電能路由器

電能路由器是指一種可實現能量的多向流動能力和對功率流的主動控制的設備；作為配電網中分散式電源、無功補償設備、儲能設備、負荷等的智慧型接口，應該在保證電能質量的前提下，靈活地管理區域電網內部及整個配電網中的動態電能。與信息技術的融合使電能路由器擁有通訊和智慧型決策能力，可根據網路運行狀態以及用戶和控制中心的指令，實現對電力網路能量流的主動管理。

基本介紹

• 中文名：電能路由器
• 外文名：Power router
• 性質：電力控制設備
• 特點：靈活控制電能
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

路由器簡介

隨著可再生能源發電裝置、儲能設備及各種類型的電能負載的接入，傳統的電力系統設備無法滿足供電形式多樣和能量多向流動以及功率流的主動調控等要求，無法適應未來電力市場化的需要。基於電力電子變換技術構成的電能路由器，小但可為小同的新能源發電裝置和小同類型負載提供靈活多樣化的接口電氣形式，還可實現能量的多向流動能力和對功率流的主動控制。與信息技術的融合使電能路由器擁有通訊和智慧型決策能力，可根據網路運行狀態以及用戶和控制中心的指令，實現對電力網路能量流的主動管理。

研究現狀

在接入了分散式電源的配電系統中，不同的分散式電源、同一分散式電源在不同時刻具有多種不同供電能力和供電電能質量;同時，負荷側電力用戶的各種負載對電源的供電能力及電能質量的需求也不盡相同。如何實現電源與負載的匹配運行，建立一個電源與負載協調運行的電力網路控制系統勢在必行。電能路由器的概念及其能量管理方法，是為解決上述問題而提出的，電能路由器的控制目標是實現電源與負載的最最佳化匹配運行。

分散式可再生電源主要分布在配電網用戶附近，這不僅可以減少一次性能源的利用，而且可以減少了電能傳輸時的電力線上的電能損耗。電網控制形態的關鍵影響因素，並預測、規劃了未來電網的控制形態。分散式發電、微電網、智慧型配電網的發展趨勢，討論了分散式發電、微電網和智慧型配電網中的所套用的技術手段。

文獻提出將電能路由器作為可再生分散式電源接入主動配電網時的靈活接口，並利用多Agent技術作為主動配電網中電能路由器管理能流的核心技術，實現各控制區域協調運行。同時提出“Scaling Push-Relabel'’控制算法，為實現緩減用電高峰、降低運行成本、最大化滿足用戶電力需求等控制目標。文獻[[15]提出了基於固態變壓器(Solid State Transformer，簡稱SST)的電能路由器在智慧型電網中以實現動態管理能流，研究解釋了電能路由器的整體結構和通信系統。基於直流環網的電能路由器，首先對各個功能模組進行了分析，搭建了硬體模型，進而分析了電能路由器監測、控制及保護系統。

文獻認為主動配電網是自適應的智慧型電力系統，提出了在主動配電網中套用靈活的主動控制、保護系統及通信技術、感測測量技術的必要性。在CIGREC6.11 上率先將“Active Distribution Networks'，譯為“主動配電網”，並一致認為在主動配電網中，採用先進的信息技術和通信技術能夠以較低的費用接入更多的DER（Distributed Energy Resource的簡稱，是對分散式電源、柔性負荷及儲能設備總稱），以實現這些DER的動態控制。研究了主動配電網及其特徵，討論了主動配電網的幾個關鍵技術，主要有分層分布協調控制技術、綜合規劃技術、全局最佳化能量管理技術等。

文獻提出了未來配電網系統的結構、未來電網中能量路由器選擇的核心器件一固態變壓器的結構和控制方法。該電能路由器適合分散式可再生電源、分散式存儲設備的即插即用，可以實現能源的最最佳化配置、電網的故障管理。Hui Li等學者根據目前固態變壓器的基本結構，中提出了一種含有自適應感測器的固態變壓器的結構;在文中提出了基本固態變壓器基於DSP和FPGA的控制算法的實現。提出了電能Internet和電能路由器的概念，分析了電能路由器的結構，並且模擬了分散式可再生電源、負荷、存儲設備的各種狀態，提出了基於直流母線的多轉化接口橋固態變壓器，並對其環路作了詳細的分析，通過分散式電源和存儲設備的模擬進行了仿真驗證。

首先將FREEDM（the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System的簡稱）概念引入國內，並且分析了FREEDM中的核心設備一固態變壓器的基本原理、拓撲結構和控制策略，進而研究了適合我國電壓等級的三相SST模型，提出了基於SST的光伏發電的併網模式。

功能

電能路由器作為配電網中分散式電源、無功補償設備、儲能設備、負荷等的智慧型接口，應該在保證電能質量的前提下，靈活地管理區域電網內部及整個配電網中的動態電能。對電能路由器的基本要求主要有:

1)接口的即插即用:電能路由器應該面向各種不同知識層面的用戶，具備使用容易、方便的特點，這就要求電能路由器的接口應該是即插即用的。即分散式能源插到電能路由器的接口後，電能路由器能夠快速檢測出分散式能源的類型，並做出相應的回響;

2)接口的雙向性:由於分散式能源既可能作為電源向電網供給電能，又可能作為負荷從電網索取能量，這使得電能路由器的接口應該具有雙向性的特點，即能夠傳輸雙向能量流;

3)實時通信技術:電能路由器要實現實時控制還需要實時的通信，即主動配電網中的Agent要能夠進行實時通信;

4)用戶電能消耗查詢技術:電能路由器需要將用戶的能量消耗情況進行統計並保存到網路資料庫，正如實時查詢話費一樣，用戶可以通過Internet登錄官方網站或是發信息方便快捷地了解其的電能消耗情況，並實現網上電費充值等快捷服務。

套用前景

電能路由器作為主動配電網的電能接入裝置，其最基本的任務是管理接入電源和負荷、尋求最優路徑。但電能路由器套用在電網的不同位置將承擔不同的具體任務，下面將從用戶側和配電網側兩個不同層面說明電能路由器的套用。

電能路由器在用戶側的套用

當電能路由器用於配電網末端時，直接與分散式能源DER相連，分散式能源主要有分散式電源、分散式儲能設備及負載。電能路由器作為用戶能源配置的核心裝置，每個分散式能源都與電能路由器通信，接收電能路由器的調度指令、向電能路由器傳送請求指令。

電能路由器作為配電網中使用簡單的、即插即用的能源接入裝置，當分散式能源接入電能路由器的接口時，電能路由器應能夠檢測到分散式能源的插入，迅速監測分散式能源的類型及用電參數，並給予相應的回應。當與電能路由器連線的分散式能源需要某種服務(如在30度的室外環境下，空調負荷需要製冷除濕到18度)時，分散式能源與電能路由器通信，電能路由器的主控制器接收到負荷電能需求請求，通過邏輯判斷為其匹配合適的電源。當分散式電源的工作狀態改變時，分散式能源與電能路由器通信，電能路由器更新分散式能源的狀態，改變連線埠輸出。當分散式能源要中止服務時，將情況反饋給電能路由器，電能路由器通過控制開關陣列中止電能服務。當用電設備與電能路由器斷開時，電能路由器檢測到斷開，並更新連線埠信息。

另外，考慮到實時電價，電能路由器可以根據電價信息動態調整用電負荷。如在居民區白天電價低，居民用戶的電能路由器可將有需求的可控電力設備接入配電網;而在工業區的電價信息可能是白天較高，而晚上較低，電能路由器可以將實時性低的可控負荷安排到夜間。

電能路由器在配電網中的套用

在配電網中，若電能路由器用於區域電網入口，不僅能夠採集區域電網的用電信息，而且還可以與配電網中其他電能路由器相互通信。不僅可以實現區域網內分散式電能的有效利用，而且能夠使整個配電網達到能源的最最佳化配置。 電能路由器在配電網中運行在併網運行模式下時，電能路由器將其所控制的區域(如微網)連線到配電網幹線上，區域電網通過電能路由器從電網索取電能或向電網提供電。作為能流調節器，電能路由器根據區域電網對電能的需求情況進行調度，在區域電網或大電網出現故障時，電能路由器運行在孤島模式，與配電網隔離。此時，區域電網中的當地負荷需同分散式可再生電源及儲能設備協調運行，具體討論如下:

在太陽充足時，光伏發電系統將太陽能轉化為大量的電能，光伏發電的通信設備向電能路由器傳送請求。電能路由器比較當地電力負荷及儲能設備與光伏發電量的情況，以確定從電網索取電能還是向電網供電。在太陽能不充足的傍晚，光伏發電系統幾乎不能產生電能，而負荷需求增加。光伏發電系統同電能路由器通信，電能路由器與光伏發電系統斷開。電能路由器與儲能設備通信，調節儲能設備為負荷供電，若有不足則切換至市電為電力負荷供電。到夜晚，風電機組開始發電，風電機組向電能路由器傳送服務請求，電能路由器確認風電機組開始發電，並將其接入區域電網為本地負荷提供電能。若風電機組產生的電能較本地負荷有富餘，則將富餘部分通過電能路由器回饋給電網;反之，如果不足，則不量由電網通過電能路由器向區域電網補充。到深夜，電力負荷用電量達到低谷，電能路由器開始為電動車充電器等實時性要求不高的可控電力設備供電及區域電網中的儲能設備充電。

拓撲結構

交流母線電能路由器

目前，交流電能仍是電能的主要利用形式，通過安裝交流母線管理分散式電源是一種順理成章的電能管理方法。分散式電源，尤其是可再生電源，在輸出功率、電壓水平、頻率質量等方面呈現出很大的不穩定性。如果這些分散式能源直接併網，將會對大電網造成不同程度的擾動。與之相應的，不同負荷對電能質量的需求也存在較大差異。

交流電能路由器的提出是為了在分散式電源和負荷之間進行電能最佳路徑的選擇，即在保證電力負荷對電能需求的情況下，最大化分散式電源的利用。交流電能路由器可以採用電能分組分配、電能質量感知、智慧型開關插座等方法實現電源與負荷之間的最優匹配。

直流母線電能路由器

與交流母線相比，直流母線有以下優勢[[33]

1)直流母線無需同步，可以連線頻率、電壓不同的交流系統;

2)直流母線的“定電流控制”能夠快速地把短路電流限制在額定電流值，因而可以限制交流系統的短路電流;

3)直流母線可以方便快速地控制直流輸電輸送的有功功率和換流器吸收的無功功率，從而可以改善交流系統的運行性能;

4)各分散式電源與直流母線間僅存在一級電壓變換裝置，降低了系統建設成本。

由於直流母線的這些優勢，採用直流母線控制分散式可再生能源接入電網，並對其進行有效的管理就成為一種比較理想的選擇。直流母線可分為環狀直流母線和輻射狀直流母線，用於滿足各類負荷對電能質量的不同需求環狀直流母線

作為交流母線的補充，環狀直流母線的套用拓撲。環狀直流母線為可再生電能(主要是光伏和風電)、儲能裝置、直流負荷提供靈活的互動平台。環狀直流母線和大電網之間通過雙向交直流變換器進行雙向能源互動，環狀直流母線的電壓通過整流器調節，使其維持在穩定值。這種套用拓撲與傳統的電網有較好的兼容性，僅在傳統電網末端進行了改進，增加了環狀直流母線，拓撲結構變得更加靈活。對於直流負荷、儲能設備等，該系統通過直流母線減少了低效的逆變環節，提高了整個電網的運行效率，降低了系統的成本。儲能系統的引入改善了環狀直流母線上間歇性明顯的分散式電源的供電電能質量。

2)輻射狀直流母線

輻射狀直流母線可以為用戶提供高質量的電能，但是不能保證供電可靠性[35]。負荷經過換流器連線至直流母線，無需經過變壓器即可獲得所需電壓等級。另外，當電能路由器負荷側的某一負荷出現過負荷時，並聯換流器間的相互調節功能可降低系統的過負荷振盪。

混合交直流母線電能路由器

混合交一直流母線，是為避免分散式電源和負荷接入交流母線或直流母線時所需的多次換流而提出的，混合交直流母線電能路由器的套用。

電能路由器有電源和負荷兩類接口，其中電源接口包括一個市電專用接口、一個分散式非可再生電源接口和普通分散式可再生電源(或儲能設備)接口。母線包括一條直流母線和兩條交流母線，直流母線和交流母線且合稱為分散式電源母線，通過交、直流變換器相連，連線分散式電源和儲能設備等。開關陣列包括一個單向併網開關和若干雙向負荷開關，併網開關用於選擇電能路由器的工作模式，負荷開關用於選擇負荷的供電來源。另外電能路由器還包括檢測模組、通信模組、控制單元。

直流母線的設定無需單獨對分散式電源進行同步控制，電能路由器運行在非併網狀態下，只需控制直流母線變換器和非可再生電源同步，簡化了分散式可再生電源的管理;同時分散式電源經過一級變換就併入直流母線，提高了分散式電源的電能利用率。

開關陣列對用電負荷進行分類管理，一方面保證了重要負荷的供電電能質量;另一方面也更靈活地利用了分散式電源間歇性、供電電能質量差等特點。

運行模式

通常情況下，微電網有孤島運行、併網運行兩種運行模式。與微電網不同的是，電能路由器需要考慮內部的分散式電源母線(將直流母線和交流母線且合稱為分散式電源母線)、交流母線工和區域電網(或配電網)的運行狀態，除了孤島模式、併網模式外，還有並行運行模式。下面結合本文所提出的電能路由器的套用拓撲對電能路由器的三種運行模式進行分析。

孤島模式

分散式電源母線為交直流負荷供電，交流母線工閒置，且併網開關處於斷開狀態時，電能路由器工作於孤島模式。電能路由器工作在孤島模式時，所有的分散式電源、交直流負荷與儲能設備三者的電能供需處於平衡狀態。具體情況有以下兩種:

在與分散式電源母線相連的分散式電源足以維持當地交直流負荷正常運行，且在市電電網處於用電低谷時，分散式電源母線將富餘的電能存儲到儲能裝置中，分散式電源母線和區域電網(或配電網)之間沒有電能傳輸;

在各分散式電源自身不足以維持當地交直流負荷運行，且在大電網處於電高峰時，儲能系統作為電源放電，分散式電源母線側的分散式電源和儲能系統完全可以供給當地負荷。

並行模式

電能路由器的並行運行模式定義為，在分散式電源母線為交直流負荷供電的同時，交流母線工為部分甚至全部交流母線側負荷供電，但併網開關處於斷開情況下的運行狀態。分散式電源母線側的各分散式電源和儲能設備，優先滿足直流母線側負荷，在可以滿足直流負荷，而不足以完全滿足交流負荷對電量或電能質量需求的情況下，部分交流側負荷所需的電能直接由交流母線工供給。

併網模式

電能路由器運行在併網模式分以下兩種:

在分散式電源母線足以維持當地負荷對電能的需求，電能仍有剩餘，電能路由器將富餘的電能通過併網開關，供給大電網;

在大電網處於用電低谷且各分散式電源發電量較小時，市電電網通過交流母線工為交流側負荷供電，直流母線側直流負荷和儲能設備電能的差額通過併網開關由市電電網供應。

控制方法

電能路由器的控制方法是電能路由器實現其功能中最核心的部分之一。為最佳化電能配置、充分地利用可再生電能，電能路由器需要對內部及其附屬的交直流變換器、開關陣列等進行有效地控制。

變換器的控制

就是內部的直流母線的利用簡化了各分散式電源及儲能設備的管理。在電能路由器中，無需對每個分散式電源進行管理，而只需控制交直流母線間的AC/DC變換器及小型柴油發電機。

對每個分散式電源變換器的控制有PQ控制、V/f控制、下垂控制(也稱為Troop控制)三種。PQ控制是通過控制逆變器實現的，使分散式電源的輸出有功功率、無功功率保持在預設定的值。PQ控制適合輸出功率隨機性較大的分散式電源，其目標是實現能源的最大功率輸出。V/f控制適合功率可調電源，在處於孤島運行模式下，負荷變化時，採用V/f控制的分散式電源的輸出電壓、頻率在可調範圍內變化，確保其他分散式電源的和負荷的正常運行。下垂控制是讓逆變器的輸出模擬同步發電機的頻率、端電壓與所輸出的有功功率、無功功率之間的下垂特性。

開關陣列的控制

目前，多分散式電源的控制方法主要有主從控制、對等控制及分層控制三不中。

1}主從控制

主從控制，是指在併網模式下，所有的分散式電源和儲能設備均採用PQ控制模式;而在孤島模式下，一個分散式電源(或儲能設備)作為主控制單元，採用V/f控制，而其他分散式電源作為從控制單元，仍採用PQ控制。主控單元的V/f控制主要體現在兩種情形下，一是電能路由器在併網運行模式和孤島、並行運行模式間切換的時候，二是電能路由器運行在孤島模式、並行模式下，負荷變化的時候。電能路由器由併網運行向孤島運行、並行運行切換時，主控單元由PQ運行模式轉變為V/f運行模式。在電能路由器運行在孤島模式、並行模式下時，作為主控制單元的分散式電源採用V/f控制，當負荷變化時，主控單元調節其輸出端的電壓幅值和頻率，保證電能路由器內部有功和無功功率平衡，使電能路由器運行在新的穩定狀態。

2)對等控制

對等控制，是指電能路由器所連線的分散式電源、儲能設備處於同等地位，每個分散式電源根據接入系統的點電壓和頻率信息進行就地控制。根據發電機輸出的有功功率和系統頻率、無功功率、端電壓的關聯性，調節各分散式電源的電壓和頻率以適應負荷對電能有功和無功功率需求的變化。

在負荷變化時，每個分散式電源通過調節各自輸出端的電壓幅值和頻率，電能路由器內部達到新的穩定工作點。因而，採用對等控制，負荷變化前後系統的穩態電壓幅值和頻率也會有所變化，是一種有差控制。

3)分層控制

分層控制，是將各分散式電源及儲能設備分層次進行控制，下層為上層提供參數信息並接收上層的控制信號。在分層控制中，系統設計上需要有堅強的通信線路。

結合電能路由器混合交直流母線的套用拓撲結構，電能路由器宜選擇主從控制模式。主控制單元一般選擇儲能裝置、容量較大的分散式電源，或儲能設備和容量較大的分散式電源共同作為主控制單元。儲能裝置充放電速度快，易於實現運行模式間的切換，但其存儲容量有限，不可能長期處於充電或放電狀態。因此，儲能系統作為主控單元，電能路由器不可能長時間運行在孤島模式或並行模式。容量較大的分散式電源作為主控單元，電能路由器可以長時間運行在孤島模式或並行模式，但是運行模式間的切換速度慢，容易引起系統電壓、頻率的大幅波動。分散式電源和儲能裝置共同作為主控制單元的控制模式，充分地利用了儲能裝置充放電回響速度快及分散式電源可以長時間運行的優勢。

在電能路由器運行在孤島模式及並行模式下，可以將直流母線視為儲能系統，直流母線作為主從控制模式的主控單元。儲能系統根據分散式電源的總輸出功率和負荷運行功率之差進行充放電，保證系統穩定運行。這樣，電能路由器不僅具有較快的回響速度，而且可以長時間運行在非併網模式。

不同負荷對電能質量的需求不同，按照負荷對電能質量需求的不同，將負荷分為重要負荷和非重要負荷。隨著科技的進步，重要負荷對電能質量的需求不斷增加，供電電壓不穩定或頻繁啟停會產生次品，甚至造成更大的生產事故。而一些非重要負荷，沒有必要使用滿足電網標準的電能。根據非重要負荷對電能質量不同方面的要求，可將非重要負荷大體分為三類 : 1)對電壓穩定性需求不高，如照明等電壓波動對其達到目的不會造成太大影響;2)對供電連續性沒有過高要求，如空調、熱水器等短時間斷性供電不會影響用戶舒適度;3)對供電實時性要求不高，如電動車充電器等，可將其供電時間調整到用電低谷，以起到削峰填谷的作用。

開關陣列對負荷和分散式電源的進行匹配控制，需要採集負荷和分散式電源的用電參數，本文選用電優先權、電容量、電能質量及各電源電價作為負荷的用電參數。

整體設計方案

電能路由器主要由採集輸入、邏輯控制、數據顯示、輸出執行等四部分模組組成。

其中，採集輸入部分主要用於用電設備的電流、電壓、功率、功率因數等點參數的採集，為控制部分提供原始數據。邏輯控制部分通過對原始數據的分析，將邏輯判斷結果輸出給數據顯示部分和輸出執行部分。數據顯示部分的作用主要是使測試更直觀，便於我們監測分析數據。輸出執行部分控制繼電器，合理改變電網結構，以增加可再生能源的有效利用、最最佳化潮流分布，減少線路損耗。

技術展望

電能路由器所需要技術很多，未來的發展方向主要有:

1)針對主幹電能路由器，大功率、高電壓電力電子變換器仍然是主要難題。已有的文獻給出了一些解決方案，不過仍然不夠成熟。可靠性、效率和成本是衡量其能否投入實際工程的主要指標。不過相信隨著新型高壓大電流電力電子器件的商業化，主幹電能路由器將在不遠的將來得以實現。

2)由於中小型電能路由器距離用電消費者更近，其體積和成本是更為重要的因素。相比主幹電能路由器，中小型電能路由器的接口多樣性要求更高，所需的電能形式更豐富，提高內部變換器和元件的利用率是提升功率密度的關鍵。

3)電力電子變換器的模型與傳統同步機有很大區別，對於以電能路由器為節點的未來電力網路，其穩定性問題基本無法沿用之前的同步機理論。因此面對電網中眾多靈活複雜的分散式源和用電設備，其穩定性問題的解決極具挑戰，函需更有效的分析、建模和仿真方法。

4)針對不同級別的電能路由器應選擇不同的通信方式，如何將通信功能與功率部分集成在一起，並使信息傳遞與功率處理在不同工況下均協調工作是實際運行的關鍵。另外，類似於信息網際網路，未來的電力網際網路設備節點數量巨大，需要快速、可靠的路由算法來實現源與負載的快速連線。