[科普中国]-电能路由器

简介

随着可再生能源发电装置、储能设备及各种类型的电能负载的接入，传统的电力系统设备无法满足供电形式多样和能量多向流动以及功率流的主动调控等要求，无法适应未来电力市场化的需要。基于电力电子变换技术构成的电能路由器，小但可为小同的新能源发电装置和小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2。

电能路由器的国内外研究现状在接入了分布式电源的配电系统中，不同的分布式电源、同一分布式电源在不同时刻具有多种不同供电能力和供电电能质量;同时，负荷侧电力用户的各种负载对电源的供电能力及电能质量的需求也不尽相同。如何实现电源与负载的匹配运行，建立一个电源与负载协调运行的电力网络控制系统势在必行。电能路由器的概念及其能量管理方法，是为解决上述问题而提出的，电能路由器的控制目标是实现电源与负载的最优化匹配运行。

分布式可再生电源主要分布在配电网用户附近，这不仅可以减少一次性能源的利用，而且可以减少了电能传输时的电力线上的电能损耗。电网控制形态的关键影响因素，并预测、规划了未来电网的控制形态。分布式发电、微电网、智能配电网的发展趋势，讨论了分布式发电、微电网和智能配电网中的所应用的技术手段。文献

文献3提出将电能路由器作为可再生分布式电源接入主动配电网时的灵活接口，并利用多Agent技术作为主动配电网中电能路由器管理能流的核心技术，实现各控制区域协调运行。同时提出“Scaling Push-Relabel'’控制算法，为实现缓减用电高峰、降低运行成本、最大化满足用户电力需求等控制目标。文献[[15]提出了基于固态变压器(Solid State Transformer，简称SST)的电能路由器在智能电网中以实现动态管理能流，研究解释了电能路由器的整体结构和通信系统。基于直流环网的电能路由器，首先对各个功能模块进行了分析，搭建了硬件模型，进而分析了电能路由器监测、控制及保护系统。

文献4认为主动配电网是自适应的智能电力系统，提出了在主动配电网中应用灵活的主动控制、保护系统及通信技术、传感测量技术的必要性。在CIGREC6.11 上率先将“Active Distribution Networks'，译为“主动配电网”，并一致认为在主动配电网中，采用先进的信息技术和通信技术能够以较低的费用接入更多的DER C Distributed Energy Resource的简称，是对分布式电源、柔性负荷及储能设备总称)，以实现这些DER的动态控制。研究了主动配电网及其特征，讨论了主动配电网的几个关键技术，主要有分层分布协调控制技术、综合规划技术、全局优化能量管理技术等1。

文献5提出了未来配电网系统的结构、未来电网中能量路由器选择的核心器件一固态变压器的结构和控制方法。该电能路由器适合分布式可再生电源、分布式存储设备的即插即用，可以实现能源的最优化配置、电网的故障管理。Hui Li等学者根据目前固态变压器的基本结构，中提出了一种含有自适应传感器的固态变压器的结构;在文中提出了基本固态变压器基于DSP和FPGA的控制算法的实现1。提出了电能Internet和电能路由器的概念，分析了电能路由器的结构，并且模拟了分布式可再生电源、负荷、存储设备的各种状态，提出了基于直流母线的多转化接口桥固态变压器，并对其环路作了详细的分析，通过分布式电源和存储设备的模拟进行了仿真验证6。

首先将FREEDM C the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System的简称)概念引入国内，并且分析了FREEDM中的核心设备一固态变压器的基本原理、拓扑结构和控制策略，进而研究了适合我国电压等级的三相SST模型，提出了基于SST的光伏发电的并网模式。

电能路由器的功能电能路由器作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，应该在保证电能质量的前提下，灵活地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能。对电能路由器的基本要求主要有4:

1)接口的即插即用:电能路由器应该面向各种不同知识层面的用户，具备使用容易、方便的特点，这就要求电能路由器的接口应该是即插即用的。即分布式能源插到电能路由器的接口后，电能路由器能够快速检测出分布式能源的类型，并做出相应的响应;

2)接口的双向性:由于分布式能源既可能作为电源向电网供给电能，又可能作为负荷从电网索取能量，这使得电能路由器的接口应该具有双向性的特点，即能够传输双向能量流;

3)实时通信技术:电能路由器要实现实时控制还需要实时的通信，即主动配电网中的Agent要能够进行实时通信;

4)用户电能消耗查询技术:电能路由器需要将用户的能量消耗情况进行统计并保存到网络数据库，正如实时查询话费一样，用户可以通过Internet登录官方网站或是发信息方便快捷地了解其的电能消耗情况，并实现网上电费充值等快捷服务。

电能路由器的应用前景电能路由器作为主动配电网的电能接入装置，其最基本的任务是管理接入电源和负荷、寻求最优路径。但电能路由器应用在电网的不同位置将承担不同的具体任务，下面将从用户侧和配电网侧两个不同层面说明电能路由器的应用。

电能路由器在用户侧的应用当电能路由器用于配电网末端时，直接与分布式能源DER相连，分布式能源主要有分布式电源、分布式储能设备及负载。电能路由器作为用户能源配置的核心装置，每个分布式能源都与电能路由器通信，接收电能路由器的调度指令、向电能路由器发送请求指令。

电能路由器作为配电网中使用简单的、即插即用的能源接入装置，当分布式能源接入电能路由器的接口时，电能路由器应能够检测到分布式能源的插入，迅速监测分布式能源的类型及用电参数，并给予相应的回应。当与电能路由器连接的分布式能源需要某种服务(如在30度的室外环境下，空调负荷需要制冷除湿到18度)时，分布式能源与电能路由器通信，电能路由器的主控制器接收到负荷电能需求请求，通过逻辑判断为其匹配合适的电源。当分布式电源的工作状态改变时，分布式能源与电能路由器通信，电能路由器更新分布式能源的状态，改变端口输出。当分布式能源要中止服务时，将情况反馈给电能路由器，电能路由器通过控制开关阵列中止电能服务。当用电设备与电能路由器断开时，电能路由器检测到断开，并更新端口信息。

另外，考虑到实时电价，电能路由器可以根据电价信息动态调整用电负荷。如在居民区白天电价低，居民用户的电能路由器可将有需求的可控电力设备接入配电网;而在工业区的电价信息可能是白天较高，而晚上较低，电能路由器可以将实时性低的可控负荷安排到夜间。

电能路由器在配电网中的应用在配电网中，若电能路由器用于区域电网入口，不仅能够采集区域电网的用电信息，而且还可以与配电网中其他电能路由器相互通信。不仅可以实现区域网内分布式电能的有效利用，而且能够使整个配电网达到能源的最优化配置。 电能路由器在配电网中运行在并网运行模式下时，电能路由器将其所控制的区域(如微网)连接到配电网干线上，区域电网通过电能路由器从电网索取电能或向电网提供电。作为能流调节器，电能路由器根据区域电网对电能的需求情况进行调度，在区域电网或大电网出现故障时，电能路由器运行在孤岛模式，与配电网隔离。此时，区域电网中的当地负荷需同分布式可再生电源及储能设备协调运行，具体讨论如下4:

在太阳充足时，光伏发电系统将太阳能转化为大量的电能，光伏发电的通信设备向电能路由器发送请求。电能路由器比较当地电力负荷及储能设备与光伏发电量的情况，以确定从电网索取电能还是向电网供电。在太阳能不充足的傍晚，光伏发电系统几乎不能产生电能，而负荷需求增加。光伏发电系统同电能路由器通信，电能路由器与光伏发电系统断开。电能路由器与储能设备通信，调节储能设备为负荷供电，若有不足则切换至市电为电力负荷供电。到夜晚，风电机组开始发电，风电机组向电能路由器发送服务请求，电能路由器确认风电机组开始发电，并将其接入区域电网为本地负荷提供电能。若风电机组产生的电能较本地负荷有富余，则将富余部分通过电能路由器回馈给电网;反之，如果不足，则不量由电网通过电能路由器向区域电网补充。到深夜，电力负荷用电量达到低谷，电能路由器开始为电动车充电器等实时性要求不高的可控电力设备供电及区域电网中的储能设备充电。

电能路由器的拓扑结构交流母线电能路由器目前，交流电能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1。

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。

直流母线电能路由器与交流母线相比，直流母线有以下优势[[33]

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。

2)辐射状直流母线

辐射状直流母线可以为用户提供高质量的电能，但是不能保证供电可靠性[35]。负荷经过换流器连接至直流母线，无需经过变压器即可获得所需电压等级。另外，当电能路由器负荷侧的某一负荷出现过负荷时，并联换流器间的相互调节功能可降低系统的过负荷振荡。

混合交直流母线电能路由器混合交一直流母线，是为避免分布式电源和负荷接入交流母线或直流母线时所需的多次换流而提出的，混合交直流母线电能路由器的应用。

电能路由器有电源和负荷两类接口，其中电源接口包括一个市电专用接口、一个分布式非可再生电源接口和普通分布式可再生电源(或储能设备)接口。母线包括一条直流母线和两条交流母线，直流母线和交流母线且合称为分布式电源母线，通过交、直流变换器相连，连接分布式电源和储能设备等。开关阵列包括一个单向并网开关和若干双向负荷开关，并网开关用于选择电能路由器的工作模式，负荷开关用于选择负荷的供电来源。另外电能路由器还包括检测模块、通信模块、控制单元。

直流母线的设置无需单独对分布式电源进行同步控制，电能路由器运行在非并网状态下，只需控制直流母线变换器和非可再生电源同步，简化了分布式可再生电源的管理;同时分布式电源经过一级变换就并入直流母线，提高了分布式电源的电能利用率。

开关阵列对用电负荷进行分类管理，一方面保证了重要负荷的供电电能质量;另一方面也更灵活地利用了分布式电源间歇性、供电电能质量差等特点。

电能路由器的运行模式通常情况下，微电网有孤岛运行、并网运行两种运行模式。与微电网不同的是，电能路由器需要考虑内部的分布式电源母线(将直流母线和交流母线且合称为分布式电源母线)、交流母线工和区域电网(或配电网)的运行状态，除了孤岛模式、并网模式外，还有并行运行模式。下面结合本文所提出的电能路由器的应用拓扑对电能路由器的三种运行模式进行分析。

孤岛模式分布式电源母线为交直流负荷供电，交流母线工闲置，且并网开关处于断开状态时，电能路由器工作于孤岛模式。电能路由器工作在孤岛模式时，所有的分布式电源、交直流负荷与储能设备三者的电能供需处于平衡状态。具体情况有以下两种:

在与分布式电源母线相连的分布式电源足以维持当地交直流负荷正常运行，且在市电电网处于用电低谷时，分布式电源母线将富余的电能存储到储能装置中，分布式电源母线和区域电网(或配电网)之间没有电能传输;

在各分布式电源自身不足以维持当地交直流负荷运行，且在大电网处于电高峰时，储能系统作为电源放电，分布式电源母线侧的分布式电源和储能系统完全可以供给当地负荷。

并行模式电能路由器的并行运行模式定义为，在分布式电源母线为交直流负荷供电的同时，交流母线工为部分甚至全部交流母线侧负荷供电，但并网开关处于断开情况下的运行状态。分布式电源母线侧的各分布式电源和储能设备，优先满足直流母线侧负荷，在可以满足直流负荷，而不足以完全满足交流负荷对电量或电能质量需求的情况下，部分交流侧负荷所需的电能直接由交流母线工供给1。

并网模式电能路由器运行在并网模式分以下两种:

在分布式电源母线足以维持当地负荷对电能的需求，电能仍有剩余，电能路由器将富余的电能通过并网开关，供给大电网;

在大电网处于用电低谷且各分布式电源发电量较小时，市电电网通过交流母线工为交流侧负荷供电，直流母线侧直流负荷和储能设备电能的差额通过并网开关由市电电网供应。

电能路由器的控制方法电能路由器的控制方法是电能路由器实现其功能中最核心的部分之一。为优化电能配置、充分地利用可再生电能，电能路由器需要对内部及其附属的交直流变换器、开关阵列等进行有效地控制1。

变换器的控制就是内部的直流母线的利用简化了各分布式电源及储能设备的管理。在电能路由器中，无需对每个分布式电源进行管理，而只需控制交直流母线间的AC/DC变换器及小型柴油发电机。

对每个分布式电源变换器的控制有PQ控制、V/f控制、下垂控制(也称为Troop控制)三种。PQ控制是通过控制逆变器实现的，使分布式电源的输出有功功率、无功功率保持在预设定的值。PQ控制适合输出功率随机性较大的分布式电源，其目标是实现能源的最大功率输出。V/f控制适合功率可调电源，在处于孤岛运行模式下，负荷变化时，采用V/f控制的分布式电源的输出电压、频率在可调范围内变化，确保其他分布式电源的和负荷的正常运行。下垂控制是让逆变器的输出模拟同步发电机的频率、端电压与所输出的有功功率、无功功率之间的下垂特性。

开关阵列的控制目前，多分布式电源的控制方法主要有主从控制、对等控制及分层控制三不中。

1}主从控制

主从控制，是指在并网模式下，所有的分布式电源和储能设备均采用PQ控制模式;而在孤岛模式下，一个分布式电源(或储能设备)作为主控制单元，采用V/f控制，而其他分布式电源作为从控制单元，仍采用PQ控制。主控单元的V/f控制主要体现在两种情形下，一是电能路由器在并网运行模式和孤岛、并行运行模式间切换的时候，二是电能路由器运行在孤岛模式、并行模式下，负荷变化的时候。电能路由器由并网运行向孤岛运行、并行运行切换时，主控单元由PQ运行模式转变为V/f运行模式。在电能路由器运行在孤岛模式、并行模式下时，作为主控制单元的分布式电源采用V/f控制，当负荷变化时，主控单元调节其输出端的电压幅值和频率，保证电能路由器内部有功和无功功率平衡，使电能路由器运行在新的稳定状态。

2)对等控制

对等控制，是指电能路由器所连接的分布式电源、储能设备处于同等地位，每个分布式电源根据接入系统的点电压和频率信息进行就地控制。根据发电机输出的有功功率和系统频率、无功功率、端电压的关联性，调节各分布式电源的电压和频率以适应负荷对电能有功和无功功率需求的变化。

在负荷变化时，每个分布式电源通过调节各自输出端的电压幅值和频率，电能路由器内部达到新的稳定工作点。因而，采用对等控制，负荷变化前后系统的稳态电压幅值和频率也会有所变化，是一种有差控制。

3)分层控制

分层控制，是将各分布式电源及储能设备分层次进行控制，下层为上层提供参数信息并接收上层的控制信号。在分层控制中，系统设计上需要有坚强的通信线路。

结合电能路由器混合交直流母线的应用拓扑结构，电能路由器宜选择主从控制模式。主控制单元一般选择储能装置、容量较大的分布式电源，或储能设备和容量较大的分布式电源共同作为主控制单元。储能装置充放电速度快，易于实现运行模式间的切换，但其存储容量有限，不可能长期处于充电或放电状态。因此，储能系统作为主控单元，电能路由器不可能长时间运行在孤岛模式或并行模式。容量较大的分布式电源作为主控单元，电能路由器可以长时间运行在孤岛模式或并行模式，但是运行模式间的切换速度慢，容易引起系统电压、频率的大幅波动。分布式电源和储能装置共同作为主控制单元的控制模式，充分地利用了储能装置充放电响应速度快及分布式电源可以长时间运行的优势。

在电能路由器运行在孤岛模式及并行模式下，可以将直流母线视为储能系统，直流母线作为主从控制模式的主控单元。储能系统根据分布式电源的总输出功率和负荷运行功率之差进行充放电，保证系统稳定运行。这样，电能路由器不仅具有较快的响应速度，而且可以长时间运行在非并网模式。

不同负荷对电能质量的需求不同，按照负荷对电能质量需求的不同，将负荷分为重要负荷和非重要负荷。随着科技的进步，重要负荷对电能质量的需求不断增加，供电电压不稳定或频繁启停会产生次品，甚至造成更大的生产事故。而一些非重要负荷，没有必要使用满足电网标准的电能。根据非重要负荷对电能质量不同方面的要求，可将非重要负荷大体分为三类 : 1)对电压稳定性需求不高，如照明等电压波动对其达到目的不会造成太大影响;2)对供电连续性没有过高要求，如空调、热水器等短时间断性供电不会影响用户舒适度;3)对供电实时性要求不高，如电动车充电器等，可将其供电时间调整到用电低谷，以起到削峰填谷的作用。

开关阵列对负荷和分布式电源的进行匹配控制，需要采集负荷和分布式电源的用电参数，本文选用电优先级、电容量、电能质量及各电源电价作为负荷的用电参数。

电能路由器的整体设计方案电能路由器主要由采集输入、逻辑控制、数据显示、输出执行等四部分模块组成4。

其中，采集输入部分主要用于用电设备的电流、电压、功率、功率因数等点参数的采集，为控制部分提供原始数据。逻辑控制部分通过对原始数据的分析，将逻辑判断结果输出给数据显示部分和输出执行部分。数据显示部分的作用主要是使测试更直观，便于我们监测分析数据。输出执行部分控制继电器，合理改变电网结构，以增加可再生能源的有效利用、最优化潮流分布，减少线路损耗。

技术展望电能路由器所需要技术很多，未来的发展方向主要有2:

1)针对主干电能路由器，大功率、高电压电力电子变换器仍然是主要难题。已有的文献给出了一些解决方案，不过仍然不够成熟。可靠性、效率和成本是衡量其能否投入实际工程的主要指标。不过相信随着新型高压大电流电力电子器件的商业化，主干电能路由器将在不远的将来得以实现。

2)由于中小型电能路由器距离用电消费者更近，其体积和成本是更为重要的因素。相比主干电能路由器，中小型电能路由器的接口多样性要求更高，所需的电能形式更丰富，提高内部变换器和元件的利用率是提升功率密度的关键。

3)电力电子变换器的模型与传统同步机有很大区别，对于以电能路由器为节点的未来电力网络，其稳定性问题基本无法沿用之前的同步机理论。因此面对电网中众多灵活复杂的分布式源和用电设备，其稳定性问题的解决极具挑战，函需更有效的分析、建模和仿真方法。

4)针对不同级别的电能路由器应选择不同的通信方式，如何将通信功能与功率部分集成在一起，并使信息传递与功率处理在不同工况下均协调工作是实际运行的关键。另外，类似于信息互联网，未来的电力互联网设备节点数量巨大，需要快速、可靠的路由算法来实现源与负载的快速连接。