以交直流混联电网为核心的区域能源互联网研究与实践

姚晓君，齐保振，管 笠，丁丹军

(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000)

我国的能源结构以化石能源为主，能源使用污染大、效率低，能源体制、市场建设滞后，这种现状决定了我国必须加快能源变革[1]。“十九大”报告强调，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

国家电网有限公司将建设能源互联网作为公司发展的重要载体和着力点。在此背景下，国网江苏省电力有限公司探索打造区域能源互联网，构建能源服务新业态，在苏州率先建设同里区域能源互联网示范区(以下称“示范区”)，作为探索区域能源互联网建设的第一步，见图1。区内建成了多项世界领先的能源项目，将能源生产、传输、存储、消费以及市场等要素深度融合，探索了能源网络的新形态、能源运行的新方式和能源服务的新模式。示范区得到了国内外专家和社会各界的高度赞誉。

图1 示范区一期项目

本文结合能源变革形势，分析区域能源互联网建设和运营的主要思路。以同里示范区为例，介绍以交直流混联电网为核心的区域能源互联网，采用多能源的源网荷储协调运行方式，提出多方共享的综合能源服务新业态。

1 区域能源互联网基本概念

2011年，美国学者Jeremy Rifkin在《第三次工业革命》中首次提出能源互联网概念[2-4]。他认为能源互联网是以可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用体系。区域能源互联网作为能源互联网的子集，面向规模可大可小的工业园区、商业综合体等区域，有着共同的思路和鲜明的地域特点。

能源的可持续发展及环境问题是本次能源变革的主要推动力[1]。从能源可持续发展的角度看，应改变能源结构和提高能效，主要通过充分使用可再生能源、减少能源转换环节、降低损耗、消费节能和能源梯次利用等方式实现。从环境友好的角度看，应尽可能降低能源各环节的污染排放。行业和学术界一致认可应提高可再生能源渗透率、多种能源互联互通互补及高效利用。

2 互联互通的网络形态

2.1 区域能源互联网的形态

区域能源互联网在功能、形态上表现为将电力、可再生能源、油气、冷热及终端互联互通、紧密耦合的综合能源网络[5]。

电能是能源终端消费的主要形式，只有电可与各种能源互相转化，因此以电为统一形式，可实现多种能源之间的紧密耦合，以电网为主，其他网络为辅，是实现各类能源互联互通的最佳选择[6]。

许多可再生能源(例如光伏)、储能及充电桩等直流设备必须通过变流器并网，这些转换大大增加了能量损耗。而可再生能源的波动性也增加了电能质量的控制难度。许多设备具有能源“供应”和“消费”双重属性，需要和能源网络双向交流，进一步增加了控制难度。针对这些问题，可通过构建具有交流和直流双重属性的“智能”配网来解决[4]。根据不同的规模和需求，构建不同电压等级的直流和交流配网，让直流电源和负荷直接接入直流网络，交流电源和负荷直接接入交流网络。

传统的配电变压器无法将这些网络连接起来，必须有类似于能源“智能路由器”的设备，作为连接各网络、汇集和分配能源的枢纽，进而实现交流和直流设备灵活接入、统一控制和高效使用。

2.2 能源互联互通

示范区能流图如图2所示。示范区能源节点拓扑如图3所示。

图2 示范区能流图

图3 示范区能源节点拓扑

如图2和图3所示，示范区因地制宜地选择可再生能源开发的种类、储能形式和容量。

(1)能源供应方面，最大化开发了光热、风电、屋顶/车棚/幕墙/路面光伏、地源热泵等本地可再生能源，能源结构中可再生能源占比约34%，并通过引入区外光伏提高至100%。示范区能源存储丰富，充分支撑区内能量管理和可再生能源就地消纳需求。高温相变储热、冰蓄冷、压缩空气储能等项目可进行冷热存储。预制舱式储能包含超级电容与锂电池，支撑电网的能量特性和功率特性。采用退役动力电池建成梯次储能电站，减少污染排放。

(2)能源传输方面，研发了以微网路由器为核心的交直流混联网络。微网路由器采用电力电子技术，通过4个端口连接4个交直流网络(±375 V、±750 V、交流10 kV和380 V)，各类源、网、荷、储节点都根据自身特点灵活接入对应的交直流网络，同时为区域内冷热源及负荷就近搭建了冷热管网，所有节点通过微网路由器实现智能控制，微网路由器转换效率超过96%，整体实现减少能量转换损耗和提高能效。

(3)能源转换方面，以各能源与电的转换为主(风电、光伏、电制冷/热、电化学等)，辅以其他转换，例如溴化锂机组进行冷热转换、光热发电系统在发电的同时储热，压缩空气系统实现电能与内能转换同时也收集了过程中的冷和热。

示范区通过以微网路由器为核心的交直流混联网络连接各类能源节点，实现多种能源的灵活接入、互联互通、智能控制和高效利用。

3 多能源的源网荷储协调控制

3.1 电力物联网

区域能源互联网要求能源相关节点可灵活接入，能量和信息充分流通[4]。作为能源控制的基础，区域能源互联网的信息网络不同于传统互联网，因为它是整个区域内能源节点的信息互联，而各节点的形态和属性大相径庭，本质上是一个物联网。

在以电网为核心的区域能源互联网中，其信息网络就是电力物联网。因此，区域能源互联网在网络形态上是以电网为核心的能量网与电力物联网(信息网)的“两网融合”。

电力物联网通过感知层、网络层、平台层以及应用层建设，对各能源节点数据进行全采集、状态全感知，实现能源的设备广泛连接、数据开放共享、服务互动创新，推动能源流、业务流、数据流的“三流合一”，支撑区域能源互联网的智能运行和服务。

3.2 源网荷储协调控制

为实现提高可再生能源占比、多种能源互联互通互补及高效利用，只有对区域能源互联网各能源的供应、传输、负荷、储能等各要素进行多能源的源网荷储协调控制才能实现，应实现以下功能[4]。

(1)不同能量流间的互补控制。

(2)“安全”、“清洁”、“高效”等多目标的控制策略。

(3)各节点的实时分析和预测。

(4)各节点的精细化控制。

(5)与其他能源网络交互、备用。

3.3 源网荷储协调控制运行方式

示范区依靠电力物联网在各能源设备中采用红外感应、图像识别、智能表计等智能传感设备，全面采集设备、网络和环境的数据信息。融合4G专网、光纤、载波等通信技术，分层分区组网，构建灵活、安全的通信网络。

分布式智能和集中式智能相结合，实现智能运行控制。统一模型、共享数据、创新应用，建设源网荷储协调控制系统，系统以“协同互补、双向互动”的思路，通过对源、网、荷、储各环节协调控制，以及冷、热、电的多能流互补控制，执行“安全、可靠、经济、高效、绿色”等多目标的运行策略，实现能源网络的智能运维和高效管理。

另外，系统具备“需求响应”、“主动孤网”和“应急支撑”等互动能力，兼顾区域能源管理以及与大电网或邻近网络的“网络协同”。

4 多方共享的综合能源服务新业态

4.1 多方共享的综合能源服务生态圈

区域能源互联网的服务对象是能源的消费者、供应者、储能、设备运营商、能源衍生服务商等整个能源产业链相关各方。

区域能源互联网的运营者对整个能源网络拥有最完备的信息和控制能力，应充分发挥好自身的平台作用，为各方共享数据并满足其能源设备或能量流的控制需求。

依靠信息和技术优势，为各方提供能效监测、规划设计、技术支持、工程建设、运行维护、金融、信用评级等能源全产业链的支撑服务，打造区域内能源行业的共享生态圈。同时，运营者也应依靠自身优势开展竞争性能源业务，促进企业转型。

4.2 同里示范区多方共享的平台型综合能源服务

示范区在区域能源互联网的基础上建设一体化的综合能源服务平台并开展服务。平台与政府、企业合作共享能源数据，通过数据挖掘和分析，实现能源系统全景分析、实时检测，可提供“经济、资源、环境”等多目标的能源决策辅助和商机洞察。

平台围绕数据运营构建了能源服务生态圈，吸引能源相关企业，共享资讯和数据、拓展能源服务。平台提供能效全景分析、能效检测分析及能源数据公开，提供交易平台、精准营销、交易撮合、企业评级、能源金融，从而为能源各方辅助制定能源策略、助力能效提升、推动能源服务市场发展、降低运营成本、凸显共享价值。

同时，运营方也依靠依托平台的信息及技术优势，围绕综合能源服务全产业链开展能效监测、规划设计、技术支持、工程建设、运维、金融、信用评级等竞争性综合能源服务业务。例如开展了同里湖嘉苑绿色被动房改造项目，涵盖规划设计、工程实施、运维等典型综合能源服务环节，取得了良好的经济和环境效益。

5 结语

本文从区域能源互联网的概念和诉求出发，以同里示范区的实践为例，分析了区域能源互联网的网络形态、运行控制和服务三个层面的特征。在形态上介绍了以交直流混联电网为核心的区域能源互联网，最大化地开发可再生能源、降低能量转换损耗。

通过“两网融合”采用源网荷储协调控制来实现多能互补、能效提高及网络协同。在服务方面，发挥平台优势和属性，打造多方共享的综合能源服务新业态。