用于低壓配電終端的自組織電能路由器關(guān)鍵技術(shù)研究

電能互聯(lián)網(wǎng)是未來電能傳輸?shù)内厔?，本?xiàng)目針對社區(qū)電能局域網(wǎng)，研究電能路由器的電路結(jié)構(gòu)、電能路由算法、通信方式和控制方法。本項(xiàng)目將電力電子與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相融合，研究包括：1）研究電能局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、電能轉(zhuǎn)發(fā)模式和電能路由算法，提出了一種基于圖論的電能路由設(shè)計方法，該算法采用Dijkstra最短路徑算法，以電能傳輸“代價”最小為目標(biāo)，尋求最優(yōu)化的電能管理和調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)社區(qū)級路由器之間靈活、高效、自主的電能交換和管理。2）研究功率變換與信息傳輸一體化技術(shù)，包括變換器的信息調(diào)制技術(shù)、能量與信息一體化系統(tǒng)電路設(shè)計、能量與信息同傳系統(tǒng)的信道特性與信噪比分析等。建立了變換器能量與信息復(fù)合調(diào)制的基本理論和分析方法，提出功率/數(shù)據(jù)單載波調(diào)制和功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制這兩種基本方式，闡述了其基本原理并在實(shí)際變換器電路中實(shí)現(xiàn)。提出在電能局域網(wǎng)中采用能量與信息一體化傳輸技術(shù)，以提高變換器設(shè)備之間通信的便捷性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。3）研究電能路由器的電路設(shè)計與控制技術(shù)，包括電能路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，以及網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下的在線調(diào)試和診斷技術(shù)，用于在多變換器環(huán)境下實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線優(yōu)化和故障診斷。設(shè)計了一個電能路由器實(shí)驗(yàn)平臺和裝置，驗(yàn)證了電能路由器的工作過程，包括能量與信息一體化傳輸機(jī)制。 2100433B

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展的方向，電能路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心。針對能源互聯(lián)網(wǎng)的低壓配點(diǎn)終端環(huán)節(jié)，提出一種多端口的自組織電能路由器結(jié)構(gòu)，包括變流器組和開關(guān)陣列。在多電能路由器組成的能源局域網(wǎng)環(huán)境下，系統(tǒng)能夠根據(jù)能量路由算法對變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電能傳輸形式和傳輸路徑進(jìn)行協(xié)同重構(gòu)。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究自組織電能路由器的幾個關(guān)鍵問題：（1）自組織電能路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計；（2）多電能路由器互聯(lián)環(huán)境下的能量路由算法設(shè)計；（3）實(shí)用化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，如即插即用技術(shù)、設(shè)備自動識別等。項(xiàng)目將對這幾個問題進(jìn)行理論分析和仿真研究，最后通過搭建一個實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行驗(yàn)證?；谧越M織電能路由器的能量局域網(wǎng)通過擴(kuò)展，有望成為未來能量互聯(lián)網(wǎng)的一部分。本項(xiàng)目希望能為未來能量互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

電能路由器作為配電網(wǎng)中分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備、儲能設(shè)備、負(fù)荷等的智能接口，應(yīng)該在保證電能質(zhì)量的前提下，靈活地管理區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部及整個配電網(wǎng)中的動態(tài)電能。對電能路由器的基本要求主要有 :

1)接口的即插即用:電能路由器應(yīng)該面向各種不同知識層面的用戶，具備使用容易、方便的特點(diǎn)，這就要求電能路由器的接口應(yīng)該是即插即用的。即分布式能源插到電能路由器的接口后，電能路由器能夠快速檢測出分布式能源的類型，并做出相應(yīng)的響應(yīng);

2)接口的雙向性:由于分布式能源既可能作為電源向電網(wǎng)供給電能，又可能作為負(fù)荷從電網(wǎng)索取能量，這使得電能路由器的接口應(yīng)該具有雙向性的特點(diǎn)，即能夠傳輸雙向能量流;

3)實(shí)時通信技術(shù):電能路由器要實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制還需要實(shí)時的通信，即主動配電網(wǎng)中的Agent要能夠進(jìn)行實(shí)時通信;

4)用戶電能消耗查詢技術(shù):電能路由器需要將用戶的能量消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計并保存到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，正如實(shí)時查詢話費(fèi)一樣，用戶可以通過Internet登錄官方網(wǎng)站或是發(fā)信息方便快捷地了解其的電能消耗情況，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上電費(fèi)充值等快捷服務(wù)。

在接入了分布式電源的配電系統(tǒng)中，不同的分布式電源、同一分布式電源在不同時刻具有多種不同供電能力和供電電能質(zhì)量;同時，負(fù)荷側(cè)電力用戶的各種負(fù)載對電源的供電能力及電能質(zhì)量的需求也不盡相同。如何實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的匹配運(yùn)行，建立一個電源與負(fù)載協(xié)調(diào)運(yùn)行的電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)勢在必行。電能路由器的概念及其能量管理方法，是為解決上述問題而提出的，電能路由器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的最優(yōu)化匹配運(yùn)行。

分布式可再生電源主要分布在配電網(wǎng)用戶附近，這不僅可以減少一次性能源的利用，而且可以減少了電能傳輸時的電力線上的電能損耗。電網(wǎng)控制形態(tài)的關(guān)鍵影響因素，并預(yù)測、規(guī)劃了未來電網(wǎng)的控制形態(tài)。分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，討論了分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和智能配電網(wǎng)中的所應(yīng)用的技術(shù)手段。

文獻(xiàn) 提出將電能路由器作為可再生分布式電源接入主動配電網(wǎng)時的靈活接口，并利用多Agent技術(shù)作為主動配電網(wǎng)中電能路由器管理能流的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各控制區(qū)域協(xié)調(diào)運(yùn)行。同時提出“Scaling Push-Relabel'’控制算法，為實(shí)現(xiàn)緩減用電高峰、降低運(yùn)行成本、最大化滿足用戶電力需求等控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[[15]提出了基于固態(tài)變壓器(Solid State Transformer，簡稱SST)的電能路由器在智能電網(wǎng)中以實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理能流，研究解釋了電能路由器的整體結(jié)構(gòu)和通信系統(tǒng)?；谥绷鳝h(huán)網(wǎng)的電能路由器，首先對各個功能模塊進(jìn)行了分析，搭建了硬件模型，進(jìn)而分析了電能路由器監(jiān)測、控制及保護(hù)系統(tǒng)。

文獻(xiàn) 認(rèn)為主動配電網(wǎng)是自適應(yīng)的智能電力系統(tǒng)，提出了在主動配電網(wǎng)中應(yīng)用靈活的主動控制、保護(hù)系統(tǒng)及通信技術(shù)、傳感測量技術(shù)的必要性。在CIGREC6.11 上率先將“Active Distribution Networks'，譯為“主動配電網(wǎng)”，并一致認(rèn)為在主動配電網(wǎng)中，采用先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù)能夠以較低的費(fèi)用接入更多的DER（Distributed Energy Resource的簡稱，是對分布式電源、柔性負(fù)荷及儲能設(shè)備總稱），以實(shí)現(xiàn)這些DER的動態(tài)控制。研究了主動配電網(wǎng)及其特征，討論了主動配電網(wǎng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)，主要有分層分布協(xié)調(diào)控制技術(shù)、綜合規(guī)劃技術(shù)、全局優(yōu)化能量管理技術(shù)等 。

文獻(xiàn) 提出了未來配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、未來電網(wǎng)中能量路由器選擇的核心器件一固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)和控制方法。該電能路由器適合分布式可再生電源、分布式存儲設(shè)備的即插即用，可以實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)化配置、電網(wǎng)的故障管理。Hui Li等學(xué)者根據(jù)目前固態(tài)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，中提出了一種含有自適應(yīng)傳感器的固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu);在文中提出了基本固態(tài)變壓器基于DSP和FPGA的控制算法的實(shí)現(xiàn) 。提出了電能Internet和電能路由器的概念，分析了電能路由器的結(jié)構(gòu)，并且模擬了分布式可再生電源、負(fù)荷、存儲設(shè)備的各種狀態(tài)，提出了基于直流母線的多轉(zhuǎn)化接口橋固態(tài)變壓器，并對其環(huán)路作了詳細(xì)的分析，通過分布式電源和存儲設(shè)備的模擬進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 。

首先將FREEDM（the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System的簡稱）概念引入國內(nèi)，并且分析了FREEDM中的核心設(shè)備一固態(tài)變壓器的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，進(jìn)而研究了適合我國電壓等級的三相SST模型，提出了基于SST的光伏發(fā)電的并網(wǎng)模式。

隨著可再生能源發(fā)電裝置、儲能設(shè)備及各種類型的電能負(fù)載的接入，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)備無法滿足供電形式多樣和能量多向流動以及功率流的主動調(diào)控等要求，無法適應(yīng)未來電力市場化的需要?；陔娏﹄娮幼儞Q技術(shù)構(gòu)成的電能路由器，小但可為小同的新能源發(fā)電裝置和小同類型負(fù)載提供靈活多樣化的接口電氣形式，還可實(shí)現(xiàn)能量的多向流動能力和對功率流的主動控制。與信息技術(shù)的融合使電能路由器擁有通訊和智能決策能力，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及用戶和控制中心的指令，實(shí)現(xiàn)對電力網(wǎng)絡(luò)能量流的主動管理 。