低壓配電網(wǎng)的開放式能源路由網(wǎng)絡(luò)*

陳 博， 王世峻， 費(fèi) 斐

(國網(wǎng)上海市電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 上海 200120)

目前，全球溫室氣體過量排放引起氣候發(fā)生變化，導(dǎo)致全球溫度上升、冰川融化等氣候問題，各國正在努力減少碳排放并提高能源效率[1].能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet，EI)是實現(xiàn)該目標(biāo)的有效方法.作為下一代能源管理設(shè)備，能量路由器(energy router，ER)成為EI的核心.能量路由器也被稱為數(shù)字電網(wǎng)路由器，其可以管理一定范圍內(nèi)的電源并分配區(qū)域電源[2-3]，專注于智能電網(wǎng)中的電力使用與需求之間的能源管理.從2015年開始，中國學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界逐步研究能源互聯(lián)網(wǎng)，劉顯茁等[4]開發(fā)了一種六端口的家用能量路由器，其可用于家庭中分布式設(shè)備以及儲能設(shè)備的接入管理；王雨婷[5]設(shè)計了一種三端口雙向能量流動的能源路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其能夠自主控制雙向能量分配；田兵等[6]開發(fā)了一種多接口模塊換能源路由網(wǎng)絡(luò)，其通過分層方式控制本地能源與網(wǎng)絡(luò)能源的切換.由于低壓電網(wǎng)中存在大量的分布式屋頂光伏，新能源的獲取與分配問題將變得十分復(fù)雜.本文研究了ER的結(jié)構(gòu)、路由器網(wǎng)絡(luò)和電力設(shè)備的訪問管理，設(shè)計了一個中等規(guī)模的能源控制系統(tǒng)，同時提出一種帶有網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)的低壓ER，以便在380 V配電網(wǎng)的范圍內(nèi)實現(xiàn)訪問管理和新能源自治.

1 低壓能源路由網(wǎng)絡(luò)

針對分布式新能源的獲取與消耗，本文設(shè)計了一種新型低壓ER，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.假設(shè)ER結(jié)合380 V交流電網(wǎng)與兩類本地設(shè)備，即新能源發(fā)電站和電力負(fù)載.當(dāng)天氣條件合適時，由新能源站產(chǎn)生的電力直接提供給負(fù)載.當(dāng)電力供應(yīng)充足時，多余的電力被輸送到380 V配電網(wǎng)；當(dāng)新能源站不工作時，配電網(wǎng)提供電力負(fù)載；當(dāng)新能量產(chǎn)生的功率不足時，ER將以混合電源模式運(yùn)行.

圖1 低壓ER結(jié)構(gòu)Fig.1 Low voltage ER structure

當(dāng)ER處于低壓電網(wǎng)中時，其可以在EI和傳統(tǒng)380 V配電網(wǎng)的環(huán)境中運(yùn)行.當(dāng)ER連接到EI微電網(wǎng)和廣域EI時，繼續(xù)將電力傳輸?shù)轿㈦娋W(wǎng)和廣域網(wǎng)[7-8].當(dāng)ER連接到傳統(tǒng)配電網(wǎng)時，電力可以轉(zhuǎn)移到380 V電網(wǎng)，但由于傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向流動，無法進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到高壓電網(wǎng)，因此，電源管理應(yīng)僅在380 V配電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行.低壓電網(wǎng)的能源路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

串聯(lián)結(jié)構(gòu)的能源路由網(wǎng)絡(luò)如圖2a所示.其中，每個新的能量站或負(fù)載均連接到兩側(cè)ER，其可以根據(jù)功率平衡的要求，選擇性地將功率傳輸?shù)阶驟R或右ER.同樣，負(fù)載也可以從左ER或右ER獲得功率.串聯(lián)形的能源路由網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了管理能量的能力.

圖2 兩種能源路由網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of two energy routing networks

另一類能源路由網(wǎng)絡(luò)稱為星形結(jié)構(gòu)，如圖2b所示.星形能源路由網(wǎng)絡(luò)可以結(jié)合6組功率設(shè)備，每組功率設(shè)備的角度為60°，故在該結(jié)構(gòu)下，ER的互連能力與配電能力得到了增強(qiáng).此外，由于功率是雙向流動的，因此能源路由網(wǎng)絡(luò)可以間接管理更遠(yuǎn)的新能源站.

2 路由機(jī)制

2.1 單個ER的訪問管理

當(dāng)單個ER運(yùn)行時，有6種功能模式，即啟動模式、操作模式、新能量加入模式、新能量下降模式、負(fù)載加入模式和負(fù)載下降模式[9-11].使用路由矩陣來描述對所有設(shè)備的訪問，即

(1)

式中，n為實際連接到ER設(shè)備的數(shù)量.每個元素的值為1或0，1表示對ER的訪問，而0表示與ER分離.

2.2 串聯(lián)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制

路由矩陣可用于串聯(lián)形能源路由網(wǎng)絡(luò)的功率管理.由于每個ER分別連接到另外兩個ER，因此每個ER具有兩個路由矩陣.與單ER相比，串聯(lián)形能源路由網(wǎng)絡(luò)具有更多類型的路由機(jī)制，實現(xiàn)相鄰路由器之間的功率協(xié)調(diào).圖3為串聯(lián)形路由網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)關(guān)系，其中，ER1具有兩個矩陣A1和A2，ER2具有兩個矩陣B1和B2.

ER1與ER2通過矩陣A2和B1進(jìn)行功率協(xié)調(diào)，一旦A2和B1的值發(fā)生變化，兩個ER將生成指令到相應(yīng)的電子開關(guān).該協(xié)調(diào)具有以下特征：1)A2和B1具有相同的矩陣結(jié)構(gòu)，這意味著其在物理上具有相同的連接；2)矩陣A2和B1中相同位置的對應(yīng)元素不應(yīng)同步為1，即每個設(shè)備只能使用一個ER進(jìn)行訪問；3)根據(jù)功率協(xié)調(diào)的要求，A2和B1的值會影響A1與B2的值.

圖3 路由矩陣的雙向協(xié)調(diào)Fig.3 Bidirectional coordination of routing matrix

2.3 星形網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制

圖4為星形路由矩陣圖.每個ER具有6個路由矩陣，分別對應(yīng)連接到ER的6組功率設(shè)備.與串聯(lián)形路由網(wǎng)絡(luò)相比，星形路由網(wǎng)絡(luò)具有更多的路由選擇[12-14].

圖4 星形路由矩陣圖Fig.4 Star-shaped routing matrix diagram

ER1的矩陣A1與ER2的矩陣B1能夠直接協(xié)調(diào)，而ER1的矩陣A2與ER3的矩陣C1能夠直接協(xié)調(diào).矩陣的連接關(guān)系表明，每個ER與外圍路由器均有直接的能量協(xié)調(diào)(外圍路由器的最大數(shù)量為6個)，由于星形能源路由網(wǎng)絡(luò)高度互連，所以具有更強(qiáng)大的路由功能.

3 模擬實驗

對于上文提到的能源路由網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)從以下3個方面進(jìn)行驗證：1)ER的開放性，可以保證有序接入和退出功率設(shè)備；2)串聯(lián)形能源路由網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動機(jī)制；3)星形能源路由網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)鏈接機(jī)制.

3.1 單一ER

本文設(shè)計的接入部件包括：380 V電網(wǎng)、光伏新能源及直流母線電壓為700 V的負(fù)荷，具體參數(shù)如表1所示.

表1 訪問的設(shè)備和參數(shù)Tab.1 Accessed devices and parameters

單個ER可以自由實施開關(guān)，并快速調(diào)節(jié)功率.切換時所有訪問設(shè)備功率平衡效果如圖5所示.藍(lán)色、綠色和紅色線分別表示380 V電網(wǎng)、新能源和負(fù)載的電流.

圖5 單個ER訪問管理效果圖Fig.5 Access management of single ER

單一ER正常工作矩陣為

(2)

當(dāng)一組光伏電池在第5 s離開ER時，矩陣變?yōu)?/p>

(3)

此刻電流曲線如圖5b所示，一旦新能源站的電流消失，380 V電網(wǎng)的電流就會迅速增加，因此仍可以滿足負(fù)載的功率需求.當(dāng)一組負(fù)載從路由器退出時，路由矩陣的變化類似于式(3)，電流曲線如圖5c所示.

3.2 串聯(lián)結(jié)構(gòu)路由網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)協(xié)作電源的需求，每種新能源或負(fù)載均可以接入左路由器或右路由器.系統(tǒng)仿真電路接線圖如圖6a所示；系統(tǒng)正常運(yùn)行時所有電流曲線如圖6b所示.當(dāng)路由器1中存在一組新能源設(shè)備并被路由器2訪問時，各種被訪問設(shè)備的電流曲線如圖6c所示.可以看出，當(dāng)在第5 s發(fā)生了相關(guān)變化時，路由器1和路由器2的功率分布同步變化.電流的調(diào)整會及時適應(yīng)設(shè)備的變化，從而使功率平衡.當(dāng)一組負(fù)載從路由器1退出并進(jìn)入路由器2時，矩陣將發(fā)生變化，電流曲線變化如圖6d所示.

圖6 串聯(lián)形ER的聯(lián)動機(jī)理Fig.6 Linkage mechanisms of series-shaped ER

3.3 星形路由網(wǎng)絡(luò)

3個路由器的星形網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)大的鏈接，因此可以靈活地促進(jìn)電源在網(wǎng)絡(luò)中的分布.星形ER仿真電路接線圖如圖7所示，共有3個路由器的15條測試線.每個路由器的5個測試點(diǎn)均已繪制，以進(jìn)行清晰演示.

圖7 星形ER仿真電路接線圖Fig.7 Wiring diagram of star-shaped ER simulation circuit

在第5 s中，新能源2由路由器2處加入，并切換到路由器3，從15個測試點(diǎn)中提取5個點(diǎn)進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖8所示.

圖8 新能源路由器切換Fig.8 Switch of new energy routers

在第5 s中，負(fù)載由路由器1處加入，并切換到路由器2.此時，5個測試點(diǎn)的變化情況如圖9所示.

圖9 負(fù)載路由器切換Fig.9 Switch of load routers

由仿真可以看出，ER3并未發(fā)生任何變化，但路由器1、路由器2在設(shè)備訪問方面有所變化，設(shè)備在兩個路由器之間進(jìn)行切換，可以重建電源平衡.

4 結(jié) 論

針對新能源的評估與消耗問題，本文提出了ER的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計，并通過ER的互連為低壓配電網(wǎng)設(shè)計了兩種路由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?此外，通過單個ER、串聯(lián)和星形能源路由網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)電源管理.建立路由矩陣及其應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)對所訪問設(shè)備的管理.盡管本文在電源管理中提出了路由機(jī)制，但在未來的研究中仍需繼續(xù)研究控制精確度問題；其次，當(dāng)路由矩陣應(yīng)用于串聯(lián)和星形網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)考慮兩個相鄰矩陣之間的作用機(jī)理；最后，由于儲能裝置僅用于補(bǔ)償直流母線電壓，因此應(yīng)針對直流電壓的穩(wěn)定性，詳細(xì)研究補(bǔ)償算法.