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基于智能化电力电子技术的能源互联网研究

发表时间：2020/8/7 来源：《基层建设》2020年第10期作者：朱鑫夫

[导读] 摘要：能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，其旨在提高绿色及可再生能源在能源网络中的比重，提升能源效率。

        身份证号码：12010419850128xxxx 天津市 300120
        摘要：能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，其旨在提高绿色及可再生能源在能源网络中的比重，提升能源效率。技术成熟的智能电力电子装置是能源互联网重要的组成，它大幅度提高了能源利用的效率。借鉴互联网的概念，能量路由器效仿信息网络路由器来实现不同来路、不同品质的能源的汇聚和分配，这是能量路由器的基本功能。目前电网中广泛采用的提高电能质量的智能电力电子装置包括有源电力滤波（APF），动态电压恢复（DVR）以及统一电能质量调节（UPQC）等技术。
        关键词：能源互联网；能量路由器；智能电力电子；电能质量
        1能源互联网与能量路由器
        当前我国的能源供求关系正处在深刻变化的时期。一方面过于依赖传统化石燃料的能源结构使我们的生态环境问题日益加剧，迫使我们调整能源结构，增加能源利用效率；另一方面新能源的应用和发展也面临一系列新挑战。
        2004年国务院印发的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中指出：要大力发展可再生能源。按照输出与就地消纳利用并重、集中式与分布式发展并举的原则，加快发展可再生能源。到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%提高可再生能源利用水平。加强电源与电网统筹规划，科学安排调峰、调频、储能配套能力，切实解决弃风、弃水、弃光问题。大力发展风电加快发展太阳能发电；提出了能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑[1]。
        由此可见，国家政策所鼓励和倡导的能源互联网旨在推动我国能源现状的转型，提高风电、太阳能等绿色能源的比重，并提升能源综合利用效率。能源互联网的内涵主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调。有部分学者根据能源互联网的使命与主要功能，提出了能源互联网的初步定义，他们认为能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。
        在新型绿色能源的提取，传输和利用上，我们要保持一个清醒的观点，那就是风能、太阳能等绿色能源的提取和输送有着非常强的随机性，将这些能量成功的并入电网或是能源互联网并高效利用起来，还是一件比较有挑战的技术实践。
        能源与互联网概念的的结合无疑拓展了人们的视野，相对于此，能量路由器的概念也被提出并加以实践。众所周知，路由器是互联网上节点性的重要器件，它起着控制信息分配路径的关键作用，可以说，没有路由器和路由技术就不会有今日的互联网。
        借鉴互联网的概念，同样的能量路由器也是能源互联网中的核心部件，能量路由器效仿信息网络路由器来实现不同来路、不同特征、不同品质的能源的汇聚和分配，这是能量路由器必须具备的功能。现阶段，由于电力分配和传送技术相对成熟和平价，能量路由器的功能主要还是依托电网来实现的，能量路由器可以将信息通讯、用户侧信息管理、智能电力电子控制、储能缓冲等多种概念和技术实践相融合，达到电力传送配置的最优化目标，这是能量路由器概念区别于以往技术的最主要的特征。
        然而，进入十三五时期，风能和太阳能等新能源进入快速建设周期，诸多新能源固有的地域分布性和发电周期性使得输送和配电电网不得不做出与之相适应的改变。在矛盾的第二个阶段，电力的供需出现了新的局面，接纳和转化新能源上网，成为电网的燃眉之急。这种情况倒逼了电网向新的技术和概念靠拢，也使得能量路由器这一概念与当前的矛盾相当契合。新能源品质呈现多样化趋势，作为一种可以买卖的商品，能源品质，特别是电力的品质已经成为关键点。小规模新能源并网会引起电网谐波、电压跌落的问题，而大规模新能源并网则会引起电网稳定性和调峰、调频等诸多问题。越来越多的电动车在同一时间成规模的进行充电也将给电网带功率上的冲击，这也对电网调度及运行提出更苛刻要求。供能和用能品质都出现了复杂化的趋势，因此全面客观地认识和评价新能源，这是能源系统规划与运行应该首要考虑的问题。

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        目前我国对能量路由器的研究仅仅处于起步阶段，智能化是能源路由器的关键技术，也是该领域需要突破的研究方向。其中重点为多端口能量路由技术，其优势在于能量密度高、转换快、电压等级多，实现了线路中潮流的优化分布，并利用智能算法对其主功能和容量进行了优化和配置。在可见的将来，能量路由器这一概念很有可能取代智能电网，迎来一轮较大的发展。
        2智能化电力电子装置
        智能化的电力电子装置在在电网中的应用越来越广泛，其中电力电子技术的进步功不可没。
        目前比较成熟的且已经应用于输、配电电网中的电力电子技术包括有：灵活交流输电技术（FACTS）、高压直流输电（HVDC）技术，这些技术的应用能够充分提高能量传输的容量和稳定性。除此之外，电能质量技术、智能开关技术、储能技术也有了一定规模的应用。
        特高压直流输电是指电压等级超过800千伏的高压直流输电技术。其中关键节点高压换流站中大量应用了全控型电力电子器件和智能电力电子装置。
        这其中重点得到应用的还包括灵活交流输电技术，它是用于提高交流输电系统快速灵活性和稳定性的技术。灵活交流输电技术内容包括静止无功补偿器（SVC）、可控串补（TCSC）技术，这两项技术的发展和应用已经成熟。SVC是无功补偿装置，通过控制晶闸管的导通角来改变阻抗特性，从而实现对无功功率的调节，采用GTO、IGBT等功率型开关器件组成桥式电路通过电抗器并联在电网上，生成与系统电压具有一定相位差的信号并控制注入电力系统或直接控制其交流测电流，实现无功补偿的目的。可控串补技术适用于对响应时间和运行效果、输电稳定性要求高的线路，通过晶闸管的相位触发作用连续快速地控制输电线路的等值电抗，灵活调节系统潮流，增强系统阻尼，抑制低频振荡，提高电力系统的运行稳定性。高压直流输电技术的电能损耗低于传统交流输电技术的损耗，能有效提高电能质量并确保电网安全稳定运行[2]。这项技术在我国具有广阔的应用前途。
        在电能质量提高的技术应用方面，目前有：有源电力滤波器（APF），动态电压恢复器（DVR）以及统一电能质量调节器（UPQC）等智能电力电子装置出现。
        目前输配电网的现状是以35千伏、10 千伏、0.4千伏电压供电为骨干且以直供方式为主。这种供电模式，虽然能够满足普通工业用户的需求，但不能满足高新企业对供电品质极为苛刻的电能质量要求，尤其是暂态电能质量要求。如高技术密集的半导体行业，，1次持续时间超过30 毫秒的电压跌落可造成半导体芯片工厂的直接损失约为7000万人民币，更严重的供电质量下降则会造成更大的经济损失。
        这些对于电能更高效传输、更高质量供给的要求，使得智能电力电子装置与能源互联网的关系更加紧密，它的应用也将更加深入。
        3能源互联网展望
        能源互联网的概念和技术推动了电力技术变革，传统意义上，电力改革只是提高电力资源利用效率，改进用电方式，实现科学用电、有序用电，但是随着多种智能化、互联化的概念和技术变成现实，则需要重新综合考虑电网改革的路径和方向了。
        基于智能化电力电子技术的能源互联网特别是电力输、配送网络的技术创新应在政策支持下，采取有效的激励和引导措施以及适宜的运作方式，通过电网企业、能源服务企业、电力用户等协力，提高终端用电效率和改变用电方式，在满足同样用电功能的同时减少电力消耗和电力需求，为达到节约资源和保护环境，实现社会效益最优、参与各方利益均得到最大化的目标，实现我国能源互联的现代化。
        参考文献：
        [1]国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计划（2014-2020年）的通知
        [2]曹军威.杨杰等.电力电子装置智能化研究综述.电力建设[D]，2017.5.