戶用型能量路由器的微電網應用技術

協鑫集團設計研究總院 ■ 陳敏 李義強 田浩 葉明軍

0 引言

能源互聯網是在現有能源供給系統與配電網的基礎上，通過先進的電力電子技術和信息技術，融合新能源技術和互聯網技術，將大量分布式能源采集裝置和分布式能源儲存裝置互聯起來，實現能量和信息雙向流動的能源對等交換和共享網絡[1]。與此同時，為了保證在新能源電力接入滲透率過高的情況下電力系統的安全穩定運行，必須將大量的分布式新能源電力就近安排在負荷側，并配以儲能系統、能量管理系統等形成電網滲透率可控、能源就地消費的微電網系統。能源互聯網中，需要由能量路由器(E-Router)作為關鍵核心設備，以實現多種形式能量的協調管理、分布式可再生能源的高效利用，以及保障電網的安全可靠運行[2]。微電網的最小單位是戶級，因此能量路由器的最小單位也是戶級。以合肥陽光為代表的新能源設備生產廠家根據以上背景研發了基于戶級微電網的戶用型E-Router，實現了戶級的能源自治管理，并能與上一級微電網系統或配電網系統無縫切換，在并網模式或離網模式可靠工作。

1 戶級微電網系統

在眾多微電網系統中，戶級微電網系統是一類非常特殊的系統，其建立在以家庭為單位的家庭級能量管理基礎之上，是微電網概念可拓展到的最小單位，同時可滿足家庭分布式電源、負荷、儲能、上級電網的接入，實現各類能源與負荷間協調控制，并、離網無縫切換，以及與上一級微電網的統一管理。

在這樣的系統中，戶用型E-Router承擔著最重要的角色，它不僅接入了戶級能源的所有供給設備和消費設備，而且可獨立完成對這些設備的控制和管理，真正具備“掛網后不管”的能力，成為配網末梢的能源管家。

圖1集中展示了戶級微電網系統的結構，在戶級的應用中，可實現一、二類負荷的分離控制，把涉及到安全方面的照明等負荷歸為一類負荷，其他負荷歸為二類負荷。一類負荷在電網斷電時仍可由儲能設備供電，二類負荷隨著戶級微電網與電網的分離而斷電。分布式新能源以光伏為典型設備，一般一個戶級的家庭可安裝3～5 kW的光伏組件作為戶級微電網的發電設備；考慮經濟性，儲能設備的配置一般滿足一戶家庭滿負荷工作0.5 h為宜，容量在3 kWh左右；與電網的連接由塑殼斷路器完成，主要起到快速并、離網切換和手動分合電網電源的功能。戶用型E-Router承擔著光伏出力、儲能管理、開關控制等所有電氣設備的監視控制任務，在戶級能量自治的前提下，同時接受上級微電網管理系統或配電自動化系統的統一調度管理。

在戶級微電網系統中引入了戶用型E-Router，因其本身集成了微電網各項控制策略和開關、繼電器等終端設備，并能有效監視管理儲能設備，在電網失電或發生故障時能有效地無縫切換到離網工作模式，并能在離網運行時實現戶級能源自治，所以在實際應用中，可與上級微網系統進行通信互動，也可直接接入配網獨立運行，解決了能源互聯網中戶級能源離網運行獨立控制和數據采集上送兩大問題。

2 戶用型能量路由器

在能源互聯網中，E-Router的主要任務是調整能量的流動和進行實時的信息傳遞[2]，簡言之，就是實現了“一次能源可控，二次數據可送”的功能。不同節點位置的E-Router具有不同的功能和運行目標[2]，干網型的E-Router是基于調整電力系統部分節點的網絡參數而實現能量流的人為可控，使能量流的行走路徑達到電網設備負載可接受的程度；戶級終端用戶所需配置的戶用型E-Router承擔控制光伏、儲能出力，協調與電網間功率和能量交換率的職責，其一般形式是采用基于多端口變換器(MPC)技術和基于電力線通信(PLC)技術進行能量及信息的變換和傳輸。

2.1 基于MPC技術的戶用型能量路由器

戶級配電系統中，一般通過MPC來實現“源-網-荷-儲”之間的能量轉換。文獻[3]設計了由DC/DC基本拓撲構成的多端口雙向DC/DC變換器，如圖2所示，通過多路DC/DC變換電路、多路DC/AC逆變電路，實現戶級負載與光伏出力、儲能出力及電網間的能量平衡；同時，系統配置有獨立的通信接口、儲能設備及上級控制系統實時通信。

圖2 基于MPC的戶用型E-Router

基于MPC技術的戶用型E-Router是目前主流新能源生產廠家的實用產品，其多端口變流器能實現光伏發電和儲能的接入，其余功能與文獻[3]所述樣品一致。如此配置主要是到考慮國內的實際情況，在大部分地區，使用微電網的家庭不具備風力和燃料電池等新能源資源，因此，只接入光伏發電的簡潔配置既降低了設備運行的技術風險，又能滿足絕大部分地區戶級微電網建設的實際需求。

2.2 基于PLC技術的戶用型能量路由器

能量與信息在基于MPC的戶用型E-Router中是分線/獨立傳輸，而在基于PLC的戶用型E-Router中是共線/耦合傳輸的[4]。PLC技術是將信息數據通過調制的方式，耦合敷載于電力工頻波之上，通過電力線路同時輸送工頻波和載波，在末端通過解調的方式將工頻波和信息載波分離，一條線路達到同時輸送能量和信息的雙重目的。然而這類PLC技術僅圍繞電力傳輸的同時數據通信技術研究，卻無法實現電能的多路徑流向傳輸[4]。

文獻[5]針對家庭能量管理系統提出了基于PLC技術的時分復用調度方案，并通過實驗驗證了該系統的可行性。該系統的電源端將工頻波和信息集中調制打包，形成帶地址標識的能量數據復合包，然后Mixer通過時分復用方式進行線路傳輸；復合包傳輸到E-Router后被解調，再根據原編碼的地址信息將能量和數據分別分配到相應的目標地址。由于同一電能分時傳送的時間間隔會加劇分布式能源所發電能的間歇性和不穩定性，所以需在負載端配置一定容量的儲能來改善電能質量。

圖3 基于PLC的戶用型E-Router

該項技術在國內尚屬前沿技術，目前國內生產廠家并無對標產品，因此本文以下所述內容均基于使用MPC技術的戶用型E-Router，暫不涉及使用PLC技術產品的討論。

2.3 戶用型能量路由器的運行控制

戶用型E-Router通過合適的控制策略，能對戶級微電網系統的并網狀態、離網狀態，以及并網轉離網、離網轉并網的無縫切換過程進行有效控制，保證家庭用戶在各種狀態下的安全可靠用電。以下對其控制策略進行具體分析：

1)P/Q控制：戶級微電網完全由戶用型E-Router與電網接口，其最基本的功能就是控制輸出的有功功率和無功功率。P/Q控制是指E-Router能夠實現有功功率和無功功率，而其參考功率的確定則是其功率控制的前提。戶用型E-Router容量極小，在并網運行時可以考慮使用恒定功率方式進行并網，其電壓和頻率由電網剛性支撐，E-Router不考慮頻率調節和電壓調節，僅發出或吸收功率。這樣的控制策略能有效避免其直接參與電網的頻率電壓調節，減小電力系統對于分布式間歇性能源的負擔。

2)U/f控制：U/f控制是指E-Router輸出穩定的電壓和頻率，確保離網運行中其他從屬電源和一類負荷繼續工作。由于戶級孤島容量有限，一旦出現功率缺額，需要切除二類負荷，以確保一類負荷的工作，因此，U/f控制要能夠響應跟蹤負荷投切[6]。在E-Router本身具備多路負荷投切回路的情況下，U/f控制適合戶級微電網離網運行時的控制。

3)Droop控制(下垂控制)：Droop控制是模擬傳統電網中發電機的下垂特性，根據輸出有功和無功的變化，控制電壓源E-Router的輸出電壓和頻率[6]。此種策略可同時工作在并網或離網模式，雖因負載的投切會有電能質量微量跌落，但對于戶級微電網而言，考慮其無縫切換的能力，不失為一種合適的控制策略。

4)并網轉離網：配電網出現故障或進行計劃性孤島操作時，首先由E-Router斷開并網開關，同時二類負荷隨即切除。主電源考慮維持Droop控制不變或由P/Q工作模式切換到U/f工作模式，為一類負荷不間斷供電。

5)離網轉并網：微電網離網運行時，E-Router監測配電網供電恢復或接收到上級微電網能量管理系統(也可為配網自動化系統)結束計劃孤島命令后，準備并網，同時準備為切除的負荷重新供電；此時，若微電網滿足并網的電壓和頻率條件，閉合已斷開的并網開關，重新為負荷供電；然后E-Router持續工作在Droop控制模式或由U/f工作模式切換到P/Q工作模式，進入并網運行。

2.4 通信調度

由于微電網系統的分層分布特性，在戶級微電網的上一級往往配置有樓層級或樓間級的微電網系統。因此，與上一級微電網的通信互動，接收上一級微電網的統一調度或戶間能量互動成為必須。通信調度的主要內容包含以下幾個關鍵部分：

1)上級微電網系統應以安全、經濟、穩定為原則，根據電網的預測值給E-Router下發功率調節、發電計劃、運行模式命令，從而使戶級微電網成為配電網的可控單元[6]。

2)E-Router應通過對用戶終端的狀態檢測和信息采集，協調控制功率分配，穩定輸出電壓和頻率。上級微網系統制定出穩態計劃，E-Router負責暫態控制。

3)用戶層的儲能設備通過CAN或RS485總線與E-Router相連，能實時監控電池的工作狀態，為發出合適的控制指令提供可靠的保障。

3 戶用型能量路由器的應用意義

作為能源互聯網技術的末梢，同時也是微電網技術的關鍵設備，戶用型E-Router的應用意義主要有如下幾個方面：

1)集成了光伏逆變器、儲能變流器、負荷控制器、并網控制器的功能于一體，在一次結構上避免了線路的重復搭建，減少了設備數量，節約了成本和安裝空間。

2)由于系統的集成，原本需搭建的外部通信網絡大幅簡化，E-Router只需保留與電池系統和上級微電網系統的通信接口，其余通信均由內部總線完成，提高了通信速率和可靠性，為戶級能量自治控制提供了快速準確的通信條件。

3)實現了與電網間并、離網狀態的無縫切換，最大限度地提高了家庭用戶的供電可靠性，并在儲能設備的幫助下能夠保證家庭用戶在電網失電時依然可以享有照明、影像等設備的供電服務。

4)其微電網自治的特點真正實現了“掛網后不管”的功能，即使在普通分布式并網環境下，亦具備快速安裝、接線簡單、工作可靠的特點。

4 結語

能源互聯網技術和微電網技術方興未艾，E-Router在此背景下的大量應用已成必然之勢，在電力系統干網未大量采用之前，微電網推廣建設應運而生的戶用型E-Router的應用技術成為能源互聯網技術革命的排頭兵，解決了在配網末梢因大量分布式能源的配置而引起的電網安全可靠運行及分布式能量管理問題。隨著新興技術的研發和推廣，戶用型E-Router會向更多種分布式能源接入、能量數據耦合PLC傳輸等新技術方向發展，前景向好。本文所述的戶用型E-Router，已解決了戶級“能量可控、數據可送”的應用技術，隨著更先進理論和技術的引用，戶用型E-Router應用技術也將向更快、更準、更高技術層次的目標推進。

[1]沈洲,周建華,袁曉東,等.能源互聯網的發展現狀[J].江蘇電機工程,2014,(1):81－84.

[2]陳靜鵬,余志文,艾芊.面向能源互聯網的能量路由器研究[J].電器與能效管理技術,2015,(24):10－15.

[3]Tao H,Kotsopoulos A,Duarte J L,et al.Family of multiport bidirectional DC-DC converters[J].IEE proceedings-Electric Power Applications,2006,153(3):451－458.

[4]郭慧,汪飛,張笠君,等.基于能量路由器的智能型分布式能源網絡技術[J].中國電機工程學報,2016,36 (12):3314－3324.

[5]Gungor V C,Sahin D,Kocak T,et al.Smart grid technologies:Communication technologies and standards[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2011,7(4):529－539.

[6]李富生,李瑞生,周逢權.微電網技術及工程應用[M].北京:中國電力出版社,2013.