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3 信息—能源融合的能源互联网架构
能源互联网的建设势必为我们提供一个坚实的能源支撑体系, 信息利用是智能化的保证, 在信息技术的支撑下实现能源系统整合和智能化改造是主要发展道路, 但采用何种架构、技术来实施还存在诸多争论. 该部分在总结已有成果的基础上, 探讨性地给出了基于能源路由器的信息| 能源融合能源互联网架构, 设想通过设计开发能源路由器实现能源互联网的构建, 并在剩余的部分中重点针对能源路由器的关键技术进行详细分析。
(1) 智能控制为中心的FREEDM 系统
针对可再生能源的日益普及, FREEDM 系统的理念是在电力电子、高速数字通信和分布控制技术的支撑下, 建立具有智慧功能的革命性电网构架吸纳大量分布式能源. 通过综合控制能源的生产、传输和消费各环节, 实现能源的高效利用和对可再生能源的兼容. FREEDM 是多技术融合的产物, 固态变压器为实现与信息网络融合奠定了基础, 市场经济模型考虑加快了市场化步伐. 其中, 固态变压器实现four-quadron 功率流控制, 使得分布电站变得即插即用, 并同时保证电网中用户储能及负载的增加不会相互影响; 系统设计激励策略确保绿色能源的最大化利用, 大幅提升整个系统的能源利用率。
(2) 智能电池为基础的Stem 能量存储系统
Stem 开发的STEM 能量存储系统将电能和能量预测软件结合起来, 软件可随能源价格变化进行实时反应, 使楼宇建筑能够最经济的使用电能。Stem 能量存储系统为间歇式可再生能源的并网提供了可行的探讨。Stem 智能电池相当于能源互联网中的能量“缓存”(cache), 它的广泛应用将大幅提升能源互联网的能源交换能力, 使整个能源网络的总的能源储量和储量变化阈值得到大幅提升, 为能源互联网实现智能调度、能源双向对等整合奠定了基础, 预示着以大数据为特征的能源互联网将开启节能新时代。
(3) 智能电力电子技术驱动的日本数字电网
日本数字电网完全建立在信息互联网之上, 用互联网技术为其提供信息支撑, 通过逐步重组国家电力系统, 逐渐把同步电网细分成异步自主、但相互连接的子电网, 给发电机、电源转换器、风力发电场、存储系统、屋顶太阳能电池以及其他电网基础结构等分配IP 地址. 电力路由器与现有电网及能源局域网相连, 可以根据相当于互联网地址的“IP 地址”识别电源及基地, 旨在通过电力路由器完成能源分配, 架构参见相关文献。
此外, VPEC 公司考虑到日本电流频率存在地区差异的现状, 开发了通过挖掘电流蕴含的信息, 设计了不依赖专门信息网络支持的数字电力供给系统“ECO 网络”. 电力路由器通过邻近电力路由器发来的频率信息来判断邻近发电站所具备的电能余量, 电力路由器能够根据蓄电池剩余电量改变输出电力的频率, 形成站所间自治流通机制. ECO 中信息来源于电力特性, 减少了对信息基础设施的依赖, 结构较为简洁, 为构建轻量级能源互联网提供了借鉴。
上述新能源网络方案表明: 能源互联网必然要具有对能量流控制和信息流融合的能力, 利用信息通道及时反馈能量流状态, 根据信息流反馈及时调整对能量流的控制, 实现信息| 能源一体化是能源互联网的发展趋势。
3.1 信息—能源基础设施一体化趋势
实现能量流与信息流的融合, 有效实现信息实时采集和控制策略实时部署是能源互联网的基本要求。综合计算、网络分配和物理基础设施相融合, 信息{ 能源一体化解决方案得到了多个国家的高度关注, 出现了许多探索性研究成果。
(1) 美国NSF 的Cyber-infrastructure
Cyber-infrastructure 核心在于提供能够融合各种信息技术的框架, 提供具有先进数据处理, 数据存储, 数据管理, 数据整合, 数据挖掘及数据可视化及信息计算能力的研究环境。该架构旨在有效连接实验室、数据、计算机和人等信息因素, 以期支撑信息技术更有效发展。一般地, Cyber-infrastructure采用分层架构, 介质层包括计算、存储和数据通信3个类别, 提供实际运行环境; 传输层提供组网、操作系统及中间固件功能, 为服务层提供各种接口和驱动; 服务层综合上述资源, 提供观察测量装配、虚拟接口设置及协作等服务, 接受高性能计算、数据信息处理和知识管理服务请求; 应用层立足于服务层, 提供局域信息、服务入口和定制应用等服务. 该框架是旨在构建信息融合平台, 为构建智慧能源平台提供了借鉴。
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