能源互聯網背景下的能源交換集控中樞形態與架構探討

徐輝，秦鳴泓，夏天，劉峻，李葉鵬

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能源互聯網背景下的能源交換集控中樞形態與架構探討

徐輝1，秦鳴泓2，夏天1，劉峻1，李葉鵬2

（1.國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

隨著分布式可再生能源、儲能和多種負載的接入，傳統的配電網將逐漸難以滿足能量多向流動和主動功率調控的要求。為了滿足未來能源互聯網對能量和數據雙向流動的管理，提出了一個全新的概念——能源交換集控中樞，對其功能、要求和實現方法進行了分析。

能源互聯網；能量多向流動；主動功率調控；能源交換集控中樞

傳統配電網“一對多”的能源傳輸架構隨著家庭式光伏、電動汽車和分布式儲能的推廣逐步在向“多對多”轉變。在能源互聯網，“電源”與“負載”的關系將不再固定。以家庭式光伏為例，白天，光伏裝置產生的電能不僅可以供用戶自己使用和儲存在儲能中備用，過剩電能還可以向電網出售，供給電網中的其他電能使用者；夜晚，光伏裝置停止工作，電網和儲能則又承擔了電源的工作。眾所周知，傳統電網中潮流是不可控的。因此，如何在能源互聯網中實現能量的精準調度，即每個關鍵節點都具備能量的主動調度能力，成為了能源互聯網實現的重點。

1 能源交換集控中樞的概念

國內外學者普遍認為，未來電網將在局部消納的基礎上，以微網、智能小區為自治單元，形成自下而上的能量單元的互聯[3]。但至今還沒有一個統一的、能夠對單個或多個微電網進行統籌管理的控制系統被提出。為了滿足未來能源互聯網對能量和數據雙向流動的管理，本文提出一個全新的概念——能源交換集控中樞。能源交換集控中樞是一種融合了先進的電力電子技術和信息技術，能對分布式能量的分配和傳輸進行高效管理和實現的集中控制系統。它的含義包含以下兩個方面：①硬件方面。能源交換集控中樞具有能夠實現多種分布式能源交換傳輸的大功率電力電子設備以及各個接口的監測和執行裝置等。②軟件方面。能源交換集控中樞具有完整的一套管理和控制系統，該系統功能包括監視系統各功能模塊，可實時讀取高速、雙向的能源供需數據，為分布式可再生能源裝置、儲能裝置和負荷提供接入管理，并實時實地控制其實現“即插即用”功能。

借助先進的電力電子技術，能源交換集控中樞可以提供多種形式的電氣接口，包括直交流形式、不同電壓等級等，以滿足風光儲等不同電氣設備接入的需要；同時，各個接口能量流的大小和方向在電力電子的高可控性也得以精確控制，為能源互聯網的實現提供了技術基礎。而借助信息技術，能源交換集控中樞得以實現自律運行。只需要人為地對集控中樞發送較長時間的運行標準參數，比如電壓偏差允許范圍、頻率偏差允許范圍、電能質量要求等，能源集控中樞就能借助其內嵌的算法和程序實現所管轄微網的自主安全運行。同時，輔以相應的監測和執行設備，集控中樞各個接口的狀態也能得以精準控制，分布式能源、儲能和負荷可以實時接入并投入運行，且局域網較短時間內可以恢復到穩態。

2 能源交換集控中樞功能和要求

為了滿足參與能源交換的不同設備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態上需要提供多種電氣形式的接口，如直流600 V、交流220 V等。根據所連接設備的不同性質，接口所具備的功能也應有所區別。對于單純的負荷，中樞接口往往只需要能量輸出功能；而針對分布式光伏和風機的接口，則只需要具備能量吸收功能，同時為了更高效地利用分布式能源，往往還可以利用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術。而部分接口，比如連接儲能的接口，則需要具備能源的雙向流動能力。能源交換集控中樞需要為分布式可再生能源、儲能和負荷提供接入管理，并實時實地控制其實現“即插即用”功能。這需要集控中樞能夠對所接入的設備進行識別，并通過既定的通訊協議給予插入設備一定權限，以進行設備與中樞之間定額定向的能量交換。因此，集控中樞的每個接口都需要同時安裝功率端口和通信端口，通信端口對功率端口起指揮作用。能源交換集控中樞能根據人為預設的優化參數實現管轄區域網內的自律運行。這不僅要求集控中樞能夠控制局域網內電氣設備的能量流動和進行系統狀態監測，與此同時，在發生突發情況時，比如檢測到主系統故障或電能質量不達標時，局域能源交換集控中樞也要依據內嵌的指令和程序，做出自動快速的響應，比如切換成孤島運行狀態，以保證所管轄局域網內電能質量不受波及、持續穩定運行。因此，能源交換集控中樞還需要一個智能能量管理系統，能夠根據系統所預設的程序在檢測到特定情況時執行指定的流程操作，以保證局域網內部的穩定。

3 能源交換集控中樞等級分類

根據我國配電網的不同等級，能源交換集控中樞大致可分為主干集控中樞、區域集控中樞和家庭集控中樞三類。

3.1 主干集控中樞

主干集控中樞功能大致相當于變電站，能量的流動方向相對而言較為簡單。它通常適用于10 kV電壓等級，傳輸功率可達兆瓦以上，可實現較大區域范圍內的配電工作。大部分情況下，主干集控中樞的工作都是將能量向下一級配電網分配，能量流動是單相的。而在大規模可再生能源發電區域，主干集控中樞的功能則主要是由低壓側向主干配電網反饋能量。

除了能量流動的基本功能外，主干集控中樞還需要具備故障隔離功能。當局域網內出現運行故障時，主干集控中樞能及時切除所連接的該局域網，將故障隔離，以免波及主網。同時，在檢測到局域網內部電能質量較差時，主干集控中樞能自動投切無功補償裝置來對局域網電能質量予以改善。而在主干網電能質量較差時，主干集控中樞應該同樣能予以支撐。這也相當于對當今的統一潮流控制器和無功功率發生器功能予以高度集成。

3.2 區域集控中樞

區域集控中樞通常應用于380 V電壓等級的小型地域和樓宇的配電管理，功率從百瓦到兆瓦不等。相比于主干集控中樞，區域集控中樞因為分布式光伏、儲能和負荷的接入，能量流動的方向更加復雜，也需要提供更多類型的電氣接口，并配以更加靈活的管理策略。

作為較小區域內的能量管理中心，區域集控中樞需要具備較為完善的電能質量調節能力。當監測到局域網內電壓較低、無功不足時，經過補償容量計算，區域集控中樞可以自動投切相應大小的電容器，從而對系統無功進行補償；當監測到局域網內有功不足、頻率偏差較大時，局域集控中樞可以自動投入儲能來對局域網進行支撐。在后者主網出現嚴重故障的情況下，局域集控中樞有權徹底切斷與主網的連接，轉入孤島運行模式，由分布式光伏和儲能供電，實現局域網內獨立穩定運行。這同樣也完成了區域內銀行、醫院等重要負荷的不間斷供電（uninterrupted power supply，UPS）。

3.3 家庭集控中樞

家庭集控中樞，顧名思義，是安裝在家庭入網接口處對整個住戶的電氣設備進行能量管理的集中控制設備。家庭集控中樞通常適用于單相220 V電壓等級，最大能量功率大多不超過20 kW。但由于家庭用電設備的多樣性，家庭集控中樞需要提供的接口形式是最為復雜的。

與局域網的能量調度相同，家庭微網的調度同樣有3種情況：從局域網中吸收電能，向局域網輸出電能，以及必要情況下脫離局域網形成自給自足的微網系統。未來電網中，家庭將是分布式能源的主要參與者。隨著屋頂光伏、電動汽車和儲能的推廣，家庭內部將形成一個家庭微網，必要時甚至可以實現較長時間的獨立自主運行。此時，家庭集控中樞作為家庭微網的主管者，必將發揮其不可忽視的作用。

為了實現家庭微網內的各個電氣設備能量流高度可控，需要在每個電氣設備內植入通信裝置和控制器。在此情況下，家庭集控中樞在監測家庭微網運行狀態的同時，還能對分布式光伏、儲能、電動汽車等設備充放電功率予以調整，以維持家庭微網電能質量的穩定。

4 物理框架與功能實現

分布式發電裝置、儲能裝置、負荷等具有不同的出力類型（直流或交流）、電壓等級、功率等級、電能質量要求。為了滿足參與能源交換的不同設備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態上需提供多個電氣形式的接口。針對這一問題，國外早有學者提出了固態變壓器（SST）的概念[4]。與傳統變壓器不同，固態變壓器還集整流、逆變為一體，便于各種形式的分布式能源、儲能裝置和負荷的“即插即用”[5]。在輔以通信設施后，還能夠實現能量和信息的雙向流動。因此，在硬件上，可將固態變壓器作為能源交換集控中樞的物理實體組成部分。固態變壓器電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 固態變壓器電路拓撲結構圖

固態變壓器本質上是一個三端口的電力電子器件，包含一個高壓AC/DC整流模塊（可以將高壓工頻交流電整流成為高壓直流電），一個高頻（1～10 kHz）DC/DC直流變換模塊（由一個整流橋、一個高頻變壓器和一個逆變器組成）和一個低壓DC/AC逆變模塊（可以將低壓直流電逆變為低壓工頻交流電）。

相比于傳統變壓器，固態變壓器的主要優勢在于其先進的電力電子特性。借助高頻率的電力電子開關，能量可以實現在多個不同電壓等級的接口間的自由多向流動。另外，該系統具有高、低壓交流側的電能質量調節功能，包括諧波改善、無功補償和電壓支撐等。因此，在物理層面上，多端口多電平的固態變壓器可以滿足本文設計的能源交換集控中樞對于可再生能源交換的要求。

5 集控中樞智能能量交換管理系統

綜上所述，本文所定義的集控中樞既是能夠實現多種能源交換傳輸的裝置實體，又是一套能夠實現信息流傳遞的管理軟件，討論了能源交換集控中樞的物理結構后，還應該對集控中樞輔以智能決策和控制單元來執行特定的程序和調度算法，一方面監控電力局域網的狀態；另一方面，根據上級調控中心的指令和當前網絡狀態進行主動功率調配。在此情況下，集控中樞不僅在物理層面上實現了功率流的傳遞，還能夠主動根據全網運行情況進行智能功率調控，相當于擁有了“大腦”。集控中樞能量交換管理系統如圖2所示。

圖2 集控中樞能量交換管理系統

同時，集控中樞能量交換管理系統與云平臺大數據結合，在執行監測狀態和自動上報等基礎功能的同時，還具有歷史信息綜合查詢、大數據出力預測和負荷預測、風電光伏設備性能評價分析等功能。同時，其云平臺客戶端可以向用電企業和消費者提供電能交易、新能源配額交易、分布式電源及電動汽車充電設施監測與運維等多種新型業務。

6 結論

為了滿足未來配電網對于電能管理的靈活要求，本文提出了能源交換集控中樞這一新的概念，然后對集控中樞的功能、要求和實現方法進行了分析。固態變壓器輔以能源交換管理系統，可以作為能源交換集控中樞的實現方向。可以預見，能源交換集控中樞對于未來能源互聯網的構建將提供一個良好的解決方案。

［1］Corzine，K.A. Energy packets enabling the energy internet［C］//Power Systems Conference（PSC），2014.

［2］宗升，何湘寧，吳建德，等.基于電力電子變換的電能路由器研究現狀與發展［J］.中國電機工程學報，2015，35（18）：4559-4570.

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［4］高樹順.基于互聯網結構的能源微網控制系統研究［D］.上海：東華大學，2013.

［5］李昊.基于FREEDM結構的能源微網控制系統的研究［D］.濟南：山東大學，2016.

2095－6835（2019）02－0027－03

F426.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.027

〔編輯：張思楠〕