能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的能源交換集控中樞形態(tài)與架構(gòu)探討

徐輝，秦鳴泓，夏天，劉峻，李葉鵬

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能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的能源交換集控中樞形態(tài)與架構(gòu)探討

徐輝1，秦鳴泓2，夏天1，劉峻1，李葉鵬2

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

隨著分布式可再生能源、儲能和多種負(fù)載的接入，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)將逐漸難以滿足能量多向流動和主動功率調(diào)控的要求。為了滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)對能量和數(shù)據(jù)雙向流動的管理，提出了一個全新的概念——能源交換集控中樞，對其功能、要求和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。

能源互聯(lián)網(wǎng)；能量多向流動；主動功率調(diào)控；能源交換集控中樞

傳統(tǒng)配電網(wǎng)“一對多”的能源傳輸架構(gòu)隨著家庭式光伏、電動汽車和分布式儲能的推廣逐步在向“多對多”轉(zhuǎn)變。在能源互聯(lián)網(wǎng)，“電源”與“負(fù)載”的關(guān)系將不再固定。以家庭式光伏為例，白天，光伏裝置產(chǎn)生的電能不僅可以供用戶自己使用和儲存在儲能中備用，過剩電能還可以向電網(wǎng)出售，供給電網(wǎng)中的其他電能使用者；夜晚，光伏裝置停止工作，電網(wǎng)和儲能則又承擔(dān)了電源的工作。眾所周知，傳統(tǒng)電網(wǎng)中潮流是不可控的。因此，如何在能源互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)能量的精準(zhǔn)調(diào)度，即每個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都具備能量的主動調(diào)度能力，成為了能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

1 能源交換集控中樞的概念

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，未來電網(wǎng)將在局部消納的基礎(chǔ)上，以微網(wǎng)、智能小區(qū)為自治單元，形成自下而上的能量單元的互聯(lián)[3]。但至今還沒有一個統(tǒng)一的、能夠?qū)蝹€或多個微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌管理的控制系統(tǒng)被提出。為了滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)對能量和數(shù)據(jù)雙向流動的管理，本文提出一個全新的概念——能源交換集控中樞。能源交換集控中樞是一種融合了先進(jìn)的電力電子技術(shù)和信息技術(shù)，能對分布式能量的分配和傳輸進(jìn)行高效管理和實(shí)現(xiàn)的集中控制系統(tǒng)。它的含義包含以下兩個方面：①硬件方面。能源交換集控中樞具有能夠?qū)崿F(xiàn)多種分布式能源交換傳輸?shù)拇蠊β孰娏﹄娮釉O(shè)備以及各個接口的監(jiān)測和執(zhí)行裝置等。②軟件方面。能源交換集控中樞具有完整的一套管理和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能包括監(jiān)視系統(tǒng)各功能模塊，可實(shí)時讀取高速、雙向的能源供需數(shù)據(jù)，為分布式可再生能源裝置、儲能裝置和負(fù)荷提供接入管理，并實(shí)時實(shí)地控制其實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。

借助先進(jìn)的電力電子技術(shù)，能源交換集控中樞可以提供多種形式的電氣接口，包括直交流形式、不同電壓等級等，以滿足風(fēng)光儲等不同電氣設(shè)備接入的需要；同時，各個接口能量流的大小和方向在電力電子的高可控性也得以精確控制，為能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。而借助信息技術(shù)，能源交換集控中樞得以實(shí)現(xiàn)自律運(yùn)行。只需要人為地對集控中樞發(fā)送較長時間的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，比如電壓偏差允許范圍、頻率偏差允許范圍、電能質(zhì)量要求等，能源集控中樞就能借助其內(nèi)嵌的算法和程序?qū)崿F(xiàn)所管轄微網(wǎng)的自主安全運(yùn)行。同時，輔以相應(yīng)的監(jiān)測和執(zhí)行設(shè)備，集控中樞各個接口的狀態(tài)也能得以精準(zhǔn)控制，分布式能源、儲能和負(fù)荷可以實(shí)時接入并投入運(yùn)行，且局域網(wǎng)較短時間內(nèi)可以恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

2 能源交換集控中樞功能和要求

為了滿足參與能源交換的不同設(shè)備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態(tài)上需要提供多種電氣形式的接口，如直流600 V、交流220 V等。根據(jù)所連接設(shè)備的不同性質(zhì)，接口所具備的功能也應(yīng)有所區(qū)別。對于單純的負(fù)荷，中樞接口往往只需要能量輸出功能；而針對分布式光伏和風(fēng)機(jī)的接口，則只需要具備能量吸收功能，同時為了更高效地利用分布式能源，往往還可以利用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)。而部分接口，比如連接儲能的接口，則需要具備能源的雙向流動能力。能源交換集控中樞需要為分布式可再生能源、儲能和負(fù)荷提供接入管理，并實(shí)時實(shí)地控制其實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。這需要集控中樞能夠?qū)λ尤氲脑O(shè)備進(jìn)行識別，并通過既定的通訊協(xié)議給予插入設(shè)備一定權(quán)限，以進(jìn)行設(shè)備與中樞之間定額定向的能量交換。因此，集控中樞的每個接口都需要同時安裝功率端口和通信端口，通信端口對功率端口起指揮作用。能源交換集控中樞能根據(jù)人為預(yù)設(shè)的優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)管轄區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的自律運(yùn)行。這不僅要求集控中樞能夠控制局域網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備的能量流動和進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，與此同時，在發(fā)生突發(fā)情況時，比如檢測到主系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時，局域能源交換集控中樞也要依據(jù)內(nèi)嵌的指令和程序，做出自動快速的響應(yīng)，比如切換成孤島運(yùn)行狀態(tài)，以保證所管轄局域網(wǎng)內(nèi)電能質(zhì)量不受波及、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，能源交換集控中樞還需要一個智能能量管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的程序在檢測到特定情況時執(zhí)行指定的流程操作，以保證局域網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定。

3 能源交換集控中樞等級分類

根據(jù)我國配電網(wǎng)的不同等級，能源交換集控中樞大致可分為主干集控中樞、區(qū)域集控中樞和家庭集控中樞三類。

3.1 主干集控中樞

主干集控中樞功能大致相當(dāng)于變電站，能量的流動方向相對而言較為簡單。它通常適用于10 kV電壓等級，傳輸功率可達(dá)兆瓦以上，可實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域范圍內(nèi)的配電工作。大部分情況下，主干集控中樞的工作都是將能量向下一級配電網(wǎng)分配，能量流動是單相的。而在大規(guī)模可再生能源發(fā)電區(qū)域，主干集控中樞的功能則主要是由低壓側(cè)向主干配電網(wǎng)反饋能量。

除了能量流動的基本功能外，主干集控中樞還需要具備故障隔離功能。當(dāng)局域網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)行故障時，主干集控中樞能及時切除所連接的該局域網(wǎng)，將故障隔離，以免波及主網(wǎng)。同時，在檢測到局域網(wǎng)內(nèi)部電能質(zhì)量較差時，主干集控中樞能自動投切無功補(bǔ)償裝置來對局域網(wǎng)電能質(zhì)量予以改善。而在主干網(wǎng)電能質(zhì)量較差時，主干集控中樞應(yīng)該同樣能予以支撐。這也相當(dāng)于對當(dāng)今的統(tǒng)一潮流控制器和無功功率發(fā)生器功能予以高度集成。

3.2 區(qū)域集控中樞

區(qū)域集控中樞通常應(yīng)用于380 V電壓等級的小型地域和樓宇的配電管理，功率從百瓦到兆瓦不等。相比于主干集控中樞，區(qū)域集控中樞因?yàn)榉植际焦夥δ芎拓?fù)荷的接入，能量流動的方向更加復(fù)雜，也需要提供更多類型的電氣接口，并配以更加靈活的管理策略。

作為較小區(qū)域內(nèi)的能量管理中心，區(qū)域集控中樞需要具備較為完善的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力。當(dāng)監(jiān)測到局域網(wǎng)內(nèi)電壓較低、無功不足時，經(jīng)過補(bǔ)償容量計(jì)算，區(qū)域集控中樞可以自動投切相應(yīng)大小的電容器，從而對系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)監(jiān)測到局域網(wǎng)內(nèi)有功不足、頻率偏差較大時，局域集控中樞可以自動投入儲能來對局域網(wǎng)進(jìn)行支撐。在后者主網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況下，局域集控中樞有權(quán)徹底切斷與主網(wǎng)的連接，轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，由分布式光伏和儲能供電，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行。這同樣也完成了區(qū)域內(nèi)銀行、醫(yī)院等重要負(fù)荷的不間斷供電（uninterrupted power supply，UPS）。

3.3 家庭集控中樞

家庭集控中樞，顧名思義，是安裝在家庭入網(wǎng)接口處對整個住戶的電氣設(shè)備進(jìn)行能量管理的集中控制設(shè)備。家庭集控中樞通常適用于單相220 V電壓等級，最大能量功率大多不超過20 kW。但由于家庭用電設(shè)備的多樣性，家庭集控中樞需要提供的接口形式是最為復(fù)雜的。

與局域網(wǎng)的能量調(diào)度相同，家庭微網(wǎng)的調(diào)度同樣有3種情況：從局域網(wǎng)中吸收電能，向局域網(wǎng)輸出電能，以及必要情況下脫離局域網(wǎng)形成自給自足的微網(wǎng)系統(tǒng)。未來電網(wǎng)中，家庭將是分布式能源的主要參與者。隨著屋頂光伏、電動汽車和儲能的推廣，家庭內(nèi)部將形成一個家庭微網(wǎng)，必要時甚至可以實(shí)現(xiàn)較長時間的獨(dú)立自主運(yùn)行。此時，家庭集控中樞作為家庭微網(wǎng)的主管者，必將發(fā)揮其不可忽視的作用。

為了實(shí)現(xiàn)家庭微網(wǎng)內(nèi)的各個電氣設(shè)備能量流高度可控，需要在每個電氣設(shè)備內(nèi)植入通信裝置和控制器。在此情況下，家庭集控中樞在監(jiān)測家庭微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的同時，還能對分布式光伏、儲能、電動汽車等設(shè)備充放電功率予以調(diào)整，以維持家庭微網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定。

4 物理框架與功能實(shí)現(xiàn)

分布式發(fā)電裝置、儲能裝置、負(fù)荷等具有不同的出力類型（直流或交流）、電壓等級、功率等級、電能質(zhì)量要求。為了滿足參與能源交換的不同設(shè)備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態(tài)上需提供多個電氣形式的接口。針對這一問題，國外早有學(xué)者提出了固態(tài)變壓器（SST）的概念[4]。與傳統(tǒng)變壓器不同，固態(tài)變壓器還集整流、逆變?yōu)橐惑w，便于各種形式的分布式能源、儲能裝置和負(fù)荷的“即插即用”[5]。在輔以通信設(shè)施后，還能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息的雙向流動。因此，在硬件上，可將固態(tài)變壓器作為能源交換集控中樞的物理實(shí)體組成部分。固態(tài)變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 固態(tài)變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

固態(tài)變壓器本質(zhì)上是一個三端口的電力電子器件，包含一個高壓AC/DC整流模塊（可以將高壓工頻交流電整流成為高壓直流電），一個高頻（1～10 kHz）DC/DC直流變換模塊（由一個整流橋、一個高頻變壓器和一個逆變器組成）和一個低壓DC/AC逆變模塊（可以將低壓直流電逆變?yōu)榈蛪汗ゎl交流電）。

相比于傳統(tǒng)變壓器，固態(tài)變壓器的主要優(yōu)勢在于其先進(jìn)的電力電子特性。借助高頻率的電力電子開關(guān)，能量可以實(shí)現(xiàn)在多個不同電壓等級的接口間的自由多向流動。另外，該系統(tǒng)具有高、低壓交流側(cè)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，包括諧波改善、無功補(bǔ)償和電壓支撐等。因此，在物理層面上，多端口多電平的固態(tài)變壓器可以滿足本文設(shè)計(jì)的能源交換集控中樞對于可再生能源交換的要求。

5 集控中樞智能能量交換管理系統(tǒng)

綜上所述，本文所定義的集控中樞既是能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源交換傳輸?shù)难b置實(shí)體，又是一套能夠?qū)崿F(xiàn)信息流傳遞的管理軟件，討論了能源交換集控中樞的物理結(jié)構(gòu)后，還應(yīng)該對集控中樞輔以智能決策和控制單元來執(zhí)行特定的程序和調(diào)度算法，一方面監(jiān)控電力局域網(wǎng)的狀態(tài)；另一方面，根據(jù)上級調(diào)控中心的指令和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行主動功率調(diào)配。在此情況下，集控中樞不僅在物理層面上實(shí)現(xiàn)了功率流的傳遞，還能夠主動根據(jù)全網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行智能功率調(diào)控，相當(dāng)于擁有了“大腦”。集控中樞能量交換管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 集控中樞能量交換管理系統(tǒng)

同時，集控中樞能量交換管理系統(tǒng)與云平臺大數(shù)據(jù)結(jié)合，在執(zhí)行監(jiān)測狀態(tài)和自動上報等基礎(chǔ)功能的同時，還具有歷史信息綜合查詢、大數(shù)據(jù)出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)電光伏設(shè)備性能評價分析等功能。同時，其云平臺客戶端可以向用電企業(yè)和消費(fèi)者提供電能交易、新能源配額交易、分布式電源及電動汽車充電設(shè)施監(jiān)測與運(yùn)維等多種新型業(yè)務(wù)。

6 結(jié)論

為了滿足未來配電網(wǎng)對于電能管理的靈活要求，本文提出了能源交換集控中樞這一新的概念，然后對集控中樞的功能、要求和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。固態(tài)變壓器輔以能源交換管理系統(tǒng)，可以作為能源交換集控中樞的實(shí)現(xiàn)方向?？梢灶A(yù)見，能源交換集控中樞對于未來能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建將提供一個良好的解決方案。

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2095－6835（2019）02－0027－03

F426.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.027

〔編輯：張思楠〕