低压配电网的开放式能源路由网络*

陈 博， 王世峻， 费 斐

(国网上海市电力公司 经济技术研究院， 上海 200120)

目前，全球温室气体过量排放引起气候发生变化，导致全球温度上升、冰川融化等气候问题，各国正在努力减少碳排放并提高能源效率[1].能源互联网(energy internet，EI)是实现该目标的有效方法.作为下一代能源管理设备，能量路由器(energy router，ER)成为EI的核心.能量路由器也被称为数字电网路由器，其可以管理一定范围内的电源并分配区域电源[2-3]，专注于智能电网中的电力使用与需求之间的能源管理.从2015年开始，中国学术界与产业界逐步研究能源互联网，刘显茁等[4]开发了一种六端口的家用能量路由器，其可用于家庭中分布式设备以及储能设备的接入管理；王雨婷[5]设计了一种三端口双向能量流动的能源路由网络结构，其能够自主控制双向能量分配；田兵等[6]开发了一种多接口模块换能源路由网络，其通过分层方式控制本地能源与网络能源的切换.由于低压电网中存在大量的分布式屋顶光伏，新能源的获取与分配问题将变得十分复杂.本文研究了ER的结构、路由器网络和电力设备的访问管理，设计了一个中等规模的能源控制系统，同时提出一种带有网络路由系统的低压ER，以便在380 V配电网的范围内实现访问管理和新能源自治.

1 低压能源路由网络

针对分布式新能源的获取与消耗，本文设计了一种新型低压ER，其结构如图1所示.假设ER结合380 V交流电网与两类本地设备，即新能源发电站和电力负载.当天气条件合适时，由新能源站产生的电力直接提供给负载.当电力供应充足时，多余的电力被输送到380 V配电网；当新能源站不工作时，配电网提供电力负载；当新能量产生的功率不足时，ER将以混合电源模式运行.

图1 低压ER结构Fig.1 Low voltage ER structure

当ER处于低压电网中时，其可以在EI和传统380 V配电网的环境中运行.当ER连接到EI微电网和广域EI时，继续将电力传输到微电网和广域网[7-8].当ER连接到传统配电网时，电力可以转移到380 V电网，但由于传统电网的单向流动，无法进一步转移到高压电网，因此，电源管理应仅在380 V配电网内进行.低压电网的能源路由网络结构如图2所示.

串联结构的能源路由网络如图2a所示.其中，每个新的能量站或负载均连接到两侧ER，其可以根据功率平衡的要求，选择性地将功率传输到左ER或右ER.同样，负载也可以从左ER或右ER获得功率.串联形的能源路由网络增强了管理能量的能力.

图2 两种能源路由网络的结构Fig.2 Structures of two energy routing networks

另一类能源路由网络称为星形结构，如图2b所示.星形能源路由网络可以结合6组功率设备，每组功率设备的角度为60°，故在该结构下，ER的互连能力与配电能力得到了增强.此外，由于功率是双向流动的，因此能源路由网络可以间接管理更远的新能源站.

2 路由机制

2.1 单个ER的访问管理

当单个ER运行时，有6种功能模式，即启动模式、操作模式、新能量加入模式、新能量下降模式、负载加入模式和负载下降模式[9-11].使用路由矩阵来描述对所有设备的访问，即

(1)

式中，n为实际连接到ER设备的数量.每个元素的值为1或0，1表示对ER的访问，而0表示与ER分离.

2.2 串联结构网络路由机制

路由矩阵可用于串联形能源路由网络的功率管理.由于每个ER分别连接到另外两个ER，因此每个ER具有两个路由矩阵.与单ER相比，串联形能源路由网络具有更多类型的路由机制，实现相邻路由器之间的功率协调.图3为串联形路由网络的协调关系，其中，ER1具有两个矩阵A1和A2，ER2具有两个矩阵B1和B2.

ER1与ER2通过矩阵A2和B1进行功率协调，一旦A2和B1的值发生变化，两个ER将生成指令到相应的电子开关.该协调具有以下特征：1)A2和B1具有相同的矩阵结构，这意味着其在物理上具有相同的连接；2)矩阵A2和B1中相同位置的对应元素不应同步为1，即每个设备只能使用一个ER进行访问；3)根据功率协调的要求，A2和B1的值会影响A1与B2的值.

图3 路由矩阵的双向协调Fig.3 Bidirectional coordination of routing matrix

2.3 星形网络路由机制

图4为星形路由矩阵图.每个ER具有6个路由矩阵，分别对应连接到ER的6组功率设备.与串联形路由网络相比，星形路由网络具有更多的路由选择[12-14].

图4 星形路由矩阵图Fig.4 Star-shaped routing matrix diagram

ER1的矩阵A1与ER2的矩阵B1能够直接协调，而ER1的矩阵A2与ER3的矩阵C1能够直接协调.矩阵的连接关系表明，每个ER与外围路由器均有直接的能量协调(外围路由器的最大数量为6个)，由于星形能源路由网络高度互连，所以具有更强大的路由功能.

3 模拟实验

对于上文提到的能源路由网络，应从以下3个方面进行验证：1)ER的开放性，可以保证有序接入和退出功率设备；2)串联形能源路由网络的联动机制；3)星形能源路由网络的网络链接机制.

3.1 单一ER

本文设计的接入部件包括：380 V电网、光伏新能源及直流母线电压为700 V的负荷，具体参数如表1所示.

表1 访问的设备和参数Tab.1 Accessed devices and parameters

单个ER可以自由实施开关，并快速调节功率.切换时所有访问设备功率平衡效果如图5所示.蓝色、绿色和红色线分别表示380 V电网、新能源和负载的电流.

图5 单个ER访问管理效果图Fig.5 Access management of single ER

单一ER正常工作矩阵为

(2)

当一组光伏电池在第5 s离开ER时，矩阵变为

(3)

此刻电流曲线如图5b所示，一旦新能源站的电流消失，380 V电网的电流就会迅速增加，因此仍可以满足负载的功率需求.当一组负载从路由器退出时，路由矩阵的变化类似于式(3)，电流曲线如图5c所示.

3.2 串联结构路由网络

根据协作电源的需求，每种新能源或负载均可以接入左路由器或右路由器.系统仿真电路接线图如图6a所示；系统正常运行时所有电流曲线如图6b所示.当路由器1中存在一组新能源设备并被路由器2访问时，各种被访问设备的电流曲线如图6c所示.可以看出，当在第5 s发生了相关变化时，路由器1和路由器2的功率分布同步变化.电流的调整会及时适应设备的变化，从而使功率平衡.当一组负载从路由器1退出并进入路由器2时，矩阵将发生变化，电流曲线变化如图6d所示.

图6 串联形ER的联动机理Fig.6 Linkage mechanisms of series-shaped ER

3.3 星形路由网络

3个路由器的星形网络具有更强大的链接，因此可以灵活地促进电源在网络中的分布.星形ER仿真电路接线图如图7所示，共有3个路由器的15条测试线.每个路由器的5个测试点均已绘制，以进行清晰演示.

图7 星形ER仿真电路接线图Fig.7 Wiring diagram of star-shaped ER simulation circuit

在第5 s中，新能源2由路由器2处加入，并切换到路由器3，从15个测试点中提取5个点进行观测，结果如图8所示.

图8 新能源路由器切换Fig.8 Switch of new energy routers

在第5 s中，负载由路由器1处加入，并切换到路由器2.此时，5个测试点的变化情况如图9所示.

图9 负载路由器切换Fig.9 Switch of load routers

由仿真可以看出，ER3并未发生任何变化，但路由器1、路由器2在设备访问方面有所变化，设备在两个路由器之间进行切换，可以重建电源平衡.

4 结 论

针对新能源的评估与消耗问题，本文提出了ER的结构及功能设计，并通过ER的互连为低压配电网设计了两种路由网络拓扑.此外，通过单个ER、串联和星形能源路由网络来实现电源管理.建立路由矩阵及其应用程序，从而实现对所访问设备的管理.尽管本文在电源管理中提出了路由机制，但在未来的研究中仍需继续研究控制精确度问题；其次，当路由矩阵应用于串联和星形网络时，应考虑两个相邻矩阵之间的作用机理；最后，由于储能装置仅用于补偿直流母线电压，因此应针对直流电压的稳定性，详细研究补偿算法.