能源互联网背景下的能源交换集控中枢形态与架构探讨

2019-02-14徐辉秦鸣泓夏天刘峻李叶鹏

科技与创新 2019年2期

关键词：微网中枢主干

徐辉，秦鸣泓，夏天，刘峻，李叶鹏

徐辉1，秦鸣泓2，夏天1，刘峻1，李叶鹏2

（1.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州 730050；2.武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉 430072）

随着分布式可再生能源、储能和多种负载的接入，传统的配电网将逐渐难以满足能量多向流动和主动功率调控的要求。为了满足未来能源互联网对能量和数据双向流动的管理，提出了一个全新的概念——能源交换集控中枢，对其功能、要求和实现方法进行了分析。

能源互联网；能量多向流动；主动功率调控；能源交换集控中枢

传统配电网“一对多”的能源传输架构随着家庭式光伏、电动汽车和分布式储能的推广逐步在向“多对多”转变。在能源互联网，“电源”与“负载”的关系将不再固定。以家庭式光伏为例，白天，光伏装置产生的电能不仅可以供用户自己使用和储存在储能中备用，过剩电能还可以向电网出售，供给电网中的其他电能使用者；夜晚，光伏装置停止工作，电网和储能则又承担了电源的工作。众所周知，传统电网中潮流是不可控的。因此，如何在能源互联网中实现能量的精准调度，即每个关键节点都具备能量的主动调度能力，成为了能源互联网实现的重点。

1 能源交换集控中枢的概念

国内外学者普遍认为，未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联[3]。但至今还没有一个统一的、能够对单个或多个微电网进行统筹管理的控制系统被提出。为了满足未来能源互联网对能量和数据双向流动的管理，本文提出一个全新的概念——能源交换集控中枢。能源交换集控中枢是一种融合了先进的电力电子技术和信息技术，能对分布式能量的分配和传输进行高效管理和实现的集中控制系统。它的含义包含以下两个方面：①硬件方面。能源交换集控中枢具有能够实现多种分布式能源交换传输的大功率电力电子设备以及各个接口的监测和执行装置等。②软件方面。能源交换集控中枢具有完整的一套管理和控制系统，该系统功能包括监视系统各功能模块，可实时读取高速、双向的能源供需数据，为分布式可再生能源装置、储能装置和负荷提供接入管理，并实时实地控制其实现“即插即用”功能。

借助先进的电力电子技术，能源交换集控中枢可以提供多种形式的电气接口，包括直交流形式、不同电压等级等，以满足风光储等不同电气设备接入的需要；同时，各个接口能量流的大小和方向在电力电子的高可控性也得以精确控制，为能源互联网的实现提供了技术基础。而借助信息技术，能源交换集控中枢得以实现自律运行。只需要人为地对集控中枢发送较长时间的运行标准参数，比如电压偏差允许范围、频率偏差允许范围、电能质量要求等，能源集控中枢就能借助其内嵌的算法和程序实现所管辖微网的自主安全运行。同时，辅以相应的监测和执行设备，集控中枢各个接口的状态也能得以精准控制，分布式能源、储能和负荷可以实时接入并投入运行，且局域网较短时间内可以恢复到稳态。

2 能源交换集控中枢功能和要求

为了满足参与能源交换的不同设备所需的电气形式，能源交换集控中枢在物理形态上需要提供多种电气形式的接口，如直流600 V、交流220 V等。根据所连接设备的不同性质，接口所具备的功能也应有所区别。对于单纯的负荷，中枢接口往往只需要能量输出功能；而针对分布式光伏和风机的接口，则只需要具备能量吸收功能，同时为了更高效地利用分布式能源，往往还可以利用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术。而部分接口，比如连接储能的接口，则需要具备能源的双向流动能力。能源交换集控中枢需要为分布式可再生能源、储能和负荷提供接入管理，并实时实地控制其实现“即插即用”功能。这需要集控中枢能够对所接入的设备进行识别，并通过既定的通讯协议给予插入设备一定权限，以进行设备与中枢之间定额定向的能量交换。因此，集控中枢的每个接口都需要同时安装功率端口和通信端口，通信端口对功率端口起指挥作用。能源交换集控中枢能根据人为预设的优化参数实现管辖区域网内的自律运行。这不仅要求集控中枢能够控制局域网内电气设备的能量流动和进行系统状态监测，与此同时，在发生突发情况时，比如检测到主系统故障或电能质量不达标时，局域能源交换集控中枢也要依据内嵌的指令和程序，做出自动快速的响应，比如切换成孤岛运行状态，以保证所管辖局域网内电能质量不受波及、持续稳定运行。因此，能源交换集控中枢还需要一个智能能量管理系统，能够根据系统所预设的程序在检测到特定情况时执行指定的流程操作，以保证局域网内部的稳定。

3 能源交换集控中枢等级分类

根据我国配电网的不同等级，能源交换集控中枢大致可分为主干集控中枢、区域集控中枢和家庭集控中枢三类。

3.1 主干集控中枢

主干集控中枢功能大致相当于变电站，能量的流动方向相对而言较为简单。它通常适用于10 kV电压等级，传输功率可达兆瓦以上，可实现较大区域范围内的配电工作。大部分情况下，主干集控中枢的工作都是将能量向下一级配电网分配，能量流动是单相的。而在大规模可再生能源发电区域，主干集控中枢的功能则主要是由低压侧向主干配电网反馈能量。

除了能量流动的基本功能外，主干集控中枢还需要具备故障隔离功能。当局域网内出现运行故障时，主干集控中枢能及时切除所连接的该局域网，将故障隔离，以免波及主网。同时，在检测到局域网内部电能质量较差时，主干集控中枢能自动投切无功补偿装置来对局域网电能质量予以改善。而在主干网电能质量较差时，主干集控中枢应该同样能予以支撑。这也相当于对当今的统一潮流控制器和无功功率发生器功能予以高度集成。

3.2 区域集控中枢

区域集控中枢通常应用于380 V电压等级的小型地域和楼宇的配电管理，功率从百瓦到兆瓦不等。相比于主干集控中枢，区域集控中枢因为分布式光伏、储能和负荷的接入，能量流动的方向更加复杂，也需要提供更多类型的电气接口，并配以更加灵活的管理策略。

作为较小区域内的能量管理中心，区域集控中枢需要具备较为完善的电能质量调节能力。当监测到局域网内电压较低、无功不足时，经过补偿容量计算，区域集控中枢可以自动投切相应大小的电容器，从而对系统无功进行补偿；当监测到局域网内有功不足、频率偏差较大时，局域集控中枢可以自动投入储能来对局域网进行支撑。在后者主网出现严重故障的情况下，局域集控中枢有权彻底切断与主网的连接，转入孤岛运行模式，由分布式光伏和储能供电，实现局域网内独立稳定运行。这同样也完成了区域内银行、医院等重要负荷的不间断供电（uninterrupted power supply，UPS）。

3.3 家庭集控中枢

家庭集控中枢，顾名思义，是安装在家庭入网接口处对整个住户的电气设备进行能量管理的集中控制设备。家庭集控中枢通常适用于单相220 V电压等级，最大能量功率大多不超过20 kW。但由于家庭用电设备的多样性，家庭集控中枢需要提供的接口形式是最为复杂的。

与局域网的能量调度相同，家庭微网的调度同样有3种情况：从局域网中吸收电能，向局域网输出电能，以及必要情况下脱离局域网形成自给自足的微网系统。未来电网中，家庭将是分布式能源的主要参与者。随着屋顶光伏、电动汽车和储能的推广，家庭内部将形成一个家庭微网，必要时甚至可以实现较长时间的独立自主运行。此时，家庭集控中枢作为家庭微网的主管者，必将发挥其不可忽视的作用。

为了实现家庭微网内的各个电气设备能量流高度可控，需要在每个电气设备内植入通信装置和控制器。在此情况下，家庭集控中枢在监测家庭微网运行状态的同时，还能对分布式光伏、储能、电动汽车等设备充放电功率予以调整，以维持家庭微网电能质量的稳定。

4 物理框架与功能实现

分布式发电装置、储能装置、负荷等具有不同的出力类型（直流或交流）、电压等级、功率等级、电能质量要求。为了满足参与能源交换的不同设备所需的电气形式，能源交换集控中枢在物理形态上需提供多个电气形式的接口。针对这一问题，国外早有学者提出了固态变压器（SST）的概念[4]。与传统变压器不同，固态变压器还集整流、逆变为一体，便于各种形式的分布式能源、储能装置和负荷的“即插即用”[5]。在辅以通信设施后，还能够实现能量和信息的双向流动。因此，在硬件上，可将固态变压器作为能源交换集控中枢的物理实体组成部分。固态变压器电路拓扑结构如图1所示。

图1 固态变压器电路拓扑结构图

固态变压器本质上是一个三端口的电力电子器件，包含一个高压AC/DC整流模块（可以将高压工频交流电整流成为高压直流电），一个高频（1～10 kHz）DC/DC直流变换模块（由一个整流桥、一个高频变压器和一个逆变器组成）和一个低压DC/AC逆变模块（可以将低压直流电逆变为低压工频交流电）。

相比于传统变压器，固态变压器的主要优势在于其先进的电力电子特性。借助高频率的电力电子开关，能量可以实现在多个不同电压等级的接口间的自由多向流动。另外，该系统具有高、低压交流侧的电能质量调节功能，包括谐波改善、无功补偿和电压支撑等。因此，在物理层面上，多端口多电平的固态变压器可以满足本文设计的能源交换集控中枢对于可再生能源交换的要求。

5 集控中枢智能能量交换管理系统

综上所述，本文所定义的集控中枢既是能够实现多种能源交换传输的装置实体，又是一套能够实现信息流传递的管理软件，讨论了能源交换集控中枢的物理结构后，还应该对集控中枢辅以智能决策和控制单元来执行特定的程序和调度算法，一方面监控电力局域网的状态；另一方面，根据上级调控中心的指令和当前网络状态进行主动功率调配。在此情况下，集控中枢不仅在物理层面上实现了功率流的传递，还能够主动根据全网运行情况进行智能功率调控，相当于拥有了“大脑”。集控中枢能量交换管理系统如图2所示。

图2 集控中枢能量交换管理系统

同时，集控中枢能量交换管理系统与云平台大数据结合，在执行监测状态和自动上报等基础功能的同时，还具有历史信息综合查询、大数据出力预测和负荷预测、风电光伏设备性能评价分析等功能。同时，其云平台客户端可以向用电企业和消费者提供电能交易、新能源配额交易、分布式电源及电动汽车充电设施监测与运维等多种新型业务。