低壓配電網(wǎng)的開放式能源路由網(wǎng)絡(luò)

　　摘要：針對(duì)低壓配電網(wǎng)內(nèi)能量路由網(wǎng)絡(luò)的訪問管理與能耗問題，設(shè)計(jì)了一種低壓能量路由器，并通過ER的不同互聯(lián)模式為低壓配電網(wǎng)設(shè)計(jì)了串聯(lián)和星型兩種路由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上，建立了路由矩陣以及相關(guān)的應(yīng)用程序，通過單個(gè)ER串聯(lián)和星形能量路由網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電源管理.仿真實(shí)驗(yàn)表明，利用單個(gè)ER，串聯(lián)和星形路由網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中電力設(shè)備的開放接入與網(wǎng)絡(luò)交互管理，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)中的電力平衡.

　　關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);能量路由器;低壓配電網(wǎng);能源路由網(wǎng)絡(luò);路由拓?fù)?路由矩陣;串聯(lián)能量路由網(wǎng)絡(luò);星形能量路由網(wǎng)絡(luò)

　　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)(energyinternet，EI)是實(shí)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(energyrouter，ER)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)界開始研究能源互聯(lián)網(wǎng)，劉顯茁等[4]開發(fā)了一種六端口的家用能源路由器，其可用于家庭中分布式設(shè)備以及儲(chǔ)能設(shè)備的接入管理;王雨婷[5]設(shè)計(jì)了一種三端口雙向能量流動(dòng)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(jì)了一個(gè)中等規(guī)模的能源控制系統(tǒng)，同時(shí)提出一種帶有網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)的低壓ER，以便在380V配電網(wǎng)的范圍內(nèi)實(shí)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(duì)分布式新能源的獲取與消耗，本文設(shè)計(jì)了一種新型低壓ER.假設(shè)ER結(jié)合380V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(shí)，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(shí)，多余的電力被輸送到380V配電網(wǎng);當(dāng)新能源站不工作時(shí)，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(shí)，ER將以混合電源模式運(yùn)行.

　　當(dāng)ER處于低壓電網(wǎng)中時(shí)，其可以在EI和傳統(tǒng)380V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(shí)，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(shí)，電力可以轉(zhuǎn)移到380V電網(wǎng)，但由于傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向流動(dòng)，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380V配電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行.低壓電網(wǎng)的能量路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

　　其中，每個(gè)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)形的能量路由網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了管理能量的能力.另一類能量路由網(wǎng)絡(luò)稱為星形結(jié)構(gòu).星形能量路由網(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(dòng)的，因此能量路由網(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(gè)ER的訪問管理

　　當(dāng)單個(gè)ER運(yùn)行時(shí)，有6種功能模式，即啟動(dòng)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].

　　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)型能量路由網(wǎng)絡(luò)的功率管理.由于每個(gè)ER分別連接到另外兩個(gè)ER，因此每個(gè)ER具有兩個(gè)路由矩陣.與單ER相比，串聯(lián)型能量路由網(wǎng)絡(luò)具有更多類型的路由機(jī)制，實(shí)現(xiàn)相鄰路由器之間的功率協(xié)調(diào).

　　3模擬實(shí)驗(yàn)

　　對(duì)于以上提到的能源路由網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)從以下3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)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)形能量路由網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制;3)星形能量路由網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)鏈接機(jī)制.

　　3.1單一ER本文設(shè)計(jì)的接入部件包括：380V電網(wǎng)及光伏新能源及直流母線電壓為700V的負(fù)荷.

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

　　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.

　　3.3星型路由網(wǎng)絡(luò)3個(gè)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，共有3個(gè)路由器的15條測試線.每個(gè)路由器的5個(gè)測試點(diǎn)均已繪制，以進(jìn)行清晰演示.

　　4結(jié)論

　　針對(duì)新能源的評(píng)估與消耗問題，本文提出了ER的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，并通過ER的互連為低壓配電網(wǎng)設(shè)計(jì)了兩種路由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?此外，通過單個(gè)ER、串聯(lián)和星形能量路由網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電源管理.建立路由矩陣及其應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，應(yīng)考慮兩個(gè)相鄰矩陣之間的作用機(jī)理;最后，由于儲(chǔ)能裝置僅用于補(bǔ)償直流母線電壓，因此應(yīng)針對(duì)直流電壓的穩(wěn)定性，詳細(xì)研究補(bǔ)償算法.

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　　作者：陳博，王世峻，費(fèi)斐

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