能源互聯微網架構及實現

羅宇強，謝錫鋒

(廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023)

0 引言

由于傳統化石能源具有不可代替性，而經濟的不斷增長，人類的活動對能源需求量卻不斷增大，導致傳統能源日益枯竭，進而出現了能源危機。為使人類活動所需的能源結構可持續發展，必須改變能源供需體系，促使能源行業的轉型升級，由此以風能、太陽能為代表的可再生能源電站逐漸成為能源領域的重要發展方向[1-3]。近年，我國的風能、太陽能電站裝機容量速度增長很快，根據國家“十二五”規劃，至2020年，我國的風力發電站的裝機容量達2×108kW，太陽能光伏電站裝機容量達5×107kW，這些可再生能源電站本地不能全部消納，必須采用集中建設開發外送至負荷中心地帶。另外一種可再生能源電站則建設在近負荷地區，以分布式電站形式就近消納。因此，分布式電能具有“就地收集，就地存儲，就地使用”的特征，其高效利用的優勢受到了各國政府、企業和研究院所的持續關注[4-6]。

可再生能源的出現，使得能源結構多樣化，為充分利用多種能源，能源互聯網(Energy Internet)應運而生。能源互聯網是利用互聯網技術來實現能量和信息的流動，其網絡主要是以可再生能源作為主要能量單元，并將各類能源網和運輸網互聯，形成多能源的新型混合能源供用體系[7-8]。由于能源互聯網具有廣泛互聯、開發互動、網架堅強和高度智能的特征，使其受到眾多專家學者的關注和研究。

本文從能源互聯網架構出發，分析能源互聯網的技術特征和內涵，著重分析能源互聯微網的組成及其在能源互聯網的重要作用，并以能源互聯微網的3層結構為研究對象，提出能源互聯風光儲微網與主動配電網的連接架構，完成校園能源互聯微網的硬件和軟件系統搭建及實現，驗證本架構的有效性。

1 能源互聯網內涵

1.1 技術特征

(1)互聯性。能源互聯網的互聯性主要體現在其連接的資源是廣泛的，可將國家甚至全球范圍內的能源碎片通過能量網絡實現互聯，能量網絡可以是電能網絡，也可以是其他形式的能源網絡。既可以是專門生產電能的發電能源設備，也可以是負荷中心的分布式能源設備，其互聯形式是將這些能源生產、網絡運營、分散發電和用戶構成一個協同運作的系統。

(2)開放性。能源互聯網所構成的多能源互聯網絡是一個對等開發的平臺，在各個層級和緯度上均具備網絡接口，可無歧視地接受多種類型能源網絡連接，多類型能源不僅包括傳統能源，還包括可再生能源在內的各種清潔能源。多類型能源的接入使得能源生產者和使用者雙重身份合二為一，提升了用戶的參與度，實現生產者與用戶的資源共同參與和雙向互動。

(3)高效性。在能源互聯網構成的能量網絡中，既包括專門生產電能的生產者，還包括分布在用戶側的多種類型能源，可接納能源的發電和消納，實現即插即用，甚至可將其他形式能量，如氫能，傳送至所需用戶；能源網絡的互聯性提高可再生能源的滲透率，實現大規模的儲能應用，提高能源利用效率。

(4)協同性。能源互聯網的多類型能源運行是協同進行的，不僅包括能源生產規劃建設的協同，還包括中間傳輸過程和終端利用方面的協同。在區域性的能源互聯網中，可實現熱、電、冷多能源的協同優化運行。對于電網調峰功能，在能源互聯網的多源融合結構中，可采用電生天然氣(P2G)技術實現。

圖1 能源互聯網架構

(5)安全性。能源互聯網所互聯的是一個關系到每一個人衣食住行的能源網絡，這些網絡包括電能網絡、交通網絡、天然氣網絡等，均是國家關鍵網絡，因此，必須把網絡基礎設施的安全性擺在第一位；能源互聯網構建的網絡龐大，跨越不同地域和地區，受環境影響較大，必須具備高可靠性，如電能網絡發生故障時，系統能夠快速及時的反應動作，保證整個網絡的安全可靠運行。

1.2 能源互聯網具體內涵

能源互聯網的能源網絡包含電能網絡、天然氣網絡、氫能網絡以及電氣交通網絡，其中電能網絡是能源互聯網的主干網絡，融合了互聯網技術、智能電網技術和可再生能源技術，形成多能源、多主體的共享網絡，構成“智能電網+可再生能源+互聯網”模式，實現多能源的清潔生產、傳輸、利用和服務，如圖1所示。

總的來看，能源互聯網與智能電網不同，它可以說是智能電網的拓展。能源互聯網中不僅包含作為基礎主干網絡的電能網絡，還拓展到其他類型能源網絡，是一個廣泛的能源系統范疇。能源互聯網不再是電能網絡單純物理上的連接，而是包含了多類型用戶、各類市場主體部分，組成信息互聯網絡。所接入的分布式能源不僅是分布式電能，還有各種類型的分布式能源；接入的新能源汽車既有純電動的，也有氫能的。能源的存儲不再局限于電能，利用P2G技術和氫能源，可進行多種類型的能量存儲，進一步拓展并實現大規模的電能存儲。能源市場交易多樣化，不僅僅是電能的市場交易，還有多類型能源配額、用戶資源調度等方面。

2 能源互聯微網架構及實現

2.1 能源互聯微網架構

能源互聯微網是將區域性的能源生產設備、能源消耗設備和能源存儲設備以某種結構進行連接的網絡，是能源互聯網的重要組成部分，也是可再生能源接入的關鍵接口。能源互聯網微網具有并網運行和離網運行2種模式[9]，可視具體情況切換運行模式，以保證自身安全可靠運行。能源互聯微網在區域級能完成自身多能源協同運行，使得電能保持穩定輸入和輸出，且對主網不產生影響，避免了網絡內不同設備對主網的擾動。

能源互聯微網是區域性能源系統集成，包含了發電發熱裝置、分布式可再生能源和分布式儲能系統，為實現網絡的安全可靠運行，達到能源合理分配和管理目的，采用能源路由器、能源交換機和能源接口將多種能源系統進行互聯[10]，從而提高能源使用的效率。因此，根據能源轉化和傳輸特點，可將能源互聯微網分為3個層次：1是能源交換層；2是能源接口層；3是能源路由器層，如圖2所示。

圖3 校園能源互聯微網系統結構

圖2 能源互聯微網3層結構

能源交換層主要實現不同類型能源交換，可分為非電能-非電能的能源交換、非電能-電能的能源交換、電能-電能的能源交換。能源交換層為整個能源互聯微網提供能源相關信息，如熱能的生產、消耗和存儲，電能的輸入、輸出和存儲，其他形式能量的消耗和存儲等，以實現對能源系統的全局可控，從而能夠合理分配能源互聯微網的能源生產設備、能源消耗設備和能源儲能設備的運行。

能源互聯微網是以電能網絡為基礎的能源網絡，能源接口層主要實現各種類型能源裝置接入電能網絡，包括直流電能接口和交流電能接口。能源接口需具有設備的識別、設備的狀態監測、通信和控制等功能。能源接口中電能轉換部分應具備能量雙向流動功能，其結構可以是直流/交流(DC/AC)電能變換裝置、直流/直流(DC/DC)電能變換裝置和交流/交流(AC/AC)電能變換裝置，同時應內嵌有數據采集和監測模塊、通信和控制模塊以及執行模塊等。

能源路由器層以能源路由器為主要核心設備，能源路由器主要實現能源互聯微網與其他網絡的物理通信連接，也是將能源互聯微網接入廣泛能源互聯網的關鍵設備。能源路由器除了具有能源變換模塊外，還應具有能夠使能源互聯微網離網運行模式和并網運行模式切換的智能控制模塊，同時，為保證系統安全、穩定和可靠運行，應配有故障檢測模塊和通信模塊。因此，能源路由器具備的功能有能源調度、能源生產與消耗預測、故障隔離等。

當能源互聯微網處于并網工作模式時，根據上級電網的要求和自身內容能力需求情況，能源路由器通過多種工作狀態切換方式，智能協調控制電能生產、分配和輸出，此時，能源路由器主要作為一個恒定功率源，向主干電能網絡輸出功率或輸入恒定的有功、無功功率；當能源互聯微網處于離網工作模式時，能源路由器主要對能源互聯微網內的多能源系統進行智能調控，并對能源互聯微網的電壓和頻率進行穩定控制，使能源互聯微網保持穩定、可靠運行。

2.2 能源互聯微網的實現

根據能源互聯微網的結構特點，以廣西水利電力職業技術學院為載體，搭建了校園能源互聯微電網。此能源互聯微網通過能源路由器與學院電網、主動配電網系統進行硬件互聯，因系統連接范圍較大，難以通過實物形式展現，特提供此能源互聯微網系統架構圖，如圖3所示。

本案例的能源互聯微網由風力發電系統、太陽能光伏發電系統、儲能系統、火電/水電發電機組、交直流充電樁、能源路由器和多種交直流負載構成。本能源互聯微網提供了3種不同電壓等級的能源接口：400 V直流接口，380 V三相交流接口，220 V單相交流電壓接口。儲能及變流系統、直流負載通過直流接口掛在400 V直流母線上。380 V三相交流母線掛有太陽能光伏發電系統、火電/水電發電機組和三相交流負載。風力發電系統、太陽能光伏發電系統和單相交流負載則掛在220 V單相交流母線上。通過能源路由器，將本能源互聯微網、學院主動配電網，以及校園主網3者連接，同時實現信息交互和協調控制。

本能源互聯微網中，能源路由器主要完成能源互聯微網與校園電網、主動配電網的電能交換和能源協調控制。能源接口則將多能源各個設備接入網絡。能源交換機則變換與控制各個能源系統的電能輸入輸出，實現了能源互聯微網的3層架構，并對各層級進行協調分級控制，完成能源轉換與調度。

能源路由器是本能源互聯微網的重要設備，通過系統的運行，能源路由器在發電/負荷預測的條件下，可控制儲能系統在功率允許范圍內快速充放電，當所變化的功率超出儲能快速調節允許的范圍時，儲能系統能夠給能源路由器反饋信號，使得能源路由器能夠提前協調能源互聯微網的電能生產設備和負荷功率，實現能源互聯微網與電網的功率平穩交換。

為更好地監測能源互聯微網的運行狀態，搭建了能源互聯微網軟件監控系統，以監測能源互聯微網各個設備運行狀態以及功率傳輸情況。

3 結束語

能源互聯網是以電能網絡為主干，其他能量形式網絡互聯的廣泛性系統，采用先進信息技術和可再生能源技術，通過智能控制策略達到多能源協調控制目的。本文對能源互聯微網架構進行了詳細分析，闡述了能源互聯微網3層架構模式，使能源互聯微網更好與主網絡相連。建立了校園能源互聯微網，對能源互聯微網進行分析研究，實現了能源互聯微網3層架構系統，體現用戶的主動交互性和分布式電源的獨立參與性功能，使得能源互聯微網與主電網平穩交互。

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