戶用型能量路由器的微電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

協(xié)鑫集團設(shè)計研究總院 ■ 陳敏 李義強 田浩 葉明軍

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有能源供給系統(tǒng)與配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過先進的電力電子技術(shù)和信息技術(shù)，融合新能源技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大量分布式能源采集裝置和分布式能源儲存裝置互聯(lián)起來，實現(xiàn)能量和信息雙向流動的能源對等交換和共享網(wǎng)絡(luò)[1]。與此同時，為了保證在新能源電力接入滲透率過高的情況下電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，必須將大量的分布式新能源電力就近安排在負荷側(cè)，并配以儲能系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等形成電網(wǎng)滲透率可控、能源就地消費的微電網(wǎng)系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)中，需要由能量路由器(E-Router)作為關(guān)鍵核心設(shè)備，以實現(xiàn)多種形式能量的協(xié)調(diào)管理、分布式可再生能源的高效利用，以及保障電網(wǎng)的安全可靠運行[2]。微電網(wǎng)的最小單位是戶級，因此能量路由器的最小單位也是戶級。以合肥陽光為代表的新能源設(shè)備生產(chǎn)廠家根據(jù)以上背景研發(fā)了基于戶級微電網(wǎng)的戶用型E-Router，實現(xiàn)了戶級的能源自治管理，并能與上一級微電網(wǎng)系統(tǒng)或配電網(wǎng)系統(tǒng)無縫切換，在并網(wǎng)模式或離網(wǎng)模式可靠工作。

1 戶級微電網(wǎng)系統(tǒng)

在眾多微電網(wǎng)系統(tǒng)中，戶級微電網(wǎng)系統(tǒng)是一類非常特殊的系統(tǒng)，其建立在以家庭為單位的家庭級能量管理基礎(chǔ)之上，是微電網(wǎng)概念可拓展到的最小單位，同時可滿足家庭分布式電源、負荷、儲能、上級電網(wǎng)的接入，實現(xiàn)各類能源與負荷間協(xié)調(diào)控制，并、離網(wǎng)無縫切換，以及與上一級微電網(wǎng)的統(tǒng)一管理。

在這樣的系統(tǒng)中，戶用型E-Router承擔著最重要的角色，它不僅接入了戶級能源的所有供給設(shè)備和消費設(shè)備，而且可獨立完成對這些設(shè)備的控制和管理，真正具備“掛網(wǎng)后不管”的能力，成為配網(wǎng)末梢的能源管家。

圖1集中展示了戶級微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在戶級的應(yīng)用中，可實現(xiàn)一、二類負荷的分離控制，把涉及到安全方面的照明等負荷歸為一類負荷，其他負荷歸為二類負荷。一類負荷在電網(wǎng)斷電時仍可由儲能設(shè)備供電，二類負荷隨著戶級微電網(wǎng)與電網(wǎng)的分離而斷電。分布式新能源以光伏為典型設(shè)備，一般一個戶級的家庭可安裝3～5 kW的光伏組件作為戶級微電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備；考慮經(jīng)濟性，儲能設(shè)備的配置一般滿足一戶家庭滿負荷工作0.5 h為宜，容量在3 kWh左右；與電網(wǎng)的連接由塑殼斷路器完成，主要起到快速并、離網(wǎng)切換和手動分合電網(wǎng)電源的功能。戶用型E-Router承擔著光伏出力、儲能管理、開關(guān)控制等所有電氣設(shè)備的監(jiān)視控制任務(wù)，在戶級能量自治的前提下，同時接受上級微電網(wǎng)管理系統(tǒng)或配電自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理。

在戶級微電網(wǎng)系統(tǒng)中引入了戶用型E-Router，因其本身集成了微電網(wǎng)各項控制策略和開關(guān)、繼電器等終端設(shè)備，并能有效監(jiān)視管理儲能設(shè)備，在電網(wǎng)失電或發(fā)生故障時能有效地無縫切換到離網(wǎng)工作模式，并能在離網(wǎng)運行時實現(xiàn)戶級能源自治，所以在實際應(yīng)用中，可與上級微網(wǎng)系統(tǒng)進行通信互動，也可直接接入配網(wǎng)獨立運行，解決了能源互聯(lián)網(wǎng)中戶級能源離網(wǎng)運行獨立控制和數(shù)據(jù)采集上送兩大問題。

2 戶用型能量路由器

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，E-Router的主要任務(wù)是調(diào)整能量的流動和進行實時的信息傳遞[2]，簡言之，就是實現(xiàn)了“一次能源可控，二次數(shù)據(jù)可送”的功能。不同節(jié)點位置的E-Router具有不同的功能和運行目標[2]，干網(wǎng)型的E-Router是基于調(diào)整電力系統(tǒng)部分節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)而實現(xiàn)能量流的人為可控，使能量流的行走路徑達到電網(wǎng)設(shè)備負載可接受的程度；戶級終端用戶所需配置的戶用型E-Router承擔控制光伏、儲能出力，協(xié)調(diào)與電網(wǎng)間功率和能量交換率的職責，其一般形式是采用基于多端口變換器(MPC)技術(shù)和基于電力線通信(PLC)技術(shù)進行能量及信息的變換和傳輸。

2.1 基于MPC技術(shù)的戶用型能量路由器

戶級配電系統(tǒng)中，一般通過MPC來實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”之間的能量轉(zhuǎn)換。文獻[3]設(shè)計了由DC/DC基本拓撲構(gòu)成的多端口雙向DC/DC變換器，如圖2所示，通過多路DC/DC變換電路、多路DC/AC逆變電路，實現(xiàn)戶級負載與光伏出力、儲能出力及電網(wǎng)間的能量平衡；同時，系統(tǒng)配置有獨立的通信接口、儲能設(shè)備及上級控制系統(tǒng)實時通信。

圖2 基于MPC的戶用型E-Router

基于MPC技術(shù)的戶用型E-Router是目前主流新能源生產(chǎn)廠家的實用產(chǎn)品，其多端口變流器能實現(xiàn)光伏發(fā)電和儲能的接入，其余功能與文獻[3]所述樣品一致。如此配置主要是到考慮國內(nèi)的實際情況，在大部分地區(qū)，使用微電網(wǎng)的家庭不具備風力和燃料電池等新能源資源，因此，只接入光伏發(fā)電的簡潔配置既降低了設(shè)備運行的技術(shù)風險，又能滿足絕大部分地區(qū)戶級微電網(wǎng)建設(shè)的實際需求。

2.2 基于PLC技術(shù)的戶用型能量路由器

能量與信息在基于MPC的戶用型E-Router中是分線/獨立傳輸，而在基于PLC的戶用型E-Router中是共線/耦合傳輸?shù)腫4]。PLC技術(shù)是將信息數(shù)據(jù)通過調(diào)制的方式，耦合敷載于電力工頻波之上，通過電力線路同時輸送工頻波和載波，在末端通過解調(diào)的方式將工頻波和信息載波分離，一條線路達到同時輸送能量和信息的雙重目的。然而這類PLC技術(shù)僅圍繞電力傳輸?shù)耐瑫r數(shù)據(jù)通信技術(shù)研究，卻無法實現(xiàn)電能的多路徑流向傳輸[4]。

文獻[5]針對家庭能量管理系統(tǒng)提出了基于PLC技術(shù)的時分復(fù)用調(diào)度方案，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)的電源端將工頻波和信息集中調(diào)制打包，形成帶地址標識的能量數(shù)據(jù)復(fù)合包，然后Mixer通過時分復(fù)用方式進行線路傳輸；復(fù)合包傳輸?shù)紼-Router后被解調(diào)，再根據(jù)原編碼的地址信息將能量和數(shù)據(jù)分別分配到相應(yīng)的目標地址。由于同一電能分時傳送的時間間隔會加劇分布式能源所發(fā)電能的間歇性和不穩(wěn)定性，所以需在負載端配置一定容量的儲能來改善電能質(zhì)量。

圖3 基于PLC的戶用型E-Router

該項技術(shù)在國內(nèi)尚屬前沿技術(shù)，目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家并無對標產(chǎn)品，因此本文以下所述內(nèi)容均基于使用MPC技術(shù)的戶用型E-Router，暫不涉及使用PLC技術(shù)產(chǎn)品的討論。

2.3 戶用型能量路由器的運行控制

戶用型E-Router通過合適的控制策略，能對戶級微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)狀態(tài)、離網(wǎng)狀態(tài)，以及并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)、離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的無縫切換過程進行有效控制，保證家庭用戶在各種狀態(tài)下的安全可靠用電。以下對其控制策略進行具體分析：

1)P/Q控制：戶級微電網(wǎng)完全由戶用型E-Router與電網(wǎng)接口，其最基本的功能就是控制輸出的有功功率和無功功率。P/Q控制是指E-Router能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率，而其參考功率的確定則是其功率控制的前提。戶用型E-Router容量極小，在并網(wǎng)運行時可以考慮使用恒定功率方式進行并網(wǎng)，其電壓和頻率由電網(wǎng)剛性支撐，E-Router不考慮頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)，僅發(fā)出或吸收功率。這樣的控制策略能有效避免其直接參與電網(wǎng)的頻率電壓調(diào)節(jié)，減小電力系統(tǒng)對于分布式間歇性能源的負擔。

2)U/f控制：U/f控制是指E-Router輸出穩(wěn)定的電壓和頻率，確保離網(wǎng)運行中其他從屬電源和一類負荷繼續(xù)工作。由于戶級孤島容量有限，一旦出現(xiàn)功率缺額，需要切除二類負荷，以確保一類負荷的工作，因此，U/f控制要能夠響應(yīng)跟蹤負荷投切[6]。在E-Router本身具備多路負荷投切回路的情況下，U/f控制適合戶級微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時的控制。

3)Droop控制(下垂控制)：Droop控制是模擬傳統(tǒng)電網(wǎng)中發(fā)電機的下垂特性，根據(jù)輸出有功和無功的變化，控制電壓源E-Router的輸出電壓和頻率[6]。此種策略可同時工作在并網(wǎng)或離網(wǎng)模式，雖因負載的投切會有電能質(zhì)量微量跌落，但對于戶級微電網(wǎng)而言，考慮其無縫切換的能力，不失為一種合適的控制策略。

4)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)：配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或進行計劃性孤島操作時，首先由E-Router斷開并網(wǎng)開關(guān)，同時二類負荷隨即切除。主電源考慮維持Droop控制不變或由P/Q工作模式切換到U/f工作模式，為一類負荷不間斷供電。

5)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)：微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時，E-Router監(jiān)測配電網(wǎng)供電恢復(fù)或接收到上級微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(也可為配網(wǎng)自動化系統(tǒng))結(jié)束計劃孤島命令后，準備并網(wǎng)，同時準備為切除的負荷重新供電；此時，若微電網(wǎng)滿足并網(wǎng)的電壓和頻率條件，閉合已斷開的并網(wǎng)開關(guān)，重新為負荷供電；然后E-Router持續(xù)工作在Droop控制模式或由U/f工作模式切換到P/Q工作模式，進入并網(wǎng)運行。

2.4 通信調(diào)度

由于微電網(wǎng)系統(tǒng)的分層分布特性，在戶級微電網(wǎng)的上一級往往配置有樓層級或樓間級的微電網(wǎng)系統(tǒng)。因此，與上一級微電網(wǎng)的通信互動，接收上一級微電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度或戶間能量互動成為必須。通信調(diào)度的主要內(nèi)容包含以下幾個關(guān)鍵部分：

1)上級微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)以安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定為原則，根據(jù)電網(wǎng)的預(yù)測值給E-Router下發(fā)功率調(diào)節(jié)、發(fā)電計劃、運行模式命令，從而使戶級微電網(wǎng)成為配電網(wǎng)的可控單元[6]。

2)E-Router應(yīng)通過對用戶終端的狀態(tài)檢測和信息采集，協(xié)調(diào)控制功率分配，穩(wěn)定輸出電壓和頻率。上級微網(wǎng)系統(tǒng)制定出穩(wěn)態(tài)計劃，E-Router負責暫態(tài)控制。

3)用戶層的儲能設(shè)備通過CAN或RS485總線與E-Router相連，能實時監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，為發(fā)出合適的控制指令提供可靠的保障。

3 戶用型能量路由器的應(yīng)用意義

作為能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的末梢，同時也是微電網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，戶用型E-Router的應(yīng)用意義主要有如下幾個方面：

1)集成了光伏逆變器、儲能變流器、負荷控制器、并網(wǎng)控制器的功能于一體，在一次結(jié)構(gòu)上避免了線路的重復(fù)搭建，減少了設(shè)備數(shù)量，節(jié)約了成本和安裝空間。

2)由于系統(tǒng)的集成，原本需搭建的外部通信網(wǎng)絡(luò)大幅簡化，E-Router只需保留與電池系統(tǒng)和上級微電網(wǎng)系統(tǒng)的通信接口，其余通信均由內(nèi)部總線完成，提高了通信速率和可靠性，為戶級能量自治控制提供了快速準確的通信條件。

3)實現(xiàn)了與電網(wǎng)間并、離網(wǎng)狀態(tài)的無縫切換，最大限度地提高了家庭用戶的供電可靠性，并在儲能設(shè)備的幫助下能夠保證家庭用戶在電網(wǎng)失電時依然可以享有照明、影像等設(shè)備的供電服務(wù)。

4)其微電網(wǎng)自治的特點真正實現(xiàn)了“掛網(wǎng)后不管”的功能，即使在普通分布式并網(wǎng)環(huán)境下，亦具備快速安裝、接線簡單、工作可靠的特點。

4 結(jié)語

能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)方興未艾，E-Router在此背景下的大量應(yīng)用已成必然之勢，在電力系統(tǒng)干網(wǎng)未大量采用之前，微電網(wǎng)推廣建設(shè)應(yīng)運而生的戶用型E-Router的應(yīng)用技術(shù)成為能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命的排頭兵，解決了在配網(wǎng)末梢因大量分布式能源的配置而引起的電網(wǎng)安全可靠運行及分布式能量管理問題。隨著新興技術(shù)的研發(fā)和推廣，戶用型E-Router會向更多種分布式能源接入、能量數(shù)據(jù)耦合PLC傳輸?shù)刃录夹g(shù)方向發(fā)展，前景向好。本文所述的戶用型E-Router，已解決了戶級“能量可控、數(shù)據(jù)可送”的應(yīng)用技術(shù)，隨著更先進理論和技術(shù)的引用，戶用型E-Router應(yīng)用技術(shù)也將向更快、更準、更高技術(shù)層次的目標推進。

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