徐輝，秦鳴泓，夏天，劉峻，李葉鵬

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能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的能源交換集控中樞形態(tài)與架構(gòu)探討

徐輝1，秦鳴泓2，夏天1，劉峻1，李葉鵬2

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

隨著分布式可再生能源、儲(chǔ)能和多種負(fù)載的接入，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)將逐漸難以滿足能量多向流動(dòng)和主動(dòng)功率調(diào)控的要求。為了滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)能量和數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)的管理，提出了一個(gè)全新的概念——能源交換集控中樞，對(duì)其功能、要求和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。

能源互聯(lián)網(wǎng)；能量多向流動(dòng)；主動(dòng)功率調(diào)控；能源交換集控中樞

傳統(tǒng)配電網(wǎng)“一對(duì)多”的能源傳輸架構(gòu)隨著家庭式光伏、電動(dòng)汽車和分布式儲(chǔ)能的推廣逐步在向“多對(duì)多”轉(zhuǎn)變。在能源互聯(lián)網(wǎng)，“電源”與“負(fù)載”的關(guān)系將不再固定。以家庭式光伏為例，白天，光伏裝置產(chǎn)生的電能不僅可以供用戶自己使用和儲(chǔ)存在儲(chǔ)能中備用，過剩電能還可以向電網(wǎng)出售，供給電網(wǎng)中的其他電能使用者；夜晚，光伏裝置停止工作，電網(wǎng)和儲(chǔ)能則又承擔(dān)了電源的工作。眾所周知，傳統(tǒng)電網(wǎng)中潮流是不可控的。因此，如何在能源互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)能量的精準(zhǔn)調(diào)度，即每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都具備能量的主動(dòng)調(diào)度能力，成為了能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

1 能源交換集控中樞的概念

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，未來電網(wǎng)將在局部消納的基礎(chǔ)上，以微網(wǎng)、智能小區(qū)為自治單元，形成自下而上的能量單元的互聯(lián)[3]。但至今還沒有一個(gè)統(tǒng)一的、能夠?qū)蝹€(gè)或多個(gè)微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌管理的控制系統(tǒng)被提出。為了滿足未來能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)能量和數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)的管理，本文提出一個(gè)全新的概念——能源交換集控中樞。能源交換集控中樞是一種融合了先進(jìn)的電力電子技術(shù)和信息技術(shù)，能對(duì)分布式能量的分配和傳輸進(jìn)行高效管理和實(shí)現(xiàn)的集中控制系統(tǒng)。它的含義包含以下兩個(gè)方面：①硬件方面。能源交換集控中樞具有能夠?qū)崿F(xiàn)多種分布式能源交換傳輸?shù)拇蠊β孰娏﹄娮釉O(shè)備以及各個(gè)接口的監(jiān)測和執(zhí)行裝置等。②軟件方面。能源交換集控中樞具有完整的一套管理和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能包括監(jiān)視系統(tǒng)各功能模塊，可實(shí)時(shí)讀取高速、雙向的能源供需數(shù)據(jù)，為分布式可再生能源裝置、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷提供接入管理，并實(shí)時(shí)實(shí)地控制其實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。

借助先進(jìn)的電力電子技術(shù)，能源交換集控中樞可以提供多種形式的電氣接口，包括直交流形式、不同電壓等級(jí)等，以滿足風(fēng)光儲(chǔ)等不同電氣設(shè)備接入的需要；同時(shí)，各個(gè)接口能量流的大小和方向在電力電子的高可控性也得以精確控制，為能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。而借助信息技術(shù)，能源交換集控中樞得以實(shí)現(xiàn)自律運(yùn)行。只需要人為地對(duì)集控中樞發(fā)送較長時(shí)間的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，比如電壓偏差允許范圍、頻率偏差允許范圍、電能質(zhì)量要求等，能源集控中樞就能借助其內(nèi)嵌的算法和程序?qū)崿F(xiàn)所管轄微網(wǎng)的自主安全運(yùn)行。同時(shí)，輔以相應(yīng)的監(jiān)測和執(zhí)行設(shè)備，集控中樞各個(gè)接口的狀態(tài)也能得以精準(zhǔn)控制，分布式能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷可以實(shí)時(shí)接入并投入運(yùn)行，且局域網(wǎng)較短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

2 能源交換集控中樞功能和要求

為了滿足參與能源交換的不同設(shè)備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態(tài)上需要提供多種電氣形式的接口，如直流600 V、交流220 V等。根據(jù)所連接設(shè)備的不同性質(zhì)，接口所具備的功能也應(yīng)有所區(qū)別。對(duì)于單純的負(fù)荷，中樞接口往往只需要能量輸出功能；而針對(duì)分布式光伏和風(fēng)機(jī)的接口，則只需要具備能量吸收功能，同時(shí)為了更高效地利用分布式能源，往往還可以利用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)。而部分接口，比如連接儲(chǔ)能的接口，則需要具備能源的雙向流動(dòng)能力。能源交換集控中樞需要為分布式可再生能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷提供接入管理，并實(shí)時(shí)實(shí)地控制其實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。這需要集控中樞能夠?qū)λ尤氲脑O(shè)備進(jìn)行識(shí)別，并通過既定的通訊協(xié)議給予插入設(shè)備一定權(quán)限，以進(jìn)行設(shè)備與中樞之間定額定向的能量交換。因此，集控中樞的每個(gè)接口都需要同時(shí)安裝功率端口和通信端口，通信端口對(duì)功率端口起指揮作用。能源交換集控中樞能根據(jù)人為預(yù)設(shè)的優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)管轄區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的自律運(yùn)行。這不僅要求集控中樞能夠控制局域網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備的能量流動(dòng)和進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，與此同時(shí)，在發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，比如檢測到主系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，局域能源交換集控中樞也要依據(jù)內(nèi)嵌的指令和程序，做出自動(dòng)快速的響應(yīng)，比如切換成孤島運(yùn)行狀態(tài)，以保證所管轄局域網(wǎng)內(nèi)電能質(zhì)量不受波及、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，能源交換集控中樞還需要一個(gè)智能能量管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的程序在檢測到特定情況時(shí)執(zhí)行指定的流程操作，以保證局域網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定。

3 能源交換集控中樞等級(jí)分類

根據(jù)我國配電網(wǎng)的不同等級(jí)，能源交換集控中樞大致可分為主干集控中樞、區(qū)域集控中樞和家庭集控中樞三類。

3.1 主干集控中樞

主干集控中樞功能大致相當(dāng)于變電站，能量的流動(dòng)方向相對(duì)而言較為簡單。它通常適用于10 kV電壓等級(jí)，傳輸功率可達(dá)兆瓦以上，可實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域范圍內(nèi)的配電工作。大部分情況下，主干集控中樞的工作都是將能量向下一級(jí)配電網(wǎng)分配，能量流動(dòng)是單相的。而在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電區(qū)域，主干集控中樞的功能則主要是由低壓側(cè)向主干配電網(wǎng)反饋能量。

除了能量流動(dòng)的基本功能外，主干集控中樞還需要具備故障隔離功能。當(dāng)局域網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，主干集控中樞能及時(shí)切除所連接的該局域網(wǎng)，將故障隔離，以免波及主網(wǎng)。同時(shí)，在檢測到局域網(wǎng)內(nèi)部電能質(zhì)量較差時(shí)，主干集控中樞能自動(dòng)投切無功補(bǔ)償裝置來對(duì)局域網(wǎng)電能質(zhì)量予以改善。而在主干網(wǎng)電能質(zhì)量較差時(shí)，主干集控中樞應(yīng)該同樣能予以支撐。這也相當(dāng)于對(duì)當(dāng)今的統(tǒng)一潮流控制器和無功功率發(fā)生器功能予以高度集成。

3.2 區(qū)域集控中樞

區(qū)域集控中樞通常應(yīng)用于380 V電壓等級(jí)的小型地域和樓宇的配電管理，功率從百瓦到兆瓦不等。相比于主干集控中樞，區(qū)域集控中樞因?yàn)榉植际焦夥?chǔ)能和負(fù)荷的接入，能量流動(dòng)的方向更加復(fù)雜，也需要提供更多類型的電氣接口，并配以更加靈活的管理策略。

作為較小區(qū)域內(nèi)的能量管理中心，區(qū)域集控中樞需要具備較為完善的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力。當(dāng)監(jiān)測到局域網(wǎng)內(nèi)電壓較低、無功不足時(shí)，經(jīng)過補(bǔ)償容量計(jì)算，區(qū)域集控中樞可以自動(dòng)投切相應(yīng)大小的電容器，從而對(duì)系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)監(jiān)測到局域網(wǎng)內(nèi)有功不足、頻率偏差較大時(shí)，局域集控中樞可以自動(dòng)投入儲(chǔ)能來對(duì)局域網(wǎng)進(jìn)行支撐。在后者主網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況下，局域集控中樞有權(quán)徹底切斷與主網(wǎng)的連接，轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，由分布式光伏和儲(chǔ)能供電，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行。這同樣也完成了區(qū)域內(nèi)銀行、醫(yī)院等重要負(fù)荷的不間斷供電（uninterrupted power supply，UPS）。

3.3 家庭集控中樞

家庭集控中樞，顧名思義，是安裝在家庭入網(wǎng)接口處對(duì)整個(gè)住戶的電氣設(shè)備進(jìn)行能量管理的集中控制設(shè)備。家庭集控中樞通常適用于單相220 V電壓等級(jí)，最大能量功率大多不超過20 kW。但由于家庭用電設(shè)備的多樣性，家庭集控中樞需要提供的接口形式是最為復(fù)雜的。

與局域網(wǎng)的能量調(diào)度相同，家庭微網(wǎng)的調(diào)度同樣有3種情況：從局域網(wǎng)中吸收電能，向局域網(wǎng)輸出電能，以及必要情況下脫離局域網(wǎng)形成自給自足的微網(wǎng)系統(tǒng)。未來電網(wǎng)中，家庭將是分布式能源的主要參與者。隨著屋頂光伏、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能的推廣，家庭內(nèi)部將形成一個(gè)家庭微網(wǎng)，必要時(shí)甚至可以實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的獨(dú)立自主運(yùn)行。此時(shí)，家庭集控中樞作為家庭微網(wǎng)的主管者，必將發(fā)揮其不可忽視的作用。

為了實(shí)現(xiàn)家庭微網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)電氣設(shè)備能量流高度可控，需要在每個(gè)電氣設(shè)備內(nèi)植入通信裝置和控制器。在此情況下，家庭集控中樞在監(jiān)測家庭微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，還能對(duì)分布式光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等設(shè)備充放電功率予以調(diào)整，以維持家庭微網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定。

4 物理框架與功能實(shí)現(xiàn)

分布式發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷等具有不同的出力類型（直流或交流）、電壓等級(jí)、功率等級(jí)、電能質(zhì)量要求。為了滿足參與能源交換的不同設(shè)備所需的電氣形式，能源交換集控中樞在物理形態(tài)上需提供多個(gè)電氣形式的接口。針對(duì)這一問題，國外早有學(xué)者提出了固態(tài)變壓器（SST）的概念[4]。與傳統(tǒng)變壓器不同，固態(tài)變壓器還集整流、逆變?yōu)橐惑w，便于各種形式的分布式能源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷的“即插即用”[5]。在輔以通信設(shè)施后，還能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息的雙向流動(dòng)。因此，在硬件上，可將固態(tài)變壓器作為能源交換集控中樞的物理實(shí)體組成部分。固態(tài)變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 固態(tài)變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

固態(tài)變壓器本質(zhì)上是一個(gè)三端口的電力電子器件，包含一個(gè)高壓AC/DC整流模塊（可以將高壓工頻交流電整流成為高壓直流電），一個(gè)高頻（1～10 kHz）DC/DC直流變換模塊（由一個(gè)整流橋、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)逆變器組成）和一個(gè)低壓DC/AC逆變模塊（可以將低壓直流電逆變?yōu)榈蛪汗ゎl交流電）。

相比于傳統(tǒng)變壓器，固態(tài)變壓器的主要優(yōu)勢在于其先進(jìn)的電力電子特性。借助高頻率的電力電子開關(guān)，能量可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)不同電壓等級(jí)的接口間的自由多向流動(dòng)。另外，該系統(tǒng)具有高、低壓交流側(cè)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，包括諧波改善、無功補(bǔ)償和電壓支撐等。因此，在物理層面上，多端口多電平的固態(tài)變壓器可以滿足本文設(shè)計(jì)的能源交換集控中樞對(duì)于可再生能源交換的要求。

5 集控中樞智能能量交換管理系統(tǒng)

綜上所述，本文所定義的集控中樞既是能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源交換傳輸?shù)难b置實(shí)體，又是一套能夠?qū)崿F(xiàn)信息流傳遞的管理軟件，討論了能源交換集控中樞的物理結(jié)構(gòu)后，還應(yīng)該對(duì)集控中樞輔以智能決策和控制單元來執(zhí)行特定的程序和調(diào)度算法，一方面監(jiān)控電力局域網(wǎng)的狀態(tài)；另一方面，根據(jù)上級(jí)調(diào)控中心的指令和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)功率調(diào)配。在此情況下，集控中樞不僅在物理層面上實(shí)現(xiàn)了功率流的傳遞，還能夠主動(dòng)根據(jù)全網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行智能功率調(diào)控，相當(dāng)于擁有了“大腦”。集控中樞能量交換管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 集控中樞能量交換管理系統(tǒng)

同時(shí)，集控中樞能量交換管理系統(tǒng)與云平臺(tái)大數(shù)據(jù)結(jié)合，在執(zhí)行監(jiān)測狀態(tài)和自動(dòng)上報(bào)等基礎(chǔ)功能的同時(shí)，還具有歷史信息綜合查詢、大數(shù)據(jù)出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)電光伏設(shè)備性能評(píng)價(jià)分析等功能。同時(shí)，其云平臺(tái)客戶端可以向用電企業(yè)和消費(fèi)者提供電能交易、新能源配額交易、分布式電源及電動(dòng)汽車充電設(shè)施監(jiān)測與運(yùn)維等多種新型業(yè)務(wù)。

6 結(jié)論

為了滿足未來配電網(wǎng)對(duì)于電能管理的靈活要求，本文提出了能源交換集控中樞這一新的概念，然后對(duì)集控中樞的功能、要求和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。固態(tài)變壓器輔以能源交換管理系統(tǒng)，可以作為能源交換集控中樞的實(shí)現(xiàn)方向。可以預(yù)見，能源交換集控中樞對(duì)于未來能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建將提供一個(gè)良好的解決方案。

［1］Corzine，K.A. Energy packets enabling the energy internet［C］//Power Systems Conference（PSC），2014.

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2095－6835（2019）02－0027－03

F426.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.027

〔編輯：張思楠〕