户用型能量路由器的微电网应用技术

协鑫集团设计研究总院 ■ 陈敏 李义强 田浩 叶明军

0 引言

能源互联网是在现有能源供给系统与配电网的基础上，通过先进的电力电子技术和信息技术，融合新能源技术和互联网技术，将大量分布式能源采集装置和分布式能源储存装置互联起来，实现能量和信息双向流动的能源对等交换和共享网络[1]。与此同时，为了保证在新能源电力接入渗透率过高的情况下电力系统的安全稳定运行，必须将大量的分布式新能源电力就近安排在负荷侧，并配以储能系统、能量管理系统等形成电网渗透率可控、能源就地消费的微电网系统。能源互联网中，需要由能量路由器(E-Router)作为关键核心设备，以实现多种形式能量的协调管理、分布式可再生能源的高效利用，以及保障电网的安全可靠运行[2]。微电网的最小单位是户级，因此能量路由器的最小单位也是户级。以合肥阳光为代表的新能源设备生产厂家根据以上背景研发了基于户级微电网的户用型E-Router，实现了户级的能源自治管理，并能与上一级微电网系统或配电网系统无缝切换，在并网模式或离网模式可靠工作。

1 户级微电网系统

在众多微电网系统中，户级微电网系统是一类非常特殊的系统，其建立在以家庭为单位的家庭级能量管理基础之上，是微电网概念可拓展到的最小单位，同时可满足家庭分布式电源、负荷、储能、上级电网的接入，实现各类能源与负荷间协调控制，并、离网无缝切换，以及与上一级微电网的统一管理。

在这样的系统中，户用型E-Router承担着最重要的角色，它不仅接入了户级能源的所有供给设备和消费设备，而且可独立完成对这些设备的控制和管理，真正具备“挂网后不管”的能力，成为配网末梢的能源管家。

图1集中展示了户级微电网系统的结构，在户级的应用中，可实现一、二类负荷的分离控制，把涉及到安全方面的照明等负荷归为一类负荷，其他负荷归为二类负荷。一类负荷在电网断电时仍可由储能设备供电，二类负荷随着户级微电网与电网的分离而断电。分布式新能源以光伏为典型设备，一般一个户级的家庭可安装3～5 kW的光伏组件作为户级微电网的发电设备；考虑经济性，储能设备的配置一般满足一户家庭满负荷工作0.5 h为宜，容量在3 kWh左右；与电网的连接由塑壳断路器完成，主要起到快速并、离网切换和手动分合电网电源的功能。户用型E-Router承担着光伏出力、储能管理、开关控制等所有电气设备的监视控制任务，在户级能量自治的前提下，同时接受上级微电网管理系统或配电自动化系统的统一调度管理。

在户级微电网系统中引入了户用型E-Router，因其本身集成了微电网各项控制策略和开关、继电器等终端设备，并能有效监视管理储能设备，在电网失电或发生故障时能有效地无缝切换到离网工作模式，并能在离网运行时实现户级能源自治，所以在实际应用中，可与上级微网系统进行通信互动，也可直接接入配网独立运行，解决了能源互联网中户级能源离网运行独立控制和数据采集上送两大问题。

2 户用型能量路由器

在能源互联网中，E-Router的主要任务是调整能量的流动和进行实时的信息传递[2]，简言之，就是实现了“一次能源可控，二次数据可送”的功能。不同节点位置的E-Router具有不同的功能和运行目标[2]，干网型的E-Router是基于调整电力系统部分节点的网络参数而实现能量流的人为可控，使能量流的行走路径达到电网设备负载可接受的程度；户级终端用户所需配置的户用型E-Router承担控制光伏、储能出力，协调与电网间功率和能量交换率的职责，其一般形式是采用基于多端口变换器(MPC)技术和基于电力线通信(PLC)技术进行能量及信息的变换和传输。

2.1 基于MPC技术的户用型能量路由器

户级配电系统中，一般通过MPC来实现“源-网-荷-储”之间的能量转换。文献[3]设计了由DC/DC基本拓扑构成的多端口双向DC/DC变换器，如图2所示，通过多路DC/DC变换电路、多路DC/AC逆变电路，实现户级负载与光伏出力、储能出力及电网间的能量平衡；同时，系统配置有独立的通信接口、储能设备及上级控制系统实时通信。

图2 基于MPC的户用型E-Router

基于MPC技术的户用型E-Router是目前主流新能源生产厂家的实用产品，其多端口变流器能实现光伏发电和储能的接入，其余功能与文献[3]所述样品一致。如此配置主要是到考虑国内的实际情况，在大部分地区，使用微电网的家庭不具备风力和燃料电池等新能源资源，因此，只接入光伏发电的简洁配置既降低了设备运行的技术风险，又能满足绝大部分地区户级微电网建设的实际需求。

2.2 基于PLC技术的户用型能量路由器

能量与信息在基于MPC的户用型E-Router中是分线/独立传输，而在基于PLC的户用型E-Router中是共线/耦合传输的[4]。PLC技术是将信息数据通过调制的方式，耦合敷载于电力工频波之上，通过电力线路同时输送工频波和载波，在末端通过解调的方式将工频波和信息载波分离，一条线路达到同时输送能量和信息的双重目的。然而这类PLC技术仅围绕电力传输的同时数据通信技术研究，却无法实现电能的多路径流向传输[4]。

文献[5]针对家庭能量管理系统提出了基于PLC技术的时分复用调度方案，并通过实验验证了该系统的可行性。该系统的电源端将工频波和信息集中调制打包，形成带地址标识的能量数据复合包，然后Mixer通过时分复用方式进行线路传输；复合包传输到E-Router后被解调，再根据原编码的地址信息将能量和数据分别分配到相应的目标地址。由于同一电能分时传送的时间间隔会加剧分布式能源所发电能的间歇性和不稳定性，所以需在负载端配置一定容量的储能来改善电能质量。

图3 基于PLC的户用型E-Router

该项技术在国内尚属前沿技术，目前国内生产厂家并无对标产品，因此本文以下所述内容均基于使用MPC技术的户用型E-Router，暂不涉及使用PLC技术产品的讨论。

2.3 户用型能量路由器的运行控制

户用型E-Router通过合适的控制策略，能对户级微电网系统的并网状态、离网状态，以及并网转离网、离网转并网的无缝切换过程进行有效控制，保证家庭用户在各种状态下的安全可靠用电。以下对其控制策略进行具体分析：

1)P/Q控制：户级微电网完全由户用型E-Router与电网接口，其最基本的功能就是控制输出的有功功率和无功功率。P/Q控制是指E-Router能够实现有功功率和无功功率，而其参考功率的确定则是其功率控制的前提。户用型E-Router容量极小，在并网运行时可以考虑使用恒定功率方式进行并网，其电压和频率由电网刚性支撑，E-Router不考虑频率调节和电压调节，仅发出或吸收功率。这样的控制策略能有效避免其直接参与电网的频率电压调节，减小电力系统对于分布式间歇性能源的负担。

2)U/f控制：U/f控制是指E-Router输出稳定的电压和频率，确保离网运行中其他从属电源和一类负荷继续工作。由于户级孤岛容量有限，一旦出现功率缺额，需要切除二类负荷，以确保一类负荷的工作，因此，U/f控制要能够响应跟踪负荷投切[6]。在E-Router本身具备多路负荷投切回路的情况下，U/f控制适合户级微电网离网运行时的控制。

3)Droop控制(下垂控制)：Droop控制是模拟传统电网中发电机的下垂特性，根据输出有功和无功的变化，控制电压源E-Router的输出电压和频率[6]。此种策略可同时工作在并网或离网模式，虽因负载的投切会有电能质量微量跌落，但对于户级微电网而言，考虑其无缝切换的能力，不失为一种合适的控制策略。

4)并网转离网：配电网出现故障或进行计划性孤岛操作时，首先由E-Router断开并网开关，同时二类负荷随即切除。主电源考虑维持Droop控制不变或由P/Q工作模式切换到U/f工作模式，为一类负荷不间断供电。

5)离网转并网：微电网离网运行时，E-Router监测配电网供电恢复或接收到上级微电网能量管理系统(也可为配网自动化系统)结束计划孤岛命令后，准备并网，同时准备为切除的负荷重新供电；此时，若微电网满足并网的电压和频率条件，闭合已断开的并网开关，重新为负荷供电；然后E-Router持续工作在Droop控制模式或由U/f工作模式切换到P/Q工作模式，进入并网运行。

2.4 通信调度

由于微电网系统的分层分布特性，在户级微电网的上一级往往配置有楼层级或楼间级的微电网系统。因此，与上一级微电网的通信互动，接收上一级微电网的统一调度或户间能量互动成为必须。通信调度的主要内容包含以下几个关键部分：

1)上级微电网系统应以安全、经济、稳定为原则，根据电网的预测值给E-Router下发功率调节、发电计划、运行模式命令，从而使户级微电网成为配电网的可控单元[6]。

2)E-Router应通过对用户终端的状态检测和信息采集，协调控制功率分配，稳定输出电压和频率。上级微网系统制定出稳态计划，E-Router负责暂态控制。

3)用户层的储能设备通过CAN或RS485总线与E-Router相连，能实时监控电池的工作状态，为发出合适的控制指令提供可靠的保障。

3 户用型能量路由器的应用意义

作为能源互联网技术的末梢，同时也是微电网技术的关键设备，户用型E-Router的应用意义主要有如下几个方面：

1)集成了光伏逆变器、储能变流器、负荷控制器、并网控制器的功能于一体，在一次结构上避免了线路的重复搭建，减少了设备数量，节约了成本和安装空间。

2)由于系统的集成，原本需搭建的外部通信网络大幅简化，E-Router只需保留与电池系统和上级微电网系统的通信接口，其余通信均由内部总线完成，提高了通信速率和可靠性，为户级能量自治控制提供了快速准确的通信条件。

3)实现了与电网间并、离网状态的无缝切换，最大限度地提高了家庭用户的供电可靠性，并在储能设备的帮助下能够保证家庭用户在电网失电时依然可以享有照明、影像等设备的供电服务。

4)其微电网自治的特点真正实现了“挂网后不管”的功能，即使在普通分布式并网环境下，亦具备快速安装、接线简单、工作可靠的特点。

4 结语

能源互联网技术和微电网技术方兴未艾，E-Router在此背景下的大量应用已成必然之势，在电力系统干网未大量采用之前，微电网推广建设应运而生的户用型E-Router的应用技术成为能源互联网技术革命的排头兵，解决了在配网末梢因大量分布式能源的配置而引起的电网安全可靠运行及分布式能量管理问题。随着新兴技术的研发和推广，户用型E-Router会向更多种分布式能源接入、能量数据耦合PLC传输等新技术方向发展，前景向好。本文所述的户用型E-Router，已解决了户级“能量可控、数据可送”的应用技术，随着更先进理论和技术的引用，户用型E-Router应用技术也将向更快、更准、更高技术层次的目标推进。

[1]沈洲,周建华,袁晓东,等.能源互联网的发展现状[J].江苏电机工程,2014,(1):81－84.

[2]陈静鹏,余志文,艾芊.面向能源互联网的能量路由器研究[J].电器与能效管理技术,2015,(24):10－15.

[3]Tao H,Kotsopoulos A,Duarte J L,et al.Family of multiport bidirectional DC-DC converters[J].IEE proceedings-Electric Power Applications,2006,153(3):451－458.

[4]郭慧,汪飞,张笠君,等.基于能量路由器的智能型分布式能源网络技术[J].中国电机工程学报,2016,36 (12):3314－3324.

[5]Gungor V C,Sahin D,Kocak T,et al.Smart grid technologies:Communication technologies and standards[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2011,7(4):529－539.

[6]李富生,李瑞生,周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京:中国电力出版社,2013.