引言

能源是現代社會賴以生存和發展的基礎。為了應對能源危機，各國積極研究新能源技術，特別是太陽能、風能、生物能等可再生能源。可再生能源具有取之不竭，清潔環保等特點，受到世界各國的高度重視。科學家指出，太陽光線一個小時的照射所產生的能量足以支撐全球經濟運行一整年。歐洲光伏工業協會預測，在所有適合的建筑物表面安裝光伏系統就能夠產生1.5萬億度電，能滿足歐盟所需電力總數的40%。2009 年在《科學》雜志稱只要中國提高補貼和改善傳輸網絡，至2030年風力發電就可以滿足中國所有的電力需求，可見可再生能源對于解決能源問題具有巨大的潛力。

可再生能源存在地理上分散、生產不連續、隨機性、波動性和不可控等特點，傳統電力網絡的集中統一的管理方式，難于適應可再生能源大規模利用的要求。對于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存儲，就地使用。但微電網和分布式發電并網并不能從根本上改變分布式發電在高滲透率情況下對上一級電網電能質量，故障檢測，故障隔離的影響，也難于實現可再生能源的最大化利用，只有實現可再生能源發電信息的共享，以信息流控制能量流，實現可再生能源所發電能的高效傳輸與共享，才能克服可再生能源不穩定的問題，實現可再生能源的真正有效利用。

信息技術與可再生能源相結合的產物—— 能源互聯網為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的技術方案。與目前開展的智能電網，分布式發電，微電網研究相比，能源互聯網在概念，技術，方法上都有一定的獨特之處。因此，研究能源互聯網的特征及內涵，探討實現能源互聯網的各種關鍵技術，對于推動能源互聯網的發展，并逐步使傳統電網向能源互聯網演化，具有重要理論意義和實用價值。

能源互聯網的特征及內涵

參考美國國家自然科學基金委支持的未來可再生電力能源轉換與管理 (FREEDM) 項目對能源互聯網的相關敘述，能源互聯網可理解是綜合運用先進的電力電子技術，信息技術和智能管理技術，將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量儲存裝置和各種類型負載構成的新型電力網絡節點互聯起來，以實現能量雙向流動的能量對等交換與共享網絡，典型結構如圖1所示。

能源互聯網由若干個能源局域網相互連接構成。能源局域網由能量路由器、發電設備、儲能設備、交直流負載組成, 可并網工作，也可脫網獨立運行。能量路由器由固態變壓器 (solid state transformer,SST)和智能能量管理組成;智能能量管理根據收集的能源局域網中發電設備，儲能設備和負載等信息做出能量控制決策，然后將控制指令發送給固態變壓器執行，即智能能量管理控制信息流，固態變壓器控制能量流。為保證能源互聯網的可靠安全工作，能源局域網的上一級母線具有智能故障管理功能，提供能源互聯網故障的實時檢測，快速隔離等功能。能源互聯網與其他形式的電力系統相比，具有以下4個關鍵特征。

可再生能源高滲透率能源互聯網中將接入大量各類分布式可再生能源發電系統，在可再生能源高滲透率的環境下，能源互聯網的控制管理與傳統電網之間存在很大不同，需要研究由此帶來的一系列新的科學與技術問題。

非線性隨機特性分布式可再生能源是未來能源互聯網的主體，但可再生能源具有很大的不確定性和不可控性，同時考慮實時電價，運行模式變化，用戶側響應，負載變化等因素的隨機特性，能源互聯網將呈現復雜的隨機特性，其控制，優化和調度將面臨更大挑戰。

多源大數據特性能源互聯網工作在高度信息化的環境中，隨著分布式電源并網，儲能及需求側響應的實施，包括氣象信息，用戶用電特征，儲能狀態等多種來源的海量信息。而且，隨著高級量測技術的普及和應用，能源互聯網中具有量測功能的智能終端的數量將會大大增加，所產生的數據量也將急劇增大。

多尺度動態特性能源互聯網是一個物質, 能量與信息深度耦合的系統, 是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會空間耦合的多域，多層次關聯，包含連續動態行為、離散動態行為和混沌有意識行為的復雜系統。作為社會/信息/物理相互依存的超大規模復合網絡，與傳統電網相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統復雜性，呈現出復雜的，不同尺度的動態特性。

能源互聯網關鍵技術分析

為了解決以上特性所帶來的問題，發展能源互聯網需要解決6項關鍵技術：先進儲能技術、固態變壓器技術、智能能量管理技術、智能故障管理技術、可靠安全通信技術和系統規劃分析技術。

3.1先進儲能技術

與傳統電網的用戶側節點不同，能源互聯網中的用戶側節點 (如家庭或小區等) 一般都具有發電能力，因此需要配備一定規模的分布式儲能系統。另一方面能源互聯網的電網側或發電側，因為可再生能源的高滲透率，所以為了維持系統的穩定運行，必須配備較大規模的集中儲能系統。可以看出，分布式和大規模同時并存是能源互聯網儲能的重要特點。

分布式儲能主要面向用戶，經濟效益非常關鍵，對儲能系統的存儲效率、能量密度、使用壽命等提出了較高要求，新型儲能材料是提高這些性能的關鍵;目前實現大規模存儲的主要手段是電池成組技術，電池成組后儲能單元的科學管理是儲能系統高效，長壽命運行的重要保證;不論是分布式儲能還是集中式儲能的布局與建設，都會對整個能源互聯網產生較大影響，因此進行科學合理的儲能系統規劃意義重大。先進儲能相關技術的邏輯關系如圖 2 所示。

3.1.1新型儲能材料

目前，能源互聯網中應用最廣泛的儲能方式是電池儲能，為了滿足能源互聯網對儲能的需求，國內外學者對新型儲能材料進行了深入研究，以獲取更高能量密度，更大的存儲容量，更好的轉換效率和更穩定的性能。新型儲能材料的研究主要集中在以下 3 個方面。

(1) 高比容量合金負極材料。傳統的碳系材料雖然具有良好的層狀結構，電極位低，制成電池電壓較高，但在反復充放電時，可能會發生表面析出化合物現象和與電解液發生共嵌反應，成為電池循環壽命提升的瓶頸，未來的研究方向是硅合金與其他形式的合金材料。

(2) 大功率，低成本，高容量和高安全性正極材料。正極材料性能對儲能電池安全性，循環壽命，成本等的影響極大，目前的正極材料以固相法為主，液相法有待發展。

(3) 燃料電池關鍵材料，燃料電池堆，固體氧化物燃料電池的電極材料。

3.1.2儲能管理技術

儲能單元大規模成組后，由于儲能單元的差異性大，數量較多，連接復雜，如果管理混亂，將嚴重影響系統的壽命和性能，因此國內外學者對儲能單元的成組管理開展了大量研究工作，主要集中于以下 3 個方面。

(1) 拓撲結構優化與設計技術。能源互聯網的非線性隨機特性給儲能系統帶來較大沖擊，為了提高儲能系統靈活應對和處理隨機波動的能力，科學合理的拓撲結構是基礎。目前，動態化，網絡化拓撲結構是研究的主要方向。

(2) 性能監控技術。對儲能系統性能的精確監控是保證對其合理調度使用的基礎，然而目前儲能單元的性能監控技術仍不夠成熟，大規模成組之后儲能系統的性能監控更難以實現。目前，監控的主要參數為溫度、電壓、電流、內阻、荷電狀態 (SOC)、健康狀態 (SOH) 等，其中SOC和SOH不可直接測量，其精確估算模型是研究的重點。

(3) 狀態均衡技術。儲能單元成組之前，因為生產工藝等原因，不可避免地存在差異性;成組之后，差異性隨著循環次數增加將越來越大。為減小差異性，目前已開發了幾種常用的儲能系統狀態均衡技術，分別基于電阻、電容、電感和二極管等耗能和儲能元件，但均衡效果仍不夠理想，均衡電路與均衡元件的有效搭配是狀態均衡的熱點。

3.1.3儲能系統規劃技術

儲能系統的接入對提高電網的穩壓調頻能力，拉低電網功率峰谷差，改善用戶在電網事務中的參與度具有重要意義，但儲能系統的單位投入成本較高，有必要開展儲能系統規劃研究，目的是以最小的成本實現壽命長，安全可靠，經濟效益高的儲能系統。儲能系統規劃研究過程中面臨的主要問題有：

(1) 不同的儲能技術在成本、額定功率、充放電速率有所不同;

(2) 發電站側、傳輸線側、變電站側、用戶側對儲能系統的功能要求不同;

(3) 同一儲能系統具有多種使用策略;

(4) 可再生能源發電和負載需求具有隨機性、波動性和間歇性。

因此。為了更好的開展儲能系統規劃技術研究。需要從以下 3 個方面進行突破。

(1) 各種待選儲能技術評價分析。全面分析各種儲能技術的各項性能指標，如額定功率、使用壽命、初始投資成本、年平均維護成本、功率密度、比能量等，經過指標初選，指標篩選建立對儲能技術評價的指標體系，為開展不同儲能技術篩選提供理論依據。

(2) 儲能系統使用環境及作用機理分析。主要進行微電網與大電網相互作用機理分析，儲能系統對微電網穩定運行作用機理分析，負荷特性分析，可再生能源發電功率預測分析，為快速準確的進行儲能系統規劃提供保障。

(3) 儲能系統規劃權衡分析。確定儲能系統的優化使用目標與約束條件，運用線性規劃，非線性規劃，動態規劃，智能優化等方法選出最適合的儲能系統組成，最佳的配置位置，最優化的使用策略。

3.2固態變壓器技術

隨著高滲透率下可再生能源發電設備及儲能設備接入，傳統變壓器的供電質量等方面難以滿足能源互聯網建設和發展的需求，而固態變壓器作為一種利用電力電子器件進行高頻的能量和功率控制的變換器，被認為是能源互聯網的核心技術，其原理如圖3所示，該固態變壓器由3部分組成，分別是：AC/DC整流器、DC/DC 變換器和 DC/AC 逆變器。固態變壓器可實現可再生能源發電設備和儲能設備和負載的有效管理，固態變壓器具有雙向能量流動能力，可以控制有功功率和無功功率，具有更大的控制帶寬提供即插即用功能。

固態變壓器是將固態技術整合到變壓器中，通過電力電子控制和中間直流總線能量存儲功能，這種變壓器具有很多新的功能。

(1) 電壓下陷補償。當電網輸入電壓短期下降時，固態變壓器可以補償功率差額維持輸出電壓穩定，這種直流總線的能量存儲功能可以作為滿足用戶的特定需求。

(2) 斷電補償。和電壓下陷補償原理類似，在外電網斷電時，固態變壓器可以通過內置儲能設備提供全電壓補償。

(3) 瞬時電壓調整。當電力系統或者負載出現波動時，固態變壓器因為具有的能量緩沖功能可以維持輸出電壓恒定。

(4) 故障隔離。固態變壓器能起到電網和負載故障相互隔離的作用。

(5) 單位功率因數校正 (無功功率補償)。固態變壓器能在一定功率范圍內保持單位功率因數運行，也可以根據系統需要產生或吸收一定的無功功率。

(6) 諧波隔離。非線性負載產生的畸變電流會積累到變壓器的主邊，而固態變壓器能維持輸入電流不畸變，能運行在單位功率因數下。

(7) 直流輸出。固態變壓器具有400V直流輸出，使得分布式能源的接入更方便。

(8) 分布式信息量自動測量。固態變壓器能自動測量包括瞬時電壓、電流、功率因數、諧波量、率、故障電流和故障電壓等。

(9) 環境效益。傳統變壓器需要絕緣油等液體，而固態變壓器不需要絕緣油，對環境友好，且因為中間采用變壓器的高工作頻率，變壓器體積大幅度減小。固態變壓器和傳統變壓器的具體性能比較如表 1 所示。

固態變壓器作為能源互聯網關鍵設備之一，其研究領域主要有：

(1)基于SiC的新型寬禁帶材料的研制，固態變壓器要工作在高溫、高壓、高頻的環境下，并且小型化也要求固態變壓器具有高的功率密度，而SiC材料在高壓、高溫、高頻環境下將表現出比Si材料更優異的性能：3 倍于Si的禁帶寬度，更大幅度的工作溫度，比Si高一個數量級的擊穿電場，有很高的功率密度。比Si高3倍的熱導率，能在更高溫度下長時間穩定工作，所以SiC材料將逐漸取代Si材料，成為固態變壓器中功率半導體的主要材料;

(2) 基于SiC的固態功率器件和固態變壓器設計與實現，文獻[19]中利用10KVSiC功率設備成功研制出270KVA的固態變壓器，文獻[20]中利用SiCMOSFET研制出FREEDM研究中心的第2代固態變壓器，實現AC-DC的變換，效率達97%，體積僅為第1代的1/5，為未來能源互聯網的大規模應用奠定了重要基礎;

(3)固態變壓器的魯棒性控制，傳統的PID控制方法只具有小信號穩定性，不能保證固態變壓器在元器件參數攝動、負載突變、可再生能源功率波動、電網波動等不確定性，大信號干擾下具有很好的穩定性，很多先進的控制方法如滑模控制、自適應控制、魯棒控制、反演控制等非線性控制方法表現出了很好的大信號穩定性，另外也可以應用模糊控制、神經網絡等智能控制方法提高固態變壓器的魯棒性。

3.3智能能量管理技術

能源互聯網中具有多種能量產生設備，能量傳輸設備，能量消耗設備，拓撲結構動態變化，具有典型的非線性隨機特征與多尺度動態特征，如圖4所示，為了實現對能源局域網內能量設備的“即插即用” 管理，多能源局域網之間的分布式協同控制，以及針對可再生能源高滲透率下的控制策略高魯棒性，需要在能源互聯網的各層引入智能能量管理技術。

3.3.1能量設備“即插即用” 管理技術

隨著太陽能電池模塊，小型風力發電機組與分布式發電設備成本的持續下降，繁瑣的設備安裝，互連等非硬件成本占到分布式電源總成本的比例越來越大，固定的拓撲結構也降低了系統的安全性與靈活性。為了降低分布式發電設備的非硬件成本，提高能源互聯網的動態拓撲性，靈活性和安全性，要求能源互聯網中能量設備滿足“即插即用” 的特性。能量設備的 “即插即用” 管理技術應具備：

(1) 類似于計算機的 “USB” 接口協議，能夠快速感知與描述負載、儲能、發電等設備;

(2) 具有開放的硬件平臺，能與現有電網很好連接;

(3) 能量設備接入或脫離時能自動快速進行能量與信息的接入與斷開。

為了實現能量設備的“即插即用”，應突破以下 3 個方面的技術：

(1) 各種能量設備的自動識別技術;

(2) 能量設備“即插即用” 標準與協議的制定;

(3) 能量設備集成管理技術。

3.3.2分布式能量管理與協同控制技術

多能源局域網之間的能量管理與協同控制主要有主從控制與對等控制兩類。主從控制的拓撲結構較為僵化，且主控中心計算量巨大，一旦崩潰會波及整個能源互聯網系統;分布式對等控制沒有控制中心，能量控制主要采用多能源局域網間的協同與配合，采用的是動態拓撲結構，具有能源網與信息網疊加的特點。為了最大化的利用可再生能源，提高能源互聯網的可靠性與安全性，要求能源互聯網運用多層交叉，集中與分布結合的分布式能量管理與協同控制技術。由于對等控制結構比較復雜，接口較多，響應速度相對集中控制稍慢，需要探索能夠快速、高效和不以犧牲單個能源局部利益全局最優分布式能量管理與協同控制技術。

分布式能量管理與協同控制技術實現中主要有以下幾個方面的困難：

(1) 節點異質和通信時延等情況;

(2) 適應“即插即用” 的動態網絡拓撲結構;

(3) 保證系統整體的一致性。

可以從以下幾個方面進行技術突破：

(1) 設計物理結構簡單，邏輯快速的控制網絡拓撲結構;

(2) 采用動態性，適應性較強的分布式人工智能控制技術，對能源互聯網中的多個微電網節點進行并行地，相互協作地控制;

(3) 借助agent技術的突出優勢，構建基于 agent 的分布式多層交叉能量控制架構。

3.3.3基于可再生能源預測的控制策略優化技術

為了提高能源互聯網中各種設備合理配置與優化調度能力，需要提高控制策略魯棒性與適應性，而可再生能源發電功率作為最大的不確定因素，對儲能系統的配置，充電使用策略和網內電壓的穩定有重大影響，因此，有必要開展基于可再生能源預測的控制策略優化研究。目前，由于可再生能源發電高度的隨機性和間歇，傳統的預測方法難以實現精確預測，更難以研究出一套與之相適應的控制優化算法。

因此，開展基于可再生能源預測的控制策略優化研究主要從以下兩個方面進行突破：

(1) 小偏差的短期，超短期可再生能源輸出功率預測方法。探索運用氣象預報數值結合神經網絡或模糊自適應等大規模數據處理優化模型對可再生能源的輸出功率進行預測。

(2) 高魯棒性和動態性的控制優化方法。

以可再生能源利用率、經濟性、電網能量滿足充裕度等為目標，以負載能耗需求、成本約束、光照與風力條件等為約束，采用混合動態規劃算法、遺傳算法、粒子群算法等實現高魯棒性和動態性的基于可再生能源預測的控制策略優化。

3.4智能故障管理技術

智能故障管理技術在能源互聯網中，固態變壓器提供分布式能源和負載的有效管理，因其具有強烈的限流作用，能大幅度改善短路電流波形，提高電網的穩定性，與傳統電網相比，能源互聯網故障電流很小，最多只能提供兩倍額定電流的故障電流，傳統的通過檢測電流大小的故障檢測設備和方法將失效，需要設計新型故障識別和定位方法。這就需要設計一種新的電路斷路器，保證當系統發生故障時，斷路器可以快速的隔離故障單元，使得固態變壓器能快速的恢復系統電壓。而傳統的機械式斷路器會使系統在發生故障時，功率流動出現短暫的中斷，會很大程度上干擾系統中的關鍵負載運行。而用固態電力半導體器件代替機械式斷路器而研制的固態短路器可以滿足能源互聯網的需求。

固態斷路器利用 IGBT 等電力半導體器件作為無觸點開關，大幅度提高相應速度，同時起到重合器和分段器的雙重作用。

在能源互聯網中主要采用環路供電策略，提高了系統的柔性操作能力和供電可靠性，能源互聯網提出識別和定位技術，提出區域化系統保護方案，如圖 5 所示，利用 Kirchhoff 電流定律，根據線路兩側判別量的特定關系作為判斷依據，即區域兩側均將判別量借助通道傳送到對策，然后兩側分別按照對側與本側判別量之間的關系來判別區域故障或區域外故障。利用縱連差動的思想，將能源互聯網分割成若干個區域，每個區域兩端都接有固態斷路器，負責清除故障，由固態變壓器提供后備保護，每個區域連接若干個固態變壓器拓撲分支，每個分支上都有電流流入或流出，顯然不能僅僅必先區域兩側的判別量，可以將在差動保護基礎上，由 Kirchhoff 定律去判斷，若圖中閉合線圈內支路電流之和為零，則區域內無故障;若電流之和不為零，則區域內有故障。由于電流傳感器的勵磁特性不可能完全一致，且在采用通信傳輸電流采樣值時，也不能完全保證實時性和同步性，使得電流累加結果不為零，因此設定一個閾值，當累加電流大于此閾值時，判定區域內有故障，相關區域的固態斷路器斷開，反之則判定無故障，固態斷路器無動作。

3.5可靠安全通信技術

安全可靠的通信骨干網是能源互聯網正常工作的重要保證。由于能源局域網內能量設備具有易接觸性與高動態拓撲變化性，能源互聯網的多尺度動態性，如圖 6 所示，使得能源互聯網中的通信結構復雜，數據處理量大，為了保證能源互聯網的穩定運行，要求通信網絡滿足網絡時延小、數據傳輸優先級分類、可靠傳輸、時間同步以及支持多點傳輸等多種功能。

實現正常，高效的能源互聯網通信網絡，需要處理好以下幾個方面的問題：

(1) 通信的設備繁多(IEM、IFM、發電設備、各種智能負載);

(2) 通信層級各異 (廣域網、區域網、家域網);

(3) 通信時延要求較高 (< 20 ms)。

因此，主要可從以下幾個方面進行突破。

(1) 可靠安全通信網絡架構分析。主要從地理上與控制關系上將通信網絡進行合理的層次劃分，對影響各層通信時延，可靠性和網絡安全的影響因素進行分析，包括可靠安全通信網絡軟硬件結構設計、通信優先級設計、通信安全措施分類、通信性能要求確定、通信媒介選擇與確定等。

(2) 協議改進與標準分析。主要通過對傳統電網通信網絡的通信協議分析，根據能源互聯網的體系結構改進或重新設計通信協議，分析 IEC61970 與 IEC61968 協議選擇能量管理與分布式管理系統協議，分析 IEC60870-6、DNP3、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC 62445-2 等協議標準控制中心間通信協議，分析 IEC62445-1、IEC61850 等協議變電站間通信協議，最后根據分析結果、構建能源互聯網可靠安全通信的物理層、數據鏈路層、偽傳輸層和應用層協議標準。

(3)通信實驗平臺設計與實驗評估。主要是通過建立實驗平臺評估網絡通信的功能是否滿足要求，需要完成軟件系統設計、系統實驗與評估、系統改進等工作。

3.6系統規劃分析技術

能源互聯網是一個物質，能量與信息深度耦合的系統，是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會空間耦合的多域、多層次關聯，包含連續動態行為、離散動態行為和混沌有意識行為的復雜系統。作為社會/信息/物理相互依存的超大規模復合網絡，與傳統電網相比，具有更廣闊的開放性和更大的系統復雜性。能源互聯網系統在協同控制過程中各個節點間存在著博弈過程和較強的社會性，能量的流動與網絡拓撲的變化受市場電價和政府政策的影響，結構與單元異質，行為復雜，能量與信息深度融合，量供需不確定等特征，表現出混雜多尺度動態與復雜網絡特性。因此，開展能源互聯網系統規劃分析技術研究，分析并揭示能源互聯網的控制，運行和演化機理，研究能源互聯網系統中的體系結構設計與優化，能源互聯網系統規劃等方面的基礎理論和關鍵技術具有重要的意義。

能源互聯網系統規劃技術以構建雙向互動，自治高效和安全可信的能源互聯網系統為目標，考慮能源互聯網行為復雜，能量與信息深度融合，能量供需不確定等特征，主要從以下幾個方面開展研究：

(1) 能源互聯網系統中的體系結構設計與優化;

(2) 能源互聯網系統可靠性、安全性和抗毀性分析與評估;

(3) 政策對能源互聯網的影響分析等問題。

結論

能源互聯網是互聯網信息技術與可再生能源相結合的產物，涉及的學科領域非常廣泛，如材料科學、生物科學、控制科學、信息科學、管理科學、經濟學等，是典型的交叉學科問題。能源互聯網為解決可再生能源的有效利用問題，提供了可行的思路與技術方案。本文分析了能源互聯網的六大關鍵技術：先進儲能技術、固態變壓器技術、智能能量管理技術、智能故障管理技術、可靠安全通信技術、系統規劃分析技術，初步討論了每項關鍵技術需要解決的科學問題，目的在于引起學術界對能源互聯網研究的關注，共同推動能源互聯網的發展，為解決中國乃至世界能源問題做出貢獻。

END