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直流电能路由器的应用价值

01

# 能源互联网核心设备—直流电能路由器


为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求,有学者提出未来电网将在局部消纳的基础上,以微网、智能小区为自治单元,形成自下而上的能量单元的互联[1]。日本学者提出了数字电网概念,将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网,并通过数字电网路由器(digital gridrouter, DGR)进行能量调配和网络互联[2]。美国北卡罗来纳州州立大学 FREEDM 中心提出以电能路由器为核心的能量互联网,同样致力于提供更好的新能源接入方案[3]。由此看出,集成了成熟的信息技术,基于电力电子变换的电能路由器能够实现能量的高效接入和利用,将成为未来电网的核心部件,正受到越来越多的学者的重视[4]。

电能路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。电力电子变换技术使电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式,包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。同时,由于电力电子装置的高可控性,配电网络内各节点的能量流方向和大小可按用户所需精确地控制,为电力市场化的实现提供技术基础。信息技术使电能路由器实现智能化,配电网在其控制下实行自律运行,上层电力调度中心只需向网内发送较长时间尺度的优化运行参数,以实现全网的优化运行。电能路由器可作为电力局域网与主干网的交互接口,一方面负责局域网内部各个设备的运行和能量管理,同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。

以共直流母线技术实现的电能路由器具体技术简单可靠、成本低、故障风险低、便于能量管理调控等优势,是未来电能路由器的主流技术模式,我们将此类电能路由器称为直流电能路由器,以下所指电能路由器均指直流电能路由器。

我们熟知信息路由器作为互联网的核心设备已经发展了四十余年,它将所有用户连接起来构成今天庞大的全球性互联网。作为广域网和局域网的接口,信息路由器承担着局域网中的终端设备互联以及终端与广域网的信息交换任务[5]。类似地,电能路由器将根据经济效益或用户自定义的优化目标定量、定点地传递能量。因此电能路由器可成为未来电力网络的枢纽,负责管理和控制子网内的能量流动以及子网和主干网之间的能量交换。

基于电力电子变换技术构成的电能路由器,不但可为不同的新能源发电装置和不同类型负载提供灵活多样化的接口电气形式,还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。与信息技术的融合使电能路由器拥有通讯和智能决策能力,可根据网络运行状态以及用户和控制中心的指令,实现对电力网络能量流的主动管理。

作为网络架构的基础和核心部件,电能路由器与互联网中的信息路由器有着相似的地位和功能,因此两者有相似的必备要素。

1)信息互联网建立在 TCP/IP 协议的基础上,路由器通过 RIP、 OSFP、 ISIS 等路由协议及时更新路由表, 使数据包迅速、 准确地在网络中定点传输。为了实现能量在节点之间精确地传递,电网中的设备同样需要标记 IP 地址,电能路由器需知道电网中所有节点的 IP 地址、实时变化的网络拓扑,这样在能量交换建立时得以迅速找到最佳的功率传递路径。如果能量在电力局域网内部交换或相邻局域网之间交换时,往往只需要一台电能路由器进行管理,通过源节点和负载节点的 IP 地址就能够推算出传递路径;当能量在不相邻局域网之间传递时,往往需要多个电能路由器共同参与,为了能迅速找到能量传递的最佳路径,路由协议变得尤为重要。

2)信息路由器同时处理多个用户的数据流,而电能路由器同样需要提供多个端口,与多个电气设备相连。为了满足不同设备所需的电气形式,电能路由器需提供多个电气形式的接口,如直流400V、直流 48V、交流单相 220V、交流三相 380V等。其次,每个端口需具备能量的多向流动能力,使能量可以按需定点、定量地传输。电能路由器不但可以从主干配电网获取能量传递给终端用户,同时在子网的发电量过剩时,可将多余的能量回馈给主干网。此外,电能路由器还应具有局域网内部能量整合和协调分配的能力,即子网内的能量多向自由流动。然而,并非所有的端口都必须具备功率双向流动能力,专门与负载相连的接口,只需能量输出功能即可;对于专门的分布式能源接口,则只需要功率吸收能力,并且为了充分利用分布式能源,其接口还需具备最大功率跟踪(MPPT)功能;而对于连接储能设备的接口,往往需要能量双向流动能力。对于专门的电动汽车充电应用,电能路由器通常只需具备充电功能即可,无需电能回馈功能。

3)信息路由器拥有通用的即插即用数据接口,而电能路由器同样需要标准化的即插即用接口[6]。当电气设备插入电能路由器时,通过既定的握手协议等信息交互过程后,路由器可迅速识别电气终端的类型和状态,按终端的请求立即采取相应的电气形式进行能量交互,与此同时更新系统连接配置和状态。因此即插即用接口需同时包含功率端口和通信端口。由于连接到电能路由器的节点有不同的电气形式要求,包括直流、交流不同形式,不同电压、电流数值,是否接地等,功率端口很难完全统一。但对于相近电压或功率等级的端口,标准化仍然可以降低生产和安装成本。通信端包括有线通信或无线通信方式,无线通信无需物理接口,而有线通信方式的中长距离通信可采用以太网通信等,近距离通信可采用常规的现场控制总线,如 CAN,Profibus, Lonworks 等,因此通信端口均易于标准化。此外,为了进一步提高可靠性和便于安装,功率端口和有线通信端口可集成在一起。

4)可扩展性。由于配电网中的用户或节点在不断增加,电能路由器必须具有良好的扩展性,新加入的设备较容易地通过电能路由器接入电网并参与调控。在电网不同位置的电能路由器往往被设计成不同的容量,在最大容量的限制内,电能路由器的硬件结构和软件设计均需要可扩展性,以降低后续投入成本。此外,电能路由器与信息路由器相比也有很多不同之处。首先,由于电能路由器的核心功能是能量流的调控,电能路由器需提供各种电气形式的接口。其次,为保证电网及设备的可靠稳定运行,电能路由器还需具备主动故障隔离、电能质量改善、以及不间断电力提供等功能。另一方面,传统的信息路由器只有数据的传递功能,而电能路由器除了实现功率流的传递,更重要的是进行智能功率调控。因此电能路由器内部需嵌入智能决策和控制单元来执行特定的程序和调度算法,一方面监控电力局域网的状态,一方面根据上级调控中心的指令和当前网络状态进行主动功率调配[7]。


02

# 直流电能路由器与交流电能路由器对比


目前,交流电仍是电能的主要利用形式,通过安装交流母线管理分布式电源是一种顺理成章的电能管理方法。分布式电源,尤其是可再生电源,在输出功率、电压水平、频率质量等方面呈现出很大的不稳定性。如果这些分布式能源直接并网,将会对大电网造成不同程度的扰动。与之相应的,不同负荷对电能质量的需求也存在较大差异。

交流电能路由器的提出是为了在分布式电源和负荷之间进行电能最佳路径的选择,即在保证电力负荷对电能需求的情况下,最大化分布式电源的利用。交流电能路由器可以采用电能分组分配、电能质量感知、智能开关插座等方法实现电源与负荷之间的最优匹配。

与交流母线相比,直流母线有以下优势

1)直流母线无需同步,可以连接频率、电压不同的交流系统;

2)直流母线的“定电流控制”能够快速地把短路电流限制在额定电流值,因而可以限制交流系统的短路电流;

3)直流母线可以方便快速地控制直流输电输送的有功功率和换流器吸收的无功功率,从而可以改善交流系统的运行性能;

4)各分布式电源与直流母线间仅存在一级电压变换装置,降低了系统建设成本。

由于直流母线的这些优势,采用直流母线控制分布式可再生能源接入电网,并对其进行有效的管理就成为一种比较理想的选择。直流母线可分为环状直流母线和辐射状直流母线,用于满足各类负荷对电能质量的不同需求环状直流母线

作为交流母线的补充,环状直流母线的应用拓扑。环状直流母线为可再生电能(主要是光伏和风电)、储能装置、直流负荷提供灵活的交互平台。环状直流母线和大电网之间通过双向交直流变换器进行双向能源交互,环状直流母线的电压通过整流器调节,使其维持在稳定值。这种应用拓扑与传统的电网有较好的兼容性,仅在传统电网末端进行了改进,增加了环状直流母线,拓扑结构变得更加灵活。对于直流负荷、储能设备等,该系统通过直流母线减少了低效的逆变环节,提高了整个电网的运行效率,降低了系统的成本。储能系统的引入改善了环状直流母线上间歇性明显的分布式电源的供电电能质量。


03

# 基于直流电能路由器的微电网优势


影响因素

直流电能路由器微网

传统交流微网

风光储电源接入能力

强,储能或电网稳定母线电压实现稳定接入

一般,稳定控制难度大

可接入点数量

多,适合分布式电源与负载多点接入

少,稳定控制难度大

直流负载接入灵活性

非常强,电压灵活可调

弱,电压不可调

电力电子设备成本

高,随着市场规模扩大下降趋势明显,两年下降到和交流微网同等水平

低,市场规模大批量生产成本低,下降空间小

系统稳定控制技术难度

低,只需要控制直流母线电压

高,需要控制交流母线电压、频率、相位、同步、三相平衡度

可扩展性

强,非主电源的新设备接入对母线稳定影响小

一般,会影响频率稳定

安装成本

低,出厂高度集成于一两个柜子

高,每个变流器单独安装、接线工作量大,成本高

调试成本

低,出厂前厂内完成系统调试

高,交付现场调试,周期达一个月左右


04

# 总结


直流(电能)路由器从工程角度将微电网从定制系统固化为定型产品,从功能角度将解决新能源接入升级到电能综合调度和路由。它具备规模化解决新能源接入推进能源转型的潜力,对能源互联网以及区块链建设具有重要意义。在产业演进中,企业界正在解决工程和部分技术问题,亟需学术界从理论和深层技术上给予指导,共同推进这一产业的发展。

上海大周是国内外为数不多将电能路由器的设计、实现与应用作为战略方向的企业。我们将始终坚持自己的步伐,朝着“双碳”目标创新向前!


参考文献

[1] 曹军威,孟坤,王继业,等.能源互联网与能源路由器[J].中国科学:信息科学,2014,44(6):714-727.

[2] 邓雪梅.日本数字电网计划[J].世界科学,2013,7:9-19.

[3] Huang A Q,Crow M L,Heydt G T,et al.The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system:the energy internet[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(1):138-144.

[4] 查亚兵,张涛,黄卓,等.能源互联网关键技术分析[J].中国科学:信息科学,2014,44(6):702-713.

[5] 魏亮.路由器原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2005:7-13.

[6] 董朝阳,赵俊华,文福拴,薛禹胜.从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架[J].电力系统自动化,2014,38(15):1-11.

[7] 曹军威,杨明博,张德华,明阳阳,孟坤,陈震,林闯.能源互联网——信息与能源的基础设施一体化[J].南方电网技术,2014,8(4):1-10.


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