低壓配電網的開放式能源路由網絡*

陳 博， 王世峻， 費 斐

(國網上海市電力公司 經濟技術研究院， 上海 200120)

目前，全球溫室氣體過量排放引起氣候發生變化，導致全球溫度上升、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].能源互聯網(energy internet，EI)是實現該目標的有效方法.作為下一代能源管理設備，能量路由器(energy router，ER)成為EI的核心.能量路由器也被稱為數字電網路由器，其可以管理一定范圍內的電源并分配區域電源[2-3]，專注于智能電網中的電力使用與需求之間的能源管理.從2015年開始，中國學術界與產業界逐步研究能源互聯網，劉顯茁等[4]開發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備以及儲能設備的接入管理；王雨婷[5]設計了一種三端口雙向能量流動的能源路由網絡結構，其能夠自主控制雙向能量分配；田兵等[6]開發了一種多接口模塊換能源路由網絡，其通過分層方式控制本地能源與網絡能源的切換.由于低壓電網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雜.本文研究了ER的結構、路由器網絡和電力設備的訪問管理，設計了一個中等規模的能源控制系統，同時提出一種帶有網絡路由系統的低壓ER，以便在380 V配電網的范圍內實現訪問管理和新能源自治.

1 低壓能源路由網絡

針對分布式新能源的獲取與消耗，本文設計了一種新型低壓ER，其結構如圖1所示.假設ER結合380 V交流電網與兩類本地設備，即新能源發電站和電力負載.當天氣條件合適時，由新能源站產生的電力直接提供給負載.當電力供應充足時，多余的電力被輸送到380 V配電網；當新能源站不工作時，配電網提供電力負載；當新能量產生的功率不足時，ER將以混合電源模式運行.

圖1 低壓ER結構Fig.1 Low voltage ER structure

當ER處于低壓電網中時，其可以在EI和傳統380 V配電網的環境中運行.當ER連接到EI微電網和廣域EI時，繼續將電力傳輸到微電網和廣域網[7-8].當ER連接到傳統配電網時，電力可以轉移到380 V電網，但由于傳統電網的單向流動，無法進一步轉移到高壓電網，因此，電源管理應僅在380 V配電網內進行.低壓電網的能源路由網絡結構如圖2所示.

串聯結構的能源路由網絡如圖2a所示.其中，每個新的能量站或負載均連接到兩側ER，其可以根據功率平衡的要求，選擇性地將功率傳輸到左ER或右ER.同樣，負載也可以從左ER或右ER獲得功率.串聯形的能源路由網絡增強了管理能量的能力.

圖2 兩種能源路由網絡的結構Fig.2 Structures of two energy routing networks

另一類能源路由網絡稱為星形結構，如圖2b所示.星形能源路由網絡可以結合6組功率設備，每組功率設備的角度為60°，故在該結構下，ER的互連能力與配電能力得到了增強.此外，由于功率是雙向流動的，因此能源路由網絡可以間接管理更遠的新能源站.

2 路由機制

2.1 單個ER的訪問管理

當單個ER運行時，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、負載加入模式和負載下降模式[9-11].使用路由矩陣來描述對所有設備的訪問，即

(1)

式中，n為實際連接到ER設備的數量.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 串聯結構網絡路由機制

路由矩陣可用于串聯形能源路由網絡的功率管理.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，串聯形能源路由網絡具有更多類型的路由機制，實現相鄰路由器之間的功率協調.圖3為串聯形路由網絡的協調關系，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進行功率協調，一旦A2和B1的值發生變化，兩個ER將生成指令到相應的電子開關.該協調具有以下特征：1)A2和B1具有相同的矩陣結構，這意味著其在物理上具有相同的連接；2)矩陣A2和B1中相同位置的對應元素不應同步為1，即每個設備只能使用一個ER進行訪問；3)根據功率協調的要求，A2和B1的值會影響A1與B2的值.

圖3 路由矩陣的雙向協調Fig.3 Bidirectional coordination of routing matrix

2.3 星形網絡路由機制

圖4為星形路由矩陣圖.每個ER具有6個路由矩陣，分別對應連接到ER的6組功率設備.與串聯形路由網絡相比，星形路由網絡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能夠直接協調，而ER1的矩陣A2與ER3的矩陣C1能夠直接協調.矩陣的連接關系表明，每個ER與外圍路由器均有直接的能量協調(外圍路由器的最大數量為6個)，由于星形能源路由網絡高度互連，所以具有更強大的路由功能.

3 模擬實驗

對于上文提到的能源路由網絡，應從以下3個方面進行驗證：1)ER的開放性，可以保證有序接入和退出功率設備；2)串聯形能源路由網絡的聯動機制；3)星形能源路由網絡的網絡鏈接機制.

3.1 單一ER

本文設計的接入部件包括：380 V電網、光伏新能源及直流母線電壓為700 V的負荷，具體參數如表1所示.

表1 訪問的設備和參數Tab.1 Accessed devices and parameters

單個ER可以自由實施開關，并快速調節功率.切換時所有訪問設備功率平衡效果如圖5所示.藍色、綠色和紅色線分別表示380 V電網、新能源和負載的電流.

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)

當一組光伏電池在第5 s離開ER時，矩陣變為

(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電網的電流就會迅速增加，因此仍可以滿足負載的功率需求.當一組負載從路由器退出時，路由矩陣的變化類似于式(3)，電流曲線如圖5c所示.

3.2 串聯結構路由網絡

根據協作電源的需求，每種新能源或負載均可以接入左路由器或右路由器.系統仿真電路接線圖如圖6a所示；系統正常運行時所有電流曲線如圖6b所示.當路由器1中存在一組新能源設備并被路由器2訪問時，各種被訪問設備的電流曲線如圖6c所示.可以看出，當在第5 s發生了相關變化時，路由器1和路由器2的功率分布同步變化.電流的調整會及時適應設備的變化，從而使功率平衡.當一組負載從路由器1退出并進入路由器2時，矩陣將發生變化，電流曲線變化如圖6d所示.

圖6 串聯形ER的聯動機理Fig.6 Linkage mechanisms of series-shaped ER

3.3 星形路由網絡

3個路由器的星形網絡具有更強大的鏈接，因此可以靈活地促進電源在網絡中的分布.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個測試點均已繪制，以進行清晰演示.

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個測試點中提取5個點進行觀測，結果如圖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，負載由路由器1處加入，并切換到路由器2.此時，5個測試點的變化情況如圖9所示.

圖9 負載路由器切換Fig.9 Switch of load routers

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

4 結 論

針對新能源的評估與消耗問題，本文提出了ER的結構及功能設計，并通過ER的互連為低壓配電網設計了兩種路由網絡拓撲.此外，通過單個ER、串聯和星形能源路由網絡來實現電源管理.建立路由矩陣及其應用程序，從而實現對所訪問設備的管理.盡管本文在電源管理中提出了路由機制，但在未來的研究中仍需繼續研究控制精確度問題；其次，當路由矩陣應用于串聯和星形網絡時，應考慮兩個相鄰矩陣之間的作用機理；最后，由于儲能裝置僅用于補償直流母線電壓，因此應針對直流電壓的穩定性，詳細研究補償算法.