分布式能源系统中的应用也 日益广泛 ，目前主要 应用于城市楼宇建筑的能源供应 64-66。 可再生能源发电供热方面， 随着 可再生能源发 电技术日益

39、成熟以 及发 电成本的下降 ，可再生能源 发电供热将 是实现 热能 高效 供应的重要手段 。 目 前 ，国内外 关 于可再生能源 发电供热研究尚处于初 步阶段 。 在风电供热方面，热电厂可通 过配置储 热 电 锅炉 67和采用水源热泵 技术 68降低 热电厂强迫 出力，增强常规供 热机 组调峰能力，增加电网供电 负荷以提高风电消纳能力 。 文献 69进一步针 对国 内 “ 三 北 ” 电网 采用储热电锅炉提高电网调峰能力 以消纳风电的技术 经济 可行性 进行研究。 文献 70 则进一步分析 了利 用热 泵技 术实 现热 电联 产与风 电机组的联合优化运 行。 文献 71分析 了影响风电 供热经

40、济性 的主 要 因素 和采用风电供热的价格机 制，并结合案例对风电供热的 经济 性 进行研究。 在 光伏 供电供 热方面 ，国外 学者 研究 设 计并评估 了适用 于小型家庭 或商 业 楼宇 的 光伏 供电供热 系统 72-74， 并初步 分析 了 光伏 供电供热 相比 于光伏发电的满 足用户能源需求和节能 方面 的优势 。 热电联产与可再生能源发电供热等技术虽通 过 电能、 热能的转换存储 ，实现了能源利用高效化， 但目前大多数 研究 仅侧重于 电网 或热 网的 其中一 方面，并没有从全局角度考虑充分 利用电网、 热网 物理特性互补的热 电联合系统 。 因此，后阶段还 需重点 研究 热 电联

41、合系统 协调 优 化实 时 控制 模 型 、 协调 优化调度 策略 以 及热 电联合 调控机制等 方面 ，以实现电网、 热网 2 个系统的能源资源优化 配置 。 3 能源互联网关键技术 随着未来能源互联网中大量分布式和集中式 可再生能源的接入 ，能源互联网将 呈现出复杂的非 线 性随 机波动特性 。为 有效 推动能源 互联网 的发 展，需要在 可再生能源生 产 、传 输 、 存储 、 服务 环 节 中的关键技术以 及 能源互联网的系统规划分析 技 术 方面 进行研究，以 促进 未来 能源互联网的发展 。 3.1 可再生能源发电技术 清洁替代和电能替代表 明 “ 以清洁能源为主 导 、以电为中

42、心 ” 的能源格局 将是能源消费与变 革 的必然趋势，这也决定了可再生能源发电技术在未 来能源发展中的关键作 用。以清洁能源为主 导 的可 再 生能 源发 电技术 的突破是 构建能源 互联网 的动 力之 源，可再生能源 发电技术主要包括有集中式与 分布式风 电、 太阳能发 电技术， 运行 控制 技术，能 量转换技术等 。 其重点 研究 领域包括风电精准预测 与运行调控 技术、 风电单机容量大型 化技术、变 速 110 严太山等：能源互联网体系架构及关键技术 Vol. 40 No. 1 恒频风电系统的商业化开发 、高转化效 率的光伏材 料研发 、 不同新能源发电系统联合优化运 行技术、 间歇 式

43、可再生能源 发电的系统保护 技术、 大规模新 能源发电并网 控制技术 、智 能控制与群 控优化技 术、先进的 分布式电源设备制造 技术、 分布式能源 的智能管理 系统、 动力与能源转换 设备研发 、 资源 深度 利用技术 等 。 3.2 智能输电网技术 在以智能电网为主要 载体的能源互联网中，可 再生能源将成为发 电主体，而智能 输 电网技术是实 现 大规 模可 再生能 源发 电外 送和 能源 资源大范围 优化配置的关键技术手段，该技术主要是 围绕电网 输电 各环 节，重点在先进输电 材料 与设备，输电能 力以及输电经济性 、 灵活性 、 安全性 、 环境友好等 方面 进行研究。 其重点 研究

44、 领域包括高可靠性的换 流阀，换流变压器，逆变器等输电设备制造；柔性 直流输 电技术，多端直流 输 电技术， 超导输电技术， 海底电缆 技术 ；基于换流设备的控制保护 技术，先 进电力电子控制技术，电磁环境与 噪声控制技术 ； 直流电网技术，大 电网 优化运 行与仿真 技术，电网 故障诊断恢复与智能重 构技术，电网 调度 预警 与决 策支持技术，电网安全 防御 技术等 。 3.3 储能技术 大容量 、 规模化储能技术是实现能源利用形式 多样 化、 提高能源利用效率中的关键环节，在能源 互 联网 中开发 利用多种 储能 技术 对整个 系统 的稳 定性具有 重要 作 用。首先， 在电储能 方面 ，

45、可再生 能源发电是未来能源互联网的主要能量供应来 源， 而 大规 模可 再生能 源接入电网所带来的非线 性随 机波动特性 ，将 会影响整个系统的安全性 、 经济性 、 灵活 性 。 据此，需要在能源网络中配置大容 量储 能 系统来平滑可再生能源发电的间歇性和波动性 ，而 且在能源互联网背景下对储能系统的储能材料 、 储 能元件寿命 、 存储效率以及能量密度等方面要求也 更 高。 在未来 能源互联网中 具有广泛应用前 景的 储 能技术，至 少需 达到 MW 级 /MWh 级的储能规模 。 因 而，锂离 子电池与全 钒液 流电池等电化学储能技 术、 超级 电容器与超导电磁储 能、 抽水 储能等储能

46、 技术，应是后阶段大容量能量储存技术中重点攻关 类型 。此外， 开 发大 功率 、高 容量的新型储能 材料 ， 延长储能元件使用寿命，提高能量密度也是研究电 储能技术中的重点方 向。 其次，在储热方面，储热 技 术能 够在一定程度上 缓解能源 供给和需求在时 间和空间上失衡的 矛盾 ，目前适合 规模 化应 用的 储 热技术有水储热 、 熔融盐储热 、 相变储热等 。 由于 相变储热能够在几乎无温度 变化 的情况 下实 现热 能储存，且具有传 热速 率 高、 储热密度大的显著优 势，在储 热环 节中具有广泛应用前 景，可 在新型相 变储热材料的开发与选择 、 相变储热 材料 在储热装 置中的模拟

47、试验等方面开展 研究。 最后 ， 在天然气 储运 方面 ，相比于管道储运，天然气水合物储运具 有储存密度 高、 投资运行费用低 且安 全性高的优 势， 在天然气 网中的应用市场和发展潜力较大，但 目前关于天然气水合物储运技术研究还 不成 熟，后 续应重点加强在水合物的大 规模快速 生成与运输 中的安全 问题 、 确定天然气水合物储运 条件 、 水合 物的有效分离手段 及分解方 法等方面 的研究。 3.4 互联网信息技术 在 能源互联网中，互联网信息技术 负责能源信 息的识别 、 采 集、 分析 、传 送 、 管理等方面 ，是实 现多种能源合理调配的 关键 。能源互联网是信息与 能源系统融合的多种能源互联网络，具有通信设备 繁多 (包括发电设备 、 各种 智能 负载等 )、 通信信息 内容 复杂 、信息 数 据处 理量大等特点 。为 适应 能源 互联网的 发展 ， 迫切需要在 互联网信息技术 领域 取 得创新和 突破 。 在 能源信息 采 集和 处理 方面 ，应在 基于物联网的信息采集与传输 ，基于 云计算架构的 能源信息处理，包含海量数