馮高輝，趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng)

(1.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100085；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系)，北京 100084)

隨著大規(guī)?；茉礊橹鞯陌l(fā)電環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境的破壞作用日益明顯，在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)開(kāi)始引入更多清潔的、可再生的新能源發(fā)電系統(tǒng)，在配電和用電環(huán)節(jié)，通過(guò)采用更多交互的多維傳輸網(wǎng)絡(luò)和雙向儲(chǔ)能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)電能的高效、智能流通和儲(chǔ)存，即整體著眼于可再生能源的開(kāi)源和節(jié)流。遵循這個(gè)發(fā)展思路，電力行業(yè)先后提出了堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)[1]和智能電網(wǎng)的概念[2]?？紤]深度融合信息化、智能化的因素，電力網(wǎng)絡(luò)逐步向能源互聯(lián)網(wǎng)[3]、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[4]等更高等級(jí)過(guò)渡。這些設(shè)想對(duì)現(xiàn)有的電力輸、配電網(wǎng)絡(luò)和其中的電力設(shè)備都提出了新的要求，即從電能供應(yīng)可靠性到智能化程度的逐步提高，再到融合可再生能源和電能存儲(chǔ)的各類型設(shè)備，最后達(dá)到對(duì)整個(gè)電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的智能調(diào)節(jié)，逐步從對(duì)電網(wǎng)可靠性要求(堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng))過(guò)渡到對(duì)電網(wǎng)中電能的精細(xì)管理(能源互聯(lián)網(wǎng))。

綜合能源服務(wù)追求的是能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，不同的能源形式在不同應(yīng)用場(chǎng)合承擔(dān)不同角色，主導(dǎo)能源會(huì)隨著場(chǎng)景需求的不同而不同。舉例來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離的大容量傳輸，可以是電力網(wǎng)絡(luò)也可以是天然氣網(wǎng)絡(luò)；儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的選擇則更多，可以是電儲(chǔ)能、天然氣儲(chǔ)能、冷/熱儲(chǔ)能等；可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，采用單一的能源或者幾種能源的組合進(jìn)行面向用戶的供能服務(wù)。而能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷是實(shí)現(xiàn)更大范圍的多種能源傳輸、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能和應(yīng)用，從這個(gè)角度來(lái)看，綜合能源服務(wù)是能源互聯(lián)網(wǎng)在用戶側(cè)的集中體現(xiàn)。如何在當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的前提下，將能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和綜合能源服務(wù)的優(yōu)勢(shì)緊密結(jié)合起來(lái)，將電能在綜合能源服務(wù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，進(jìn)而形成以電能為主體的綜合能源服務(wù)，是本文研究的主要目的。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要在能源互聯(lián)網(wǎng)中布置智能的電能管理裝置和配套能源管理系統(tǒng)，即電能路由器。

1 電能路由器的應(yīng)用需求

電能路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在信息和能量2個(gè)方面高度統(tǒng)一和互動(dòng)，信息控制能量，能量反制信息，在多源多荷的復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)電能路由器可以實(shí)時(shí)對(duì)各條線路的能流主動(dòng)管理，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息實(shí)時(shí)共享。

在目前的電網(wǎng)中，存在大量運(yùn)行的新能源發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備，它們大部分以相對(duì)獨(dú)立的形式存在，與電網(wǎng)的交互只限制在某一個(gè)局部。

在發(fā)電側(cè)，通常會(huì)根據(jù)場(chǎng)地條件布置集中式的光伏和風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)需要配置一定的儲(chǔ)能系統(tǒng)，這幾部分通常會(huì)直接并聯(lián)到中壓交流電網(wǎng)中，各部分之間是交流耦合，互相之間的信息不透明，按照各自的設(shè)定目標(biāo)執(zhí)行，如光伏、風(fēng)電按照最大發(fā)電功率執(zhí)行，儲(chǔ)能根據(jù)需求進(jìn)行移峰填谷或者與常規(guī)發(fā)電機(jī)組聯(lián)合進(jìn)行快速調(diào)頻，應(yīng)用模式如圖1所示。這種應(yīng)用模式可以看作是電能路由應(yīng)用的初級(jí)階段，電能在各部分之間是自發(fā)流動(dòng)的，路由器的結(jié)構(gòu)是松散的。

在電網(wǎng)側(cè)，現(xiàn)有的一些電能路由器應(yīng)用方式是利用儲(chǔ)能對(duì)調(diào)頻、調(diào)峰需求較大的主干路電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，這種應(yīng)用不多，基本上可以看作是電能雙向流動(dòng)的路由行為。

圖1 發(fā)電側(cè)新能源和儲(chǔ)能應(yīng)用模式Fig.1 Application of new energy and energy storage at generation side

在用戶側(cè)，目前分別是以交流母線耦合和直流母線耦合為2種主要形式的松散型電能路由方案。目前園區(qū)微電網(wǎng)大部分是以交流母線耦合為主，利用現(xiàn)有的各種電能并網(wǎng)設(shè)備，如光伏并網(wǎng)、風(fēng)電并網(wǎng)和儲(chǔ)能并網(wǎng)等設(shè)備，構(gòu)建分散式的電能匯集和自發(fā)分配的電能管理系統(tǒng)。在這種分布式微電網(wǎng)中的各種并網(wǎng)設(shè)備和用電設(shè)備共同構(gòu)成的電能路由系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是各個(gè)電能端口之間通過(guò)開(kāi)放的公共交流母線進(jìn)行電能互聯(lián)。如圖2所示，其中各部分并網(wǎng)設(shè)備按照各自設(shè)定的目標(biāo)執(zhí)行，互相之間沒(méi)有通信，需要加裝信息采集和傳輸裝置實(shí)現(xiàn)各自部分信息的上送，由于各部分設(shè)備沒(méi)有開(kāi)放控制權(quán)限，因此微電網(wǎng)中的控制器主要起到系統(tǒng)線路保護(hù)和監(jiān)視各部分裝置的作用。

圖2 基于公共交流母線的松散型電能路由器Fig.2 Loose electric energy router based on common AC bus

這種形式的電能路由本質(zhì)是一種被動(dòng)路由，只在微電網(wǎng)內(nèi)分布式設(shè)備的信息層面實(shí)現(xiàn)了路由，而在能源層面是被動(dòng)路由。如果要進(jìn)行主動(dòng)路由，需要在微電網(wǎng)中各個(gè)分布式設(shè)備的層面增加代理設(shè)備，該設(shè)備能夠起到采集信息和控制指令下發(fā)給微電網(wǎng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備的作用[5]，如圖3所示，由此帶來(lái)的是設(shè)備成本和通信復(fù)雜程度的增加。

圖3 基于代理機(jī)制的能源互聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)Fig.3 Energy internet based on energy LAN agent

第二類是將分布式的直流變換器通過(guò)直流母線耦合在一起，形成基于直流母線的電能路由方案，如圖4所示。與交流微電網(wǎng)不同的是，由于涉及直流母線電壓的本地控制，連接到直流微電網(wǎng)上的變換器通常采用下垂控制，將直流母線電壓穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)，上層控制器對(duì)各個(gè)分散的變換器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理[6]。

圖4 基于直流母線的松散型電能路由器Fig.4 Loose electric energy router based on common DC bus

由于連接到直流微電網(wǎng)中的變換器不是全部集中控制，而是按照各自設(shè)定的控制目標(biāo)運(yùn)行，相互之間的通信受限，所以這類微電網(wǎng)內(nèi)部的電能路由也是被動(dòng)進(jìn)行的。

綜合來(lái)看，不管是在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)還是用戶側(cè)，由分散式設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)的被動(dòng)電能路由行為，都由于缺乏集中的能量管理系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)能量容易出現(xiàn)不平衡，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)局部不穩(wěn)定，需要容量更大的上層網(wǎng)絡(luò)作支撐；而當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中用戶側(cè)的各個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)量增多后，各個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)之間的通信和電能管理更是難以實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，容易影響配電網(wǎng)系統(tǒng)或者更大范圍的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

因此，需要集中式電能路由器從配電網(wǎng)底層直接進(jìn)行能量管理和電能質(zhì)量治理，即同時(shí)滿足對(duì)電能的靈活路由要求和對(duì)用戶的電能變換要求[7-8]。特別是隨著新能源的高滲透率接入后，通過(guò)安裝集中式電能路由器，配合儲(chǔ)能就能夠在用戶側(cè)直接進(jìn)行能量管理和就地消納，在更高電壓等級(jí)的配電網(wǎng)中應(yīng)用不同接口和功能類型的電能路由器進(jìn)行組網(wǎng)運(yùn)行[9-10]，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)和用戶側(cè)微電網(wǎng)層面的預(yù)定目標(biāo)。同時(shí)，結(jié)合用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)對(duì)有源濾波、無(wú)功補(bǔ)償、低電壓穿越等功能的需求，在集中式電能路由器這樣的多端口設(shè)備中，并網(wǎng)端口可以兼顧這些需求，與現(xiàn)有的交流或直流母線的耦合方案相比，實(shí)現(xiàn)了更多功能的集中。各個(gè)端口承擔(dān)的功能明確，互相耦合的狀態(tài)加強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)更多單體設(shè)備組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不具備的功能，如集群運(yùn)行、分層運(yùn)行等。

2 電能路由器的研究路線和功能

電能路由器作為綜合電能變換與信息處理的底層支撐設(shè)備，對(duì)其相關(guān)研究從2011年左右開(kāi)始，并且持續(xù)活躍至今[11-13]。最開(kāi)始是從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度展開(kāi)研究，提出電能路由器的概念，然后從電能路由器的裝置角度出發(fā)展開(kāi)多方面的研究，如拓?fù)湫螒B(tài)、控制策略、能量管理和啟動(dòng)控制等[14-22]，進(jìn)一步針對(duì)裝置在戶用場(chǎng)所[23-25]、電網(wǎng)故障情況[26]、電能質(zhì)量控制[27]、靈活配電系統(tǒng)[28]等各類場(chǎng)景中的應(yīng)用進(jìn)行了專門研究，重點(diǎn)研究了微電網(wǎng)應(yīng)用中的組網(wǎng)模式[29-32]、潮流控制[33-34]、優(yōu)化控制[35]、能量管理[36-37]等；同時(shí)，針對(duì)電能路由器涉及的信息層面，在信息通信、信息能量接口方面也進(jìn)行了一定的研究[38-39]，并且專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)路由功能，對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)的路由算法進(jìn)行了研究[40-41]。

從上述過(guò)程來(lái)看，不同專業(yè)領(lǐng)域的人員對(duì)電能路由器的認(rèn)識(shí)和研究是不同的，歸納如下：

a)從電網(wǎng)的角度看，電能路由器是一種面向主動(dòng)配電網(wǎng)和多源終端的電能管理調(diào)節(jié)設(shè)備。

b)從信息角度看，電能路由器是狀態(tài)感知和信息處理的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

c)從電力電子學(xué)科的角度看，電能路由器是一種多端口、多流向、多功能形態(tài)的電力電子變換器，在其中實(shí)現(xiàn)信息流與能量流的相互控制和制約。

d)從裝置構(gòu)成材料的角度看，電能路由器是由半導(dǎo)體、銅、鐵、磁、絕緣和冷卻等材料和器件構(gòu)成的電磁能量變換裝置。

本文從電力電子學(xué)科的角度展開(kāi)，逐步面向能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研討。

電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)起源于電力電子變壓器，研制電力電子變壓器的初衷是用可控的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件與高頻變壓器組合，替代體積和重量都比較大的工頻電力變壓器，用于對(duì)體積和重量要求比較高的場(chǎng)合，如機(jī)車、艦船等。它首先是一個(gè)兩端口的裝置，除了具備傳統(tǒng)變壓器的變壓、電氣隔離等功能外，還可以控制傳輸功率，包括抑制和改善諧波等。由于加入可控開(kāi)關(guān)元件和控制單元，實(shí)現(xiàn)了較大的可控性。在此基礎(chǔ)上，隨著新能源和儲(chǔ)能的接入需求越來(lái)越多，如光伏、風(fēng)電并網(wǎng)和儲(chǔ)能的削峰填谷等應(yīng)用，在電力電子變壓器的連接母線上通過(guò)交流或直流變換器接入這些新能源，使得裝置由兩端口變成多端口的電力電子變壓器。多端口的特性使得裝置所處的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備了傳輸路徑的多選性，繼續(xù)將這些多端口設(shè)備互聯(lián)互通后，就形成了以這些多端口設(shè)備為節(jié)點(diǎn)的電能傳輸和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，類比于信息互聯(lián)網(wǎng)，把這樣的電能網(wǎng)絡(luò)稱為電力能源互聯(lián)網(wǎng)，中間的這些多端口設(shè)備稱為電能路由器。不同類型的電能路由器組網(wǎng)應(yīng)用示例如圖5所示，其中按照配電網(wǎng)接入端口的電壓等級(jí)可以分為中壓電能路由器(medium-voltage electric energy router，MV_EER)和低壓電能路由器(low-voltage electric energy router，LV_EER)。

圖5 電能路由器的組網(wǎng)應(yīng)用示例Fig.5 Networking application of electric energy router

舉例來(lái)說(shuō)，圖5中左下方的1號(hào)負(fù)荷所需的電能既可以由與1號(hào)LV_EER就近連接的1號(hào)儲(chǔ)能提供，也可以通過(guò)1號(hào)MV_EER由上方的1號(hào)電網(wǎng)和1號(hào)光伏提供，還可以通過(guò)2號(hào)MV_EER由右下方的2號(hào)電網(wǎng)和2號(hào)光伏提供，即為這個(gè)負(fù)荷提供了多條電能供應(yīng)的流通路徑，配合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件形成的路由規(guī)則，就確定了網(wǎng)絡(luò)中各級(jí)電能路由器的具體執(zhí)行目標(biāo)。

各級(jí)電能路由器的功能具體表現(xiàn)在2個(gè)層面。在單個(gè)裝置層面：①具備電能變換能力；②具備信息收發(fā)和處理能力；③具備對(duì)外通信能力；④具備電能互聯(lián)互通能力。在裝置集群層面：①具備集群網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各條線路的功率傳輸調(diào)節(jié)能力；②具備重要負(fù)荷的供電可靠性及故障容錯(cuò)和功能互補(bǔ)；③可實(shí)現(xiàn)集群網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自動(dòng)優(yōu)化和調(diào)度，減少了人工干預(yù)的程度；④具備集群內(nèi)數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)上傳能力。電能路由器裝置的功能構(gòu)成如圖6所示。

圖6 電能路由器裝置的功能框圖Fig.6 Functional block of electric energy router

電能路由器裝置內(nèi)部分為電能變換單元、信息收發(fā)單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口。電能變換單元主要由電力電子變換電路構(gòu)成，完成電能的變換、傳輸、隔離以及電能質(zhì)量治理和其他功能，各個(gè)變換端口提供電能路由所需的多端口物理基礎(chǔ)；信息收發(fā)單元主要由傳感器和信號(hào)處理電路構(gòu)成，完成對(duì)端口外部和內(nèi)部狀態(tài)信息的采集和控制；數(shù)據(jù)處理單元主要由處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，完成裝置的本地自治和生成上報(bào)數(shù)據(jù)；通信接口則是由符合裝置內(nèi)部、上層和云端數(shù)據(jù)傳輸要求的電路構(gòu)成，分為內(nèi)部通信和外部通信。內(nèi)部通信是指電能路由器內(nèi)部各部分之間的通信，相對(duì)而言是短時(shí)間尺度的，進(jìn)行快速響應(yīng)和動(dòng)作；外部通信主要包括與平級(jí)設(shè)備、繼保設(shè)備和上級(jí)設(shè)備間的通信，如其他電能路由器、上級(jí)能量管理調(diào)度設(shè)備或者云端設(shè)備。

上述依托電能路由器形成的微電網(wǎng)平臺(tái)，在技術(shù)推進(jìn)上涉及以下幾個(gè)方面：

a)首先是依托電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)基本的電能變換功能和改進(jìn)電能質(zhì)量的功能，這是電能路由器區(qū)別于常規(guī)變壓器的根本。這其中又包括采用新型的半導(dǎo)體器件和不同電壓等級(jí)下帶來(lái)的一系列問(wèn)題，需要研究新的功率半導(dǎo)體器件和高電壓等級(jí)下的裝置絕緣、耐壓等問(wèn)題。

b)其次是不同時(shí)間尺度、不同通信規(guī)約的通信系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，其中大致包括裝置內(nèi)部各個(gè)部分之間的高速通信、裝置集群之間的通信、裝置與能量管理系統(tǒng)之間的通信、微電網(wǎng)平臺(tái)與云平臺(tái)等其他上層設(shè)備的通信，需要制訂相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

c)集群組網(wǎng)后，還需要開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)內(nèi)部以及各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)的能量管理調(diào)度系統(tǒng)，涉及到電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)化、繼電保護(hù)、供電可靠裕度等方面的技術(shù)發(fā)展。這部分是電能路由器未來(lái)應(yīng)用中需要重點(diǎn)研究和解決的技術(shù)難題，比如：在雙向可控的多支路潮流中如何優(yōu)化；現(xiàn)有繼保裝置如何與電力電子裝置的保護(hù)裝置配合；新增用戶場(chǎng)景中，交、直流源、荷的比例如何分配。

3 集中式電能路由器在微電網(wǎng)和配電網(wǎng)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)

區(qū)別于用公共母線(交流和直流)耦合構(gòu)成的松散型電能路由方案，本文提出以多端口電力電子變壓器為基礎(chǔ)拓?fù)涞募惺诫娔苈酚善鞯膽?yīng)用結(jié)構(gòu)。該集中式電能路由器結(jié)構(gòu)緊湊，將多級(jí)變換器集中控制，對(duì)外可以提供多個(gè)不同容量的電能端口，所提供的端口兼容高壓、中壓和低壓，交流和直流，可用于高、低壓交、直流混合微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間，而且可以兼容如諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償、低電壓穿越等功能。采用集中控制器能夠帶來(lái)各個(gè)端口之間電能的快速響應(yīng)，不受外部通信條件的制約，能夠兼顧長(zhǎng)、短時(shí)間尺度內(nèi)的電能路由行為。

集中式電能路由器布置在增量配電網(wǎng)之間或者配電網(wǎng)中的微電網(wǎng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置，根據(jù)微電網(wǎng)情況選擇合適的端口類型和容量。當(dāng)應(yīng)用于混合微電網(wǎng)時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)條件沒(méi)有明確要求各個(gè)端口之間兩兩電氣隔離的情況下，或者是拓?fù)渲挥袃啥丝诘那闆r下，拓?fù)鋬?nèi)部可以采用共直流匯集的形式。其中，直流母線可以根據(jù)所連接的直流源或負(fù)載進(jìn)行電壓等級(jí)的設(shè)置，結(jié)構(gòu)如圖7所示。該結(jié)構(gòu)在能源層面，通過(guò)在裝置內(nèi)部設(shè)置高壓和低壓的直流母線，并且設(shè)置與外部裝置匹配的接口變換器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的電能主動(dòng)路由。與松散型電能路由方案相比，集中式體現(xiàn)在并網(wǎng)裝置的容量復(fù)用和短時(shí)間尺度的控制策略上，同時(shí)集合了局域網(wǎng)信息代理功能，實(shí)現(xiàn)信息傳輸和控制指令的遠(yuǎn)程收發(fā)。

圖7 基于直流母線電力電子變壓器的集中式電能路由器Fig.7 Centralized electric energy router based on power electronic transformer with DC bus

當(dāng)應(yīng)用于多條配電網(wǎng)線路之間時(shí)，要求各個(gè)端口之間兩兩電氣隔離，此時(shí)拓?fù)鋬?nèi)部需要采用多端口的高頻隔離變換器或者共高頻母線的結(jié)構(gòu)，如圖8表示連接4條中壓配電網(wǎng)線路的集中式電能路由器，每條線路與電能路由器的1個(gè)中壓端口連接，實(shí)現(xiàn)相互間的電能路由。

圖8 基于高頻母線多端口電力電子變壓器的集中式電能路由器Fig.8 Centralized electric energy router based on multi-port power electronic transformer with high frequency bus

基于直流母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于內(nèi)部有直流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)各端口變換器之間耦合度比基于高頻母線拓?fù)涞母鞫丝谧儞Q器的耦合度更低，系統(tǒng)整體慣性更大，瞬態(tài)控制相對(duì)容易，目前更多地應(yīng)用于集中式電能路由器的結(jié)構(gòu)中。

4 電能路由器在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

本節(jié)考慮電能路由器在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，以配電網(wǎng)內(nèi)能量管理以及配電網(wǎng)間潮流控制為目標(biāo)，每種類型的應(yīng)用場(chǎng)景可以通過(guò)不同類型接口和不同功率等級(jí)的電能路由器單個(gè)或集群組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)存量配電網(wǎng)改造和增量配電網(wǎng)應(yīng)用。

4.1 工業(yè)生活園區(qū)的應(yīng)用

配電網(wǎng)內(nèi)部典型的應(yīng)用場(chǎng)景是工業(yè)、生活園區(qū)，其配電網(wǎng)間利用中壓大功率的多端口電能路由器進(jìn)行配電網(wǎng)線路間的柔性連接。

工業(yè)園區(qū)內(nèi)部，包括傳統(tǒng)的制造加工集群的工業(yè)園區(qū)和以提供數(shù)據(jù)服務(wù)為主的園區(qū)，特點(diǎn)都是耗電量很大，負(fù)荷以非線性和脈沖型負(fù)荷為主，這些場(chǎng)所除了可以利用分布式光伏外，還經(jīng)常配置一些超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等，以保證重要負(fù)荷不斷電。同時(shí)充分利用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行削峰填谷，降低電費(fèi)開(kāi)支。生活園區(qū)中負(fù)荷主要是空調(diào)類電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、熱水器和充電樁等，同時(shí)園區(qū)內(nèi)可以因地制宜地布局一些分布式光伏和儲(chǔ)能設(shè)施，負(fù)荷變化相對(duì)平緩。園區(qū)微電網(wǎng)的能量管理方面：一是可以利用光、儲(chǔ)配合提高經(jīng)濟(jì)性；二是可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行需求管理(如電動(dòng)汽車的V2G)，同時(shí)利用發(fā)電機(jī)組對(duì)重要負(fù)荷進(jìn)行保障。

典型組網(wǎng)應(yīng)用如圖9所示，由MV_EER和LV_EER這2類電能路由器串聯(lián)組成。MV_EER布置于變電站內(nèi)，提供交流和直流2路中壓電壓接入端口：1路400 V交流母線與發(fā)電機(jī)組互聯(lián)，作為孤島運(yùn)行的備用；1路750 V直流母線與各個(gè)用戶側(cè)的LV_EER互聯(lián)。LV_EER布置在園區(qū)適當(dāng)位置的配電室內(nèi)，就近連接光、儲(chǔ)設(shè)備等，然后通過(guò)配電系統(tǒng)接到負(fù)荷端。所有線路的節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)LV_EER處理后，上送變電站內(nèi)的MV_EER，其能量管理系統(tǒng)通過(guò)兩級(jí)電能路由器和配電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷主動(dòng)管理、園區(qū)微電網(wǎng)能量管理和重要信息上送。根據(jù)園區(qū)的發(fā)展建設(shè)，可以并聯(lián)或集群使用MV_EER，提供更多的端口數(shù)量和更大的功率等級(jí)，而LV_EER的拓?fù)淇梢愿鶕?jù)具體場(chǎng)景演變?yōu)閮啥丝诘膬?chǔ)能DC/DC或者三端口的光儲(chǔ)一體DC/DC等。當(dāng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能量管理系統(tǒng)需要進(jìn)行新能源發(fā)電、儲(chǔ)能管理、發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)運(yùn)行和負(fù)載的主動(dòng)管理。由于沒(méi)有電網(wǎng)的支撐，各個(gè)底層的LV_EER需要及時(shí)上送信息，便于MV_EER及時(shí)進(jìn)行負(fù)荷管理和發(fā)電機(jī)組啟停操作。

4.2 數(shù)據(jù)中心園區(qū)的應(yīng)用

還有一些新型場(chǎng)合的應(yīng)用，比如將變電站建設(shè)改造與儲(chǔ)能站和數(shù)據(jù)中心站結(jié)合，其中儲(chǔ)能站和數(shù)據(jù)中心除了可以為變電站自身服務(wù)，更多地可以為變電站后端的業(yè)務(wù)需求提供服務(wù)。變電站內(nèi)的典型組網(wǎng)應(yīng)用如圖10所示，2路MV_EER通過(guò)不同的10 kV線路引入變電站內(nèi)，通過(guò)之間的互聯(lián)互相備用，通過(guò)2路獨(dú)立LV_EER提供400 V交流變壓功能和分布式設(shè)備的接入功能，與園區(qū)中的LV_EER應(yīng)用類似；同時(shí)通過(guò)2路并聯(lián)使用的LV_EER為數(shù)據(jù)中心提供低壓直流雙線供電，為保證足夠的供電可靠性，接入超級(jí)電容等功率型儲(chǔ)能裝置。最終所有底層設(shè)備信息通過(guò)計(jì)算處理后上送至主MV_EER，用于變電站內(nèi)新場(chǎng)景應(yīng)用的能量管理。

圖9 工業(yè)生活園區(qū)配電網(wǎng)內(nèi)電能路由器組網(wǎng)應(yīng)用案例Fig.9 Networking application of electric energy router in distribution network in industrial and living area

圖10 變電站中電能路由器組網(wǎng)應(yīng)用案例Fig.10 Networking application of electric energy router in distribution network in transformer substation

4.3 配電網(wǎng)之間的應(yīng)用

在電網(wǎng)傳輸線路中，多個(gè)獨(dú)立的配電網(wǎng)可以通過(guò)電能路由器進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在能源互聯(lián)網(wǎng)中配電網(wǎng)間電能路由的目標(biāo)。

目前在城市地區(qū)，中壓配電網(wǎng)通常采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般以開(kāi)環(huán)運(yùn)行為主。如圖11所示為一種典型雙環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式，其中：1號(hào)、2號(hào)配電網(wǎng)線路構(gòu)成單環(huán)網(wǎng)，通過(guò)QF1連接；3號(hào)、4號(hào)配電網(wǎng)線路構(gòu)成單環(huán)網(wǎng)，通過(guò)QF2連接；正常運(yùn)行時(shí)QF1和QF2均斷開(kāi)，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行。當(dāng)需要合環(huán)運(yùn)行時(shí)，由于不同供電分區(qū)的電源電壓幅值、相位均可能存在偏差，合環(huán)運(yùn)行可能導(dǎo)致環(huán)流過(guò)大，引發(fā)線路保護(hù)。由于10 kV母線采用單聯(lián)絡(luò)的接線方式，線路上會(huì)有許多備用和冗余設(shè)備，使得在新建變電站和線路時(shí)，站址通道選址困難；同時(shí)為保證系統(tǒng)“N-1”的裕度，每條線路的最大負(fù)載率均為50%。

圖11 傳統(tǒng)的雙環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用案例Fig.11 Traditional double ring distribution networking application

為此，考慮將幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的配電網(wǎng)線路，通過(guò)電能路由器柔性連接，實(shí)現(xiàn)多條線路潮流的快速分配，達(dá)到不停電轉(zhuǎn)移負(fù)荷，同時(shí)提高電網(wǎng)設(shè)備利用率的目的[42]。采用四端口中壓電能路由器將4條10 kV配電線路互聯(lián)后，組網(wǎng)方式如圖12所示。各條線路正常工作時(shí)，各個(gè)端口傳輸功率均為零，當(dāng)某條線路遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時(shí)，其他3條線路可以通過(guò)MV_EER快速輸出功率。由于采用電力電子技術(shù)，功率的暫態(tài)沖擊和轉(zhuǎn)移過(guò)程可控，還可以根據(jù)各端口需要提供相應(yīng)的無(wú)功。

圖12 基于電能路由器的配電網(wǎng)互聯(lián)方式Fig.12 Distribution networking connection mode based on electric energy router

4.4 能源互聯(lián)網(wǎng)中的集群應(yīng)用

利用不同類型的電能路由器集群，形成在10 kV配電網(wǎng)內(nèi)部的多維交互網(wǎng)絡(luò)化，電能具有多條潮流途徑，在此基礎(chǔ)上處于各位置的電能路由器各司其職，底層路由器進(jìn)行信息收發(fā)和電能路由，上層路由器進(jìn)行邊緣計(jì)算和信息上報(bào)。以10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元，這些基本單元之間通過(guò)中壓電能路由器互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基本單元之間的路由執(zhí)行功能。一種基于電能路由器集群的能源互聯(lián)網(wǎng)模型如圖13所示，多個(gè)基本單元(10 kV配電網(wǎng))通過(guò)多端口MV_EER連接，然后與更高電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)連接。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電能路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵感知設(shè)備和路由設(shè)備，通過(guò)不斷拓展、完善其功能并廣泛推廣應(yīng)用，能夠滿足能源互聯(lián)網(wǎng)預(yù)想的各種需求。隨著電能路由器的不斷發(fā)展和大量應(yīng)用，會(huì)一定程度地改變現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行規(guī)則和其他電網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電能在更大范圍內(nèi)的智能安全運(yùn)行。

圖13 基于電能路由器集群的能源互聯(lián)網(wǎng)模型Fig.13 Energy Internet model based on cluster application of electric energy router