基于能源路由器的直流配電網(wǎng)設(shè)計

摘 要：文章提出一種基于能源路由器的直流配電網(wǎng)，該系統(tǒng)包括能源路由器、信息收集、能量信息轉(zhuǎn)換、交流母線、AC/DC裝置、交流負(fù)荷模塊、光伏發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電裝置、電動汽車充電設(shè)備置等組成部分；其中，能源路由器的信息流信號和控制信息流信號基于Z-Wave無線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，AC/DC裝置包括系列的Buck-Buck型換流器和一個50Hz具有逆變作用的橋型電路，只基于2個頻率較高的開關(guān)，可直接得到優(yōu)良的電壓輸出。該系統(tǒng)可保證信息有效傳輸，使電網(wǎng)中的能量高質(zhì)量地進(jìn)行有效傳輸，從而使系統(tǒng)成本降幅明顯。

關(guān)鍵詞：能源路由器；Buck-Buck型換流器；直流配電網(wǎng)

前言

伴隨電網(wǎng)的用電負(fù)荷迅猛增加，原先的配電網(wǎng)系統(tǒng)將面對越來越多的各種問題。例如，分布式發(fā)電及儲能技術(shù)發(fā)展迅速，如何將這些新興電源有效地接入傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)？城市發(fā)展對電源建設(shè)和線路走廊的制約越來越多，導(dǎo)致負(fù)荷中心的無功電源更為不足；直流負(fù)荷或直流環(huán)節(jié)的負(fù)載日益增多，亟待發(fā)展更為有效的供電模式以滿足負(fù)荷的快速增長。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展日趨成熟，重新探索直流方式配電的效果，可為當(dāng)前日益發(fā)展的電網(wǎng)提供一條解決配網(wǎng)問題的新思路[1-2]。

直流配電網(wǎng)是以直流為主導(dǎo)的電能配送系統(tǒng)，具有解決現(xiàn)代配電系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)的潛力。直流配電的主要技術(shù)特征：（1）直流配電更為可靠：線路故障率較交流系統(tǒng)更低，可單極運(yùn)行，響應(yīng)快、恢復(fù)時間短；（2）直流配電效率更高：線路損耗低于交流配電，可直接為日益增多的直流負(fù)載提供電能；（3）可提高電能質(zhì)量；（4）易于實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電互聯(lián)[3-4]。

直流配電在提供高效電能轉(zhuǎn)換與控制的同時，由于并列運(yùn)行換流器的數(shù)量大、種類數(shù)量大，會面對可靠的性能、安全的性能等方面的種種問題，以及直流電力電子裝置的體積、重量、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用等問題。因此，考慮到目前直流配電存在的問題，需要一種新的直流配電網(wǎng)以解決信息可靠收集、能量有效流動等問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1為文章提出的一種基于能源路由器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，該配電網(wǎng)包括能源路由器單元、至少一個信息收集單元、至少一個能量信息轉(zhuǎn)換單元、至少一個交流母線單元、至少一個AC/DC模塊單元、至少一個交流負(fù)荷單元、至少一個光伏發(fā)電裝置單元、至少一個儲能裝置單元、至少一個風(fēng)力發(fā)電裝置單元、至少一個電動汽車充電裝置單元；其中，能源路由器單元的信息流信號和控制信息流信號基于Z-Wave無線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，AC/DC模塊單元包括一組雙Buck型換流器和一個工頻逆變橋。

2 系統(tǒng)各模塊構(gòu)成及作用

能源路由器單元：與交流電網(wǎng)、信息收集1裝置、信息收集2裝置、信息收集3裝置、信息收集4單元、能量信息轉(zhuǎn)換1單元、能量信息轉(zhuǎn)換2單元、能量信息轉(zhuǎn)換3單元、能量信息轉(zhuǎn)換4單元連接；

交流母線單元：與交流電網(wǎng)、交流負(fù)荷1裝置、交流負(fù)荷2裝置、AC/DC模塊1裝置、AC/DC模塊2裝置、AC/DC模塊3裝置、AC/DC模塊4裝置相連；

AC/DC模塊1單元：與交流母線單元、光伏發(fā)電裝置單元連接；

AC/DC模塊2單元：與交流母線單元、儲能裝置單元連接；

AC/DC模塊3單元：與交流母線單元、風(fēng)力發(fā)電裝置單元連接；

AC/DC模塊4單元：與交流母線單元、電動汽車充電裝置單元連接；

光伏發(fā)電裝置單元：與AC/DC模塊1單元、信息收集1單元連接；

儲能裝置單元：與AC/DC模塊2單元、信息收集2單元連接；

風(fēng)力發(fā)電裝置單元：與AC/DC模塊3單元、信息收集3單元連接；

電動汽車充電裝置單元：與AC/DC模塊4單元、信息收集4單元連接；

信息收集1單元：與光伏發(fā)電裝置單元、能量信息轉(zhuǎn)換1單元連接；

信息收集2單元：與儲能裝置單元、能量信息轉(zhuǎn)換2單元連接；

信息收集3單元：與風(fēng)力發(fā)電裝置單元、能量信息轉(zhuǎn)換3單元連接；

信息收集4單元：與電動汽車充電裝置單元、能量信息轉(zhuǎn)換4單元連接。

3 Buck-Buck型換流器拓?fù)湓O(shè)計

圖2為文章配電網(wǎng)系統(tǒng)所采用Buck-Buck型換流器拓?fù)涫疽鈭D[4]。圖2中C表示電容，D表示二極管，S表示開關(guān)，T表示絕緣柵雙極型晶體管，R表示電阻，L表示電感；T1、T2、T3、T4、T5及T6共同組成IGBT的ABC橋型電路。圖2中Sa、Sb、Sc為兩向開關(guān)，其頻率為50Hz的2倍左右。S1、S2一般運(yùn)行在較高的頻率，S1、L1、D1及S2、L2、D2綜合起來組成最終的Buck-Buck型換流器。基于具有逆變作用的橋型電路，以及頻率高于50Hz數(shù)倍的兩向開關(guān)，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分開為兩個Buck-Buck換流器，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)際電路電流的有效控制。 4 Z-Wave無線傳輸技術(shù)

Z-Wave是由丹麥公司Zensys一手主導(dǎo)的無線組網(wǎng)規(guī)格，該技術(shù)的參數(shù)如下表所示。不同于ZigBee能同時運(yùn)用于醫(yī)療、安全等多種領(lǐng)域。ZigBee是建置于IEEE802.15.4上的協(xié)議，應(yīng)用層面較廣。

該系統(tǒng)構(gòu)建于射頻技術(shù)、成本小、功耗小、可靠性能優(yōu)良、適于網(wǎng)絡(luò)的無線通信Z-Wave技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息流、控制信息流的有效傳輸，可將光伏發(fā)電裝置、儲能裝置等的實(shí)時能量信息快速、可靠地傳送至能源路由器，從而有助于實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)間以及內(nèi)部的能量流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和信息傳輸，有助于實(shí)現(xiàn)多個分布式能源網(wǎng)間的能量進(jìn)行有效交換。

5 結(jié)束語

與現(xiàn)有直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)相比，文章提出的直流配電網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：（1）該系統(tǒng)提供的基于Z-Wave的信息交互單元是一種無

線組網(wǎng)規(guī)格，基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的交互，可靠性大為提升；（2）該系統(tǒng)可使實(shí)時信息得以高效傳遞，使電網(wǎng)中的能量高質(zhì)量地進(jìn)行流動，使系統(tǒng)的成本得以大幅降低；（3）通過Z-Wave無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流配電

網(wǎng)間以及內(nèi)部的能量流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和信息傳輸，可及時反饋能量流狀態(tài)，控制電力電子裝置進(jìn)行相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多個分布式能源網(wǎng)間的能量進(jìn)行有效交換。

參考文獻(xiàn)

[1]杜翼，江道灼，尹瑞，等.直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2015（1）：139-145.

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[3]鄭歡，江道灼，杜翼.交流配電網(wǎng)與直流配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性比較[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（12）：3368-3374.

[4]周雒維，彭容，杜雄.單周控制雙Buck型電壓源換流器]J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005（17）：11-14.