徐夢超，邰能靈，黃文燾，鄭曉冬，李國棟，陳培育，王旭東

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基于社區(qū)能源網(wǎng)的電能路由器設計

徐夢超1，邰能靈1，黃文燾1，鄭曉冬1，李國棟2，陳培育2，王旭東2

(1.上海交通大學電氣工程系，上海200240；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010)

隨著分布式發(fā)電及儲能設備的廣泛應用，基于新能源和互聯(lián)網(wǎng)技術的能源互聯(lián)網(wǎng)建設得到快速發(fā)展。連接電網(wǎng)、分布式發(fā)電設備、儲能設備以及負荷的電能路由器的設計，可以滿足能源互聯(lián)的需求，從而實現(xiàn)對負荷用電和分布式電源發(fā)電的優(yōu)化調(diào)度管理。提出社區(qū)能源網(wǎng)絡的基本構成，電能路由器作為其最小終端，控制和調(diào)度家庭發(fā)用電系統(tǒng)。在分析電能路由器設計需求的基礎上，提出基于固態(tài)變壓器的即插即拔、多輸入多輸出的電能路由器方案，實現(xiàn)連接家庭發(fā)用電系統(tǒng)的新能源出力、儲能設備和負荷并進行統(tǒng)一的控制和調(diào)度。

電能路由器；戶用光伏；社區(qū)能源網(wǎng)絡；能源互聯(lián)網(wǎng)；固態(tài)變壓器

0 引言

目前，能源需求日益增加而一次能源儲量卻逐漸減少，由此帶來的能源缺口在未來發(fā)展中需要可再生能源來補充。光伏和風力發(fā)電技術已經(jīng)日趨完善，尤其是戶用光伏將在各個城市的成千上萬戶家庭中逐漸普及。同時，一次能源利用引起的環(huán)境污染問題也日趨嚴重，國際社會和國內(nèi)社會對可再生能源合理開發(fā)的呼聲也很高。歐盟、美國、中國相繼提出到2050年可再生能源在能源供給中所占的比例分別達到100%，80%和60%~70%的目標[1]。

在未來能源利用中，以能源互聯(lián)(Energy Internet)為代表的新型能源利用模式將伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術革命發(fā)展起來。文獻[1, 2-4]描述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本形態(tài)和特征，使用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)能源共享，電動汽車普及率大幅提高導致交通系統(tǒng)從石油時代轉入電氣時代，以及大規(guī)模分布式發(fā)電和儲能設備接入電網(wǎng)。文獻[5]提出了電、熱、氣三種能源互聯(lián)模式，通過互聯(lián)網(wǎng)技術進行合理調(diào)度和調(diào)控，達到經(jīng)濟最優(yōu)或者節(jié)能最優(yōu)的運行模式。戶用可再生能源發(fā)電設備數(shù)量，電池儲能能力和交換電能速率正在逐步提高。因此，戶用電能路由器的研究和設計是未來電能利用和能源互聯(lián)的基礎。戶用電能路由器集能量流、資金流和信息流為一體，實現(xiàn)社區(qū)電能交易、電網(wǎng)電能交易、家庭用電方案設計等功能，實現(xiàn)可再生能源發(fā)電設備、智能電器和儲能電池的調(diào)度與控制。戶用電能路由器是社區(qū)能源網(wǎng)絡的基本構成單元。

目前電力電子設備發(fā)展迅速，交直流電能之間的轉換已經(jīng)不存在難題，文獻[6]提出了固態(tài)變壓器(Solid State Transformer, SST)的概念，本質(zhì)是利用電力電子變壓器[7]進行交直流電能之間的轉換。文獻[8-11]給出了現(xiàn)有光伏發(fā)電的關鍵技術，如基于天氣指數(shù)的出力預測，光伏并網(wǎng)技術，戶用光伏模型等。隨著戶用光伏普及率越來越高，研究戶用電能路由器有著其現(xiàn)實意義。但戶用光伏的能量管理研究主要集中在光伏出力的控制和與蓄電池配合的出力控制。例如文獻[12]給出了戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方案，核心是光伏出力與蓄電池充放電的配合。目前，戶用光伏能量管理還沒有涉及家庭用電層面的整體調(diào)度。電能路由器的研究正好彌補這個不足。隨著能源利用的多樣化，分布式設備有即插即拔的設計需求，電能路由器將家用智能負荷[13]、分布式儲能設備、分布式發(fā)電設備以及電網(wǎng)都作為即插即拔的設備接入，是下一代配電系統(tǒng)的基本構成單元。

本文將從電能路由器的結構設計、功能設計以及電能路由器的應用3個方面對戶用電能路由器展開研究。

1 電能路由器的技術需求

1.1 技術設計需求

電能路由器作為小區(qū)能源網(wǎng)絡的基本節(jié)點，必須滿足以下幾條設計需求。

(1) 可接入社區(qū)能源網(wǎng)絡的電能

社區(qū)能源網(wǎng)絡是交直流混合微電網(wǎng)[14-15]。電能路由器作為家庭用電系統(tǒng)和社區(qū)能源網(wǎng)絡之間的節(jié)點，接入電能是一項基本功能。其中，電能接入方式也是即插即用模式。電能路由器至少需要兩個接口，一個是220 V交流輸入口，一個是±200 V直流輸入口[16]。

(2) 雙向電能交易

電能路由器需要和社區(qū)能源管理平臺進行電能交易。當家庭用電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能無法滿足家庭用電需求，將會向社區(qū)買入電能；反之，向社區(qū)賣出電能。這樣的交易也可以直接發(fā)生在兩戶家庭之間，是電能路由器之間的電能交易。

(3) 雙模式運行

互聯(lián)模式是指當社區(qū)能源網(wǎng)絡運行正常，如圖1所示，家庭用戶通過電能路由器與其相連，進行正常的電能交易和信息交互。不間斷電源 (Uninterruptible Power Supply，UPS)模式是指當社區(qū)能源網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，導致無法為家庭用戶供電時，電能路由器切斷與社區(qū)能源網(wǎng)絡的連接，家庭用電系統(tǒng)自給自足。

圖1 電能路由器雙模式運行示意圖

(4) 接口標準統(tǒng)一，即插即用與多輸入多輸出

針對連接在電能路由器上的不同設備，它要進行統(tǒng)一標準的插座設計。針對交直流兩種用電方式和電能流動方向?qū)⒃O備分為6種。分別是：直流電源、交流電源、直流負荷、交流負荷、直流儲能設備、交流儲能設備。其中儲能設備在大部分情況下使用直流方式。因此可設計5種接口，分別是直流輸入接口、交流輸入接口、直流輸出接口、交流輸出接口和直流雙向傳輸接口。接口的選擇可以是普通的開關或者電力電子設備。

(5) 家庭用電系統(tǒng)能量優(yōu)化

電能路由器要能夠?qū)崿F(xiàn)家庭用電系統(tǒng)的優(yōu)化。根據(jù)用戶習慣，制定電能使用計劃，在滿足用戶用電需求的基礎上，實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)。又如可在社區(qū)能量池電能充裕，電價較低時買入電能儲存在儲能設備上，在社區(qū)能量池電能緊缺時賣出，實現(xiàn)營收。

(6) 簡易操作系統(tǒng)

電能路由器需要簡易的操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能路由器與電能路由器之間、電能路由器和社區(qū)能源管理平臺之間、電能路由器和家庭用電、產(chǎn)電設備之間的通信。能夠?qū)床寮从玫亩丝谶M行管理和狀態(tài)信息采集。

1.2 連接對象

電能路由器將設計成即插即用，多輸入多輸出模式。如圖2所示，以電能路由器作為電能交換的樞紐，家庭產(chǎn)電設備、用電設備和配網(wǎng)側設備都將使用插座-插頭模式與電能路由器相連。其中，連接在電能路由器上的設備有蓄電池等儲能設備，有光伏等發(fā)電設備，也有電動汽車、智能電器等用電設備。這些設備連接在電能路由器上，以電能路由器為樞紐進行電能交換。

圖2 電能路由器的連接對象示意圖

2 電能路由器設計

2.1 結構設計

2.2.1模塊結構

利用電能路由器的能量流、信息流傳輸?shù)膶哟翁攸c，可將其分為物理層、傳輸層和應用層。物理層表示電能路由器的基本物理構成、連接接口和連接對象。傳輸層表示了能量與信息的傳輸方式與控制結構。應用層表示了電能路由器的基本功能與人機交互。如圖3所示。

電能路由器的軟件模塊應當以數(shù)據(jù)庫模塊為中心，人機界面模塊與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，其他功能模塊與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，如圖4所示。

圖3 電能路由器傳輸分層結構

圖4電能路由器的軟件模塊結構

2.1.2電氣拓撲結構

如圖5所示，200 V的直流母線是電能路由器的轉換中心，分別與配網(wǎng)側交流接入插座、配網(wǎng)側直流接入插座、光伏接入插座、交流負荷插座、直流負荷插座和儲能設備插座相聯(lián)接。每一個插座都與一個開關相連，系統(tǒng)可以根據(jù)需要和相應的規(guī)則選擇該路的通斷。電能進入和離開DC母線時都要經(jīng)過功率測量單元，將實時用電量反饋給系統(tǒng)管理器。

圖5 電能路由器拓撲結構圖

配網(wǎng)側交流電通過AC－DC轉換成直流電，連接到直流母線上。AC－DC的輸入電壓為220 V的交流電，輸出電壓為200 V的直流電。配網(wǎng)側直流電壓無需經(jīng)過電力電子轉換裝置直接連接到直流母線上。目前的大部分戶用光伏發(fā)電設備經(jīng)過逆變器轉換成220 V的交流電。因此，電能路由器的光伏接口是220 V的交流電，通過AC－DC與直流母線相連。未來光伏可以通過升壓直接連接在電能路由器上，免去逆變部分。

對于使用交流電的智能家電，母線通過DC－AC與之相連，為其提供220 V的交流電壓。對于使用直流電的智能家電，無需電力電子變換器件，可以直接相連。目前的儲能設備以蓄電池為主，使用直流電進行充放電，與直流母線直接相連。

所有的功率測量單元，開關，都可以與系統(tǒng)管理器之間實現(xiàn)通信。所有的智能電器，儲能裝置和光伏裝置都可以與電能路由器實現(xiàn)無線通信，可以使用wifi、Zigbee等技術實現(xiàn)家庭用電局域網(wǎng)絡。系統(tǒng)管理器通過收集各個設備、器件的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對家庭用電產(chǎn)電設備的統(tǒng)一管理。

此外，電能路由器需要設計簡易的操作系統(tǒng)。簡易操作系統(tǒng)分為電能管理層、信息支持層和人機界面。其中，人機界面中可以完成登入、權限設定、用電監(jiān)控、優(yōu)化目標選定等功能。信息支持層負責用電信息(收集、分析以及用電方案設計)。電能管理層根據(jù)用電方案對各個設備進行管理。

2.2 功能設計

電能路由器的功能主要有雙向計費交易功能和用電方案設計。

2.2.1雙向計費交易功能

電能路由器計費交易功能的本質(zhì)是資金-電能交換。如圖6所示，以使用電能路由器的家庭為中心，它的交易對象有電網(wǎng)公司和其他家庭用戶。其中，家庭用戶與電網(wǎng)公司進行交易時采用實時上網(wǎng)電價為交易單價進行交易。與其他家庭用戶進行交易時采用社區(qū)能量池的競價模式進行交易。

圖6 電能路由器計費交易功能示意圖

如圖7所示，用戶通過交互界面可以得到當前電價信息和電費清單以及電能路由器給出的用電方案，用戶針對這些信息選定交易策略，電能路由器處理后將用戶信息和響應策略給社區(qū)能源網(wǎng)絡管理平臺，完成電能交易，同時收集下一個階段的電價信息和電費清單。電能路由器根據(jù)用戶不同的交易策略給出不同的用電方案，并控制家庭用電系統(tǒng)中的各個設備。其中，用戶與配電網(wǎng)實現(xiàn)電能交易也是通過電能路由器和社區(qū)能源網(wǎng)絡管理平臺進行的。

圖7雙向計費模式信息流圖

2.2.2用電方案設計

電能路由器的用電方案設計包括家庭負荷預測、可控負荷的用電控制以及發(fā)電設備的發(fā)電控制。圖8是用電方案設計的流程。

圖8電能路由器家庭用電方案設計流程圖

家庭用電方案的設計可以根據(jù)不同的優(yōu)化目標來實現(xiàn)不同的方案。而優(yōu)化目標可以由用戶按照需求設定，比如經(jīng)濟最優(yōu)、優(yōu)先使用可再生能源、優(yōu)先蓄電池充放電等。家庭負荷預測可以根據(jù)前一天的用電情況、上周同時期的用電情況以及其他外部條件計算出當天的用電分析。根據(jù)當日天氣對家庭發(fā)電設備(主要是光伏)進行出力預測。結合上述3個數(shù)據(jù)，做出今日的用電計劃表。其中包括，光伏出力曲線、用電曲線、買賣電曲線等。

2.3 運行模式設計

可采用雙模式運行，包括不間斷電源模式和互聯(lián)模式。

互聯(lián)模式是指當社區(qū)能源網(wǎng)絡運行正常，如圖1，家庭用戶通過電能路由器與其相連，進行正常的電能交易和信息交互。UPS模式是指當社區(qū)能源網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，導致無法為家庭用戶供電時，電能路由器切斷與社區(qū)能源網(wǎng)絡的連接，家庭用電系統(tǒng)自給自足。

圖9給出了電能路由器模式切換的流程圖，其中SOC_Battery表示用戶儲能設備的SOC(State of Charge)；SOC_EnergyPool表示社區(qū)能量池的SOC。

圖9 電能路由器模式切換流程圖

其中，社區(qū)能量池作為一種虛擬概念，指的是社區(qū)所有用電用戶可賣出電能的總和。它是一種實時的概念。在時刻社區(qū)電能總和可以用Q表示。

其中：Q,t表示在時刻第戶家庭可賣出的電能；表示該社區(qū)的用電用戶總數(shù)。

當社區(qū)所有家庭用電系統(tǒng)電能富余達到最大時，社區(qū)能量池的電能也到達最大，設為max。由此可知：

其中，最大為1，最小為0。

當用戶與社區(qū)能源網(wǎng)聯(lián)絡線故障后，儲能設備SOC大于S1，此時備用電能充足，用戶負荷正常運行，為備用電源模式1，故障切除后轉至并網(wǎng)狀態(tài)運行；如果故障持續(xù)，儲能設備SOC處于S1和S2之間，為保證用戶正常的照明等必要需求，切除大功率電器，為備用電源模式2，故障切除后轉至并網(wǎng)狀態(tài)運行；如果故障依舊未切除，儲能設備SOC處于S2以下，切除絕大部分電器，僅留下夜間照明備用電，等待電力恢復，為備用電源模式3。

當社區(qū)能源網(wǎng)與配網(wǎng)聯(lián)絡線故障后，社區(qū)能源網(wǎng)絡相當于孤島運行，電能自給自足，出現(xiàn)電力不足情況時，只能通過甩負荷來實現(xiàn)功率平衡。當社區(qū)能量池的SOC大于S3時，表示社區(qū)能源網(wǎng)絡的電能儲備充足，社區(qū)能源網(wǎng)絡運行正常，用戶各負荷正常運行，買賣電能正常，為孤島情況下的備用電源模式1；當社區(qū)能量池的SOC處于S3到S4時，社區(qū)電能出現(xiàn)不足，用戶以買入電能為主，關閉大功率負荷，為孤島情況下的備用電源模式2；當社區(qū)能量池的SOC處于S4以下時，出現(xiàn)電能儲備嚴重不足，停止電能交易，切除大部分負荷，僅留下夜間照明備用電，等待電力恢復，為孤島情況下的備用電源模式3。

上述S(=1、2、3、4)的數(shù)值可以根據(jù)用戶不同的需求在0到1中進行設定。當S選擇較高時，表示用戶希望優(yōu)先滿足用電可靠性，適當犧牲用電經(jīng)濟性；反之，S選擇較低時，表示用戶希望優(yōu)先滿足用電經(jīng)濟性，適當犧牲用電可靠性。以S3與S4為例，S3與4同時被設定為較低值時，用戶的用電可靠性最佳，經(jīng)濟性最差；S3與S4同時被設定為較高值時，用戶的用電經(jīng)濟性最佳，可靠性最差；S3被設定較高而S4被設定較低時，用戶在電能較充裕時選擇優(yōu)先滿足可靠性，而在電能較缺乏時選擇優(yōu)先滿足經(jīng)濟性，此用戶的用電負荷較重，在電能較缺乏時已經(jīng)不可能滿足其負荷要求；S3被設定較低而S4被設定較高時，用戶在電能較充裕時選擇優(yōu)先滿足經(jīng)濟性，而在電能較缺乏時選擇優(yōu)先滿足穩(wěn)定性，此用戶用電負荷一般較小且為重要負荷。

3 電能路由器的應用

3.1 社區(qū)能源網(wǎng)絡的構成

社區(qū)能源網(wǎng)絡通常采用交直流混合的供電模式，交流電壓為380/220 V，而直流電壓大部分是±200 V[16]。社區(qū)能源網(wǎng)絡的本質(zhì)是社區(qū)微電網(wǎng)，它作為系統(tǒng)側配電網(wǎng)和家庭用戶之間的電能交換橋梁。

如圖10所示，社區(qū)能源網(wǎng)絡分為3層，分別為配網(wǎng)層、社區(qū)微網(wǎng)層和家庭用戶層。其中配網(wǎng)層是交直流混合配電網(wǎng)，交流電壓為220 V，直流電壓為±200 V。下面簡要介紹社區(qū)微網(wǎng)層和家庭用戶層。

圖10社區(qū)能源網(wǎng)絡示意圖

1) 社區(qū)微網(wǎng)層

社區(qū)微網(wǎng)層主要由社區(qū)能源管理平臺和社區(qū)能量池構成。其中社區(qū)能源管理平臺負責整個小區(qū)的用電產(chǎn)電。盡量做到電能自產(chǎn)自銷，減少與配電網(wǎng)的電能交換，減輕城市配電網(wǎng)的運營壓力。能源管理平臺收集配電網(wǎng)的供電狀態(tài)和社區(qū)家庭用戶的用電狀態(tài)信息，統(tǒng)一處理。社區(qū)能量池儲存社區(qū)剩余電能，它是家庭儲能設備、社區(qū)儲存設備、社區(qū)電動汽車等具有儲存電能和電能交換功能的設備剩余電能的總和，相當于社區(qū)能源網(wǎng)絡的虛擬發(fā)電廠。

2) 家庭用戶層

在社區(qū)能源網(wǎng)絡中，家庭用戶作為終端用戶，是該網(wǎng)絡中的最小單元，通過電能路由器與該網(wǎng)絡相連。家庭用戶既可以從社區(qū)能源網(wǎng)絡中獲取電能也可以向其供給電能。電能路由器連接著家庭用電產(chǎn)電設備，作為社區(qū)能源網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。

3.2 電能路由器在社區(qū)能源網(wǎng)絡中的作用

電能路由器在社區(qū)能源網(wǎng)絡中充當社區(qū)電能管理平臺到家用電系統(tǒng)的橋梁，是社區(qū)能源網(wǎng)絡構成的基本單元。它主要完成的作用如下所述。

1) 可接入配電網(wǎng)電能(AC220 V、DC±200 V)。電能路由器連接著家庭用戶和配電網(wǎng)，其中，220 V交流電通過交流接口連接，200 V直流電通過直流接口連接。當家庭用戶有電能冗余時，可選擇性的向其他用戶售出電能，也可并網(wǎng)售電；當家庭用戶出現(xiàn)電能缺口時，向其他用戶或者電網(wǎng)購電以保證家庭正常用電。

2) 作為雙向電能傳輸?shù)墓?jié)點，實現(xiàn)電能交易，包括用戶向配電網(wǎng)買賣電能和社區(qū)能源網(wǎng)絡的用戶之間買賣電能。社區(qū)能源網(wǎng)絡中的電能首先實現(xiàn)就地消納，也就是社區(qū)能源網(wǎng)絡內(nèi)部用戶之間進行電能交易。其次，剩余電能組成社區(qū)能量池，它包括了能源網(wǎng)絡中所有的剩余電能總和，交給社區(qū)微網(wǎng)層的社區(qū)能源管理平臺控制和調(diào)配。

3) 作為家庭用電狀態(tài)信息與社區(qū)能源管理平臺實時通信的路由器。電能路由器將家庭可再生能源出力情況、家庭負荷運行狀態(tài)以及家庭儲能裝置狀態(tài)收集處理后上傳至社區(qū)能源管理平臺。同時，家庭用戶獲取社區(qū)總體用電狀態(tài)，比如社區(qū)能量池的SOC，社區(qū)實時電價等。

因此，通過電能路由器連接上級配電網(wǎng)的家庭用系統(tǒng)將不再是單純的負荷，它的實質(zhì)是一個完整的微型電網(wǎng)，能夠通過信息交互，實現(xiàn)電能的產(chǎn)出、消費和存儲。

4 結論

本文在分析戶用電能路由器設計需求的基礎上，提出了電能路由器的設計方案。該方案給出了電能路由器的模塊結構，電氣拓撲結構；設計電能路由器的雙向計費交易功能和用電方案功能；給出了電能路由器在不同情況下的運行模式。實現(xiàn)分布式發(fā)電和儲能設備通過電能路由器的即插即拔，靈活接入功能。

在以電力系統(tǒng)為核心的未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，電能路由器的研究是必要的。在實現(xiàn)電能路由器的基礎之上，利用電轉氣(Power to gas，P2G)技術，實現(xiàn)能源的雙向流動，進而將供熱和供氣功能接入能源路由器，實現(xiàn)電、熱、氣三者合一的能源互聯(lián)模式。

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(編輯 姜新麗)

Energy router design based on community energy network

XU Mengchao1, TAI Nengling1, HUANG Wentao1, ZHENG Xiaodong1, LI Guodong2, CHEN Peiyu2, WANG Xudong2

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China)

With the wide application of distributed generation and energy storage equipment, energy internet based on energy construction of new energy and internet technology is developing rapidly. Connected with the grid, distributed power generation equipment, energy storage devices, and load power, energy router is designed to meet the needs of the energy internet, which enables the generation optimal dispatch management of distributed power and load. This paper presents the basic structure of community energy networks. Energy router is designed as its smallest terminal, controlling and scheduling home electrical system. Based on the analysis of power router design requirements, the proposed solid state transformer-based energy router features plug-and-play, multiple-input and multiple-output (MIMO), connecting, controlling and scheduling renewable energy resources, energy storage devices and loads of the home electrical system.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51377104 and No. 51407115), Science Foundation of Ministry of Education of China (No. 113023A), State Grid Corporation Headquarters Projects (No. SGTJDK00DWJS1500098), and China Postdoctoral Science Foundation (No. 2014M560333).

energy router; PV home system; community energy network; energy internet; solid state transformer

10.7667/PSPC151895

2015-10-27；

2016-01-01

徐夢超(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為能源互聯(lián)網(wǎng)；E-mail: wayfarer@yeah.net

邰能靈(1972-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護，高壓直流輸電；E-mail: nltai@sjtu.edu.cn

黃文燾(1988-)，男，博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和微網(wǎng)。E-mail: hwt8989@sjtu.edu.cn

國家自然科學基金(51377104,51407115)；教育部教育部科學技術研究項目(113023A);國網(wǎng)公司總部科技項目(SGTJDK00DWJS1500098)；中國博士后基金(2014M560333)