1、电气工程新技术丛书能源互联网与能源转换技术孙秋野 马大中 编著机 械 工 业 出 版 社本书结合能源发展历程，在能源转换、存储和传输技术的基础上，针对世界能源发展面临的严峻考验，对一种新型网络结构 能源互联网进行了研究；在对能源互联网的概念、特点、结构以及能源互联网中的能源类型进行详尽介绍的同时，提出了能源互联网中的一种新的能源接入模式 自能源；并且阐述了能量的标度与梯级利用、多能源转换路由器的框架与运行模式以及能源互联网电力电子化的相关技术；还详细介绍了能源互联网中的电能转换、热能转换、其他能源相互转换以及相关能量存储与传输技术。本书可供电力企业、制造商和从事能源互联网研究和应用的人员参考，
2、也可作为高等院校师生学习能源互联网的参考书，以及有兴趣的读者了解能源互联网相关技术的科普读物。图书在版编目（CIP）数据能源互联网与能源转换技术 孙秋野，马大中编著.北京：机械工业出版社，2017.1（电气工程新技术丛书）ISBN 9787111555650.能.孙 马.互联网络 应用 能源发展 研究 能量转换 研究.F407.2 39 TK123中国版本图书馆 CIP 数据核字（2016）第 294868 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：汤 枫 责任编辑：汤 枫责任校对：张艳霞 责任印制：印刷（装订）2017 年 1 月第 1 版第 1 次印刷
3、184mm 260mm13 印张306 千字0001 3000 册标准书号：ISBN 9787111555650定价：42.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务 网络服务 服务咨询热线：（010）88361066读者购书热线：（010）68326294 （010）88379203封面无防伪标均为盗版机 工 官 网：机 工 官 博： cmp1952教育服务网：金书网：www.golden 出 版 说 明近年来，电气工程领域的研究有了长足的发展，为促进电气工程学科的发展和人才培养，现机械工业出版社会同全国在电气工程领域具有雄厚师资和技术力量的高等院校及科研机构，组成阵容
4、强大的编委会，组织长期从事科研和教学的学者编写这套学术水平高、学科内容新、具备一定规模的电气工程新技术丛书，并将陆续出版。这套丛书力求做到：学术水平高、学科内容新，能够反映国内外电气工程研究领域的最新成果和进展，具有科学性、准确性、权威性、前沿性和先进性；选题覆盖面广、深度适中，不仅体现电气工程领域的最新进展，而且注重理论联系实际。这套丛书的选题是开放式的。随着电气工程学科日新月异的发展，我们将不断更新和补充选题，使这套丛书及时反映电气工程领域的新发展和新技术。我们也欢迎在电气工程领域中有丰富科研经验的教师及科技人员积极参与这项工作。由于电气工程领域发展迅速，而且涉及面非常宽，所以这套丛书的选
5、题和编审中如有缺点和不足之处，诚请各位老师和专家提出宝贵意见，以利于今后不断改进。电气工程新技术丛书 编委会主编：严陆光（中国科学院电工研究所）副主编：李华德（北京科技大学）编委（按姓名拼音排序）：薄志谦（许继集团有限公司）程 明（东南大学）董朝阳（南方电网科学研究院）范 瑜（北京交通大学）干永革（中冶赛迪电气技术有限公司）戈宝军（哈尔滨理工大学）何怡刚（合肥工业大学）江道灼（浙江大学）金建勋（天津大学）李 鹏（华北电力大学）李欣然（湖南大学）马小亮（天津电气科学研究院）阮新波（南京航空航天大学）舒 彬（北京电力经济技术研究院）孙秋野（东北大学）汤 涌（中国电力科学研究院）唐跃进（华中科技大学
6、）王建华（西安交通大学）王志新（上海交通大学）伍小杰（中国矿业大学）肖登明（上海交通大学）肖立业（中国科学院电工研究所）熊小伏（重庆大学）袁 越（河海大学）张 波（华南理工大学）张潮海（国网电力科学研究院）张承慧（山东大学）张道农（华北电力设计院有限公司）张晓星（武汉大学）赵争鸣（清华大学）前 言能源是社会经济发展的原动力，是人类赖以生存的重要物质基础。人类对能源的利用，从薪柴时代到以化石能源为主的煤炭时代、油气时代、电气时代，再到以风力、太阳能、水能、生物质能等为代表的清洁能源时代，每一次变迁都伴随着人类文明的重大进步和社会经济生产力的巨大飞跃。社会发展及科技进步使得人类对能源的依赖程度越来
7、越高，因此以第三次工业革命为契机，建立安全高效、经济环保的新型能源供应模式成为人类社会可持续发展过程中面临的巨大挑战。借鉴互联网信息自由传输、开放共享的理念，能源行业的从业者们提出要建设一个开放互联、交互共享、经济 信息 能源一体化的新型环保能源网络，以实现能源低碳化生产与消费，保证能源的可持续发展。能源互联网应运而生，并迅速引起了世界各国能源及相关行业的广泛关注。人们试图从社会、环境、经济、技术等众多方面对其进行解读。然而，能源互联网的定义究竟是什么？能源的互联是不是就是能源互联网？或者是能源与互联网结合？还仅仅是所谓的智能电网 2.0？也许，这些都说出了能源互联网的部分特征，但是，并不是能
8、源互联网的全部。作者认为，能源互联网是借鉴互联网的理念与思维，通过多种能源传输媒介，构成多类型能源对等接入的高复杂度网络，深度融合信息与能源，实现网络内信息与能源开放共享、多类型能源高效环保利用的新型能源生产、传输、消费网络。既然互联网与能源互联网之间有着千丝万缕的联系，那么能源互联网是否继承了互联网的全部特征？如果我们要将能源互联网与互联网等价，或者说进行类比，那么至少要解决如下三个问题：1.互联网中任何一点公开信息都可以被全网获得，能源互联网可以吗？2.互联网中信息可以被无限复制与存储，能源互联网可以吗？3.互联网中任何一个用户都可能是信息的发布者与接收者，能源互联网可以吗？为了更好地回答
9、上述三个问题，本书首次给出了“自能源”的概念，并围绕这一概念，对能源互联网及其能源转换过程进行解读。所谓“自能源”（We Energy），是指具有互补性、开放性、区域化的能源生产和传输者，在能源互联网中以先进的信息通信技术、电力变换技术、自动控制技术为手段，将个体生产的能源向能源互联网内特定的大多数或者单个用户传输的规范性或非规范性能源的新型能源生产、存储和消费者的总称。“自能源”主体可以是拥有分布式发电、储能、冷热电联产等能源生产或者存储设备的个人、企业或者是一个社区等。自能源主体位于信息网络与能源网络底层，可从能源总线吸收能源，也可为其提供能源，同时在能源互联网中提供能源转换功能。传统能源
10、供应商、电商平台、其他能源运营商作为网络中的高层阶级，根据其运营性质可为能源互联网提供能源、交易平台或从网络中消费能源。自能源有别于由传统能源供应商主导的能源接入模式，它是由普通能源用户自下而上主导的能源交互活动，由传统的“点到面”的能源传输，转换为一种“点到点”的对等的能源传输理念。自能源具有源荷协调、多能互补、对等接入、能源 信息 经济耦合、即插即用等重要特性。自能源将有助于完成能源的高效利用，实现传统的能源从垂直调度向分布式协调发展，完成人类社会从化石能源向可再生能源的过渡，从而最终进入能源的零边际成本时代。不知不觉间，能源互联网已经从不为人知到被广泛关注，从仅仅是一个概念到涌现了各种相
11、关的技术及运营模式，但是，如何真正地实现能源互联网的落地，还需要技术、经济、政策等全方位的努力。而这其中，如何能让更多的科研人员、能源用户了解能源互联网，认识到自己在能源互联网中的位置，推动更多自能源主体的产生和并网，成为能源互联网能够顺利落地的关键影响因素。几年来，作者在参加的各类能源互联网论坛、报告、会议中一直极力推进相关的工作。因此，在本书中，作者试图抛开繁杂的公式推导和复杂的系统分析，力争用更为通俗易懂的语言、图文并茂的形式，以一种更直观的方式将能源互联网立体地展现在读者面前。涉及的更多技术环节，有兴趣的读者也可以参阅作者的另一本关于能源互联网的作品（参考文献 1）。本书分为上下两篇，
12、上篇包括第 1 4 章，主要站在能源互联及其综合利用的角度介绍了能源互联网的结构特征、自能源的来源与在能源互联网中起到的作用、能的标度及梯级利用，以及多能源转换的枢纽装置；下篇包括 5 9 章，主要是关注各类具体能源之间的转换关系，分别介绍了能源互联网的电力电子化趋势及关键技术、多种能源之间的转换技术以及能源的存储与传输技术。能源互联网作为一个包含多种能源类型，能源、设备、信息、经济高度耦合的复杂网络，其涉及学科门类之多，融合之紧密，都是前所未有的，需要从一个全新的视角去看待。本书首次从电气、热能、信息等多个角度试图较为立体的刻画能源互联网的特性，希望能为读者提供一点借鉴。在本书的成稿过程中，
13、得到了众多朋友、同事的帮助，感谢刘振伟博士、黄博南博士在本书的成稿过程中提出了很多中肯的意见，博士研究生李宇阳、胡旌伟、王睿，硕士研究生张宁、陈月、程启富、高子昊、赵美伊也为本书的完成付出了很多，在此一并感谢。同时，我也要感谢众多的能源互联网研究者们，正是站在他们的“肩膀”上，才能让我能顺利地完成本书。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”以此为结语，送给所有为能源互联网发展努力的同仁。作 者目 录出版说明电气工程新技术丛书 编委会前言第 1 章 能源与能源互联网11.1 能源的发展与现状11.1.1 能源的发展11.1.2 世界能源现状21.1.3 中国能源现状41.2 能源转换技术61.3
14、能源存储与传输71.4 能源互联网的提出131.4.1 能源互联网的基本定义141.4.2 能源互联网的特点161.5 能源互联网的能源类型181.6 能源互联网的系统结构191.7 能源互联网的网络结构211.7.1 电能网络221.7.2 交通网络231.7.3 热能网络241.7.4 新能源网络261.7.5 石化网络261.8 能源互联网的通信结构261.8.1 能源互联网中的软件结构271.8.2 能源互联网的标准协议291.9 本章小结30第 2 章 自能源312.1 自能源的概念与结构312.2 自能源的信息物理系统342.2.1 自能源的信息物理特性342.2.2 相互依存的信
15、息物理网络342.2.3 两层网络级联失效分析362.3 自能源的能量管理与协调控制372.3.1 自能源的能量管理372.3.2 自能源的协调控制392.4 自能源与能源市场432.4.1 能源市场的交易机制432.4.2 自能源的交易策略442.5 本章小结45第 3 章 能量的标度与梯级利用463.1 相关定义与定律463.2 能量的标度473.2.1 能量的性质473.2.2 能量的单位483.3 能量的量与质493.3.1 能量的平衡方程493.3.2 的平衡方程503.3.3 EUD 图像分析方法513.4 能源的特点523.4.1 一次能源523.4.2 二次能源543.5 能源
16、的梯级利用553.5.1 物理能综合梯级利用553.5.2 余热锅炉型联合循环573.5.3 排气全燃型联合循环583.5.4 化学能和物理能综合梯级利用593.6 总能系统的全息特性623.6.1 总能系统全息特性与全工况特性概念623.6.2 总能系统全息特性的性能指标633.7 本章小结65第 4 章 多能源转换路由器664.1 能源路由器总述664.2 电力能源路由器674.2.1 电力能源路由器的总体框架674.2.2 电力能源路由器的运行模式694.2.3 电力能源路由器的功能需求694.3 能源路由器中多能源网络接入714.4 多能源转换路由器 能量枢纽754.4.1 能量枢纽的模型764.4.2 储能装置建模784.4.3 能量枢纽的价值分析804.4.4 基于能量枢纽的多能源系统优化规划与优化运行804.5 本章小结82第 5 章 能源互联网的电力电子化835.1 能源互联网与电力电子技术835.2 AC DC 整流器845.2.1 不控整流器845.2.2 PWM 整流器865.2.3 PWM 整流器的数学模型885.2.4 PWM 整流器的控制策略905.3 DC
