能量路由器——能源互联网核心设备

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# 能源互联网焦点装备—直流电能路由器

为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出未来电网将在部分消纳的根本上，以微网、智能小区为自治单元，构成自下而上的能量单元的互联[1]。日本学者提出了数字电网概念，将庞大的同步电网拆分红异步、自治的互联电力局域网，并经过数字电网路由器(digital gridrouter， DGR)停止能量调配和收集互联[2]。美国北卡罗来纳州州立大学 FREEDM 中心提出以电能路由器为焦点的能量互联网，一样努力于供给更好的新能源接入计划[3]。由此看出，集成了成熟的信息技术，基于电力电子变更的电能路由器可以实现能量的高效接入和操纵，将成为未来电网的焦点部件，正遭到越来越多的学者的重视[4]。

电能路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变更技术、实现散布式能量的高效操纵和传输的电力装备。电力电子变更技术使电能路由器为各类范例的散布式电源、储能装备和新型负载供给所需的电能接口形式，包括各类电压、电流量的直流或交换形式等。同时，由于电力电子装配的高可控性，配电收集内各节点的能量流偏向和巨细可按用户所需切确地控制，为电力市场化的实现供给技术根本。信息技术使电能路由器实现智能化，配电网在其控制下实行自律运转，上层电力调剂中心只需向网内发送较长时候标准的优化运转参数，以实现全网的优化运转。电能路由器可作为电力局域网与主干网的交互接口，一方面负责局域网内部各个装备的运转和能量治理，同时接收上层电力调剂中心的指令并上传局域网的运转状态。

以共直流母线技术实现的电能路由用具体技术简单牢靠、本钱低、故障风险低、便于能量治理调控等上风，是未来电能路由器的支流技术形式，我们将此类电能路由器称为直流电能路由器，以下所指电能路由器均指直流电能路由器。

我们熟知信息路由器作为互联网的焦点装备已经成长了四十余年，它将一切用户毗连起来组成明天庞大的全球性互联网。作为广域网和局域网的接口，信息路由器承当着局域网中的终端装备互联以及终端与广域网的信息交换使命[5]。类似地，电能路由器将按照经济效益或用户自界说的优化方针定量、定点地传递能量。是以电能路由器可成为未来电力收集的关键，负责治理和控制子网内的能量活动以及子网和主干网之间的能量交换。

基于电力电子变更技术组成的电能路由器，不单可为分歧的新能源发电装配和分歧范例负载供给灵活多样化的接口电气形式，还可实现能量的多向活动才能和对功率流的自动控制。与信息技术的融合使电能路由器具有通讯和智能决议才能，可按照收集运转状态以及用户和控制中心的指令，实现对电力收集能量流的自动治理。

作为收集架构的根本和焦点部件，电能路由器与互联网中的信息路由器有着类似的职位和功用，是以两者有类似的必备要素。

1）信息互联网建立在 TCP/IP 协议的根本上，路由器经过 RIP、 OSFP、 ISIS 等路由协议实时更新路由表， 使数据包敏捷、 正确地在收集合定点传输。为了实现能量在节点之间切确地传递，电网中的装备一样需要标志 IP 地址，电能路由器需晓得电网中一切节点的 IP 地址、实时变化的收集拓扑，这样在能量交换建立时得以敏捷找到最好的功率传递途径。假如能量在电力局域网内部交换或相邻局域网之间交换时，常常只需要一台电能路由器停止治理，经过源节点和负载节点的 IP 地址就可以推算出传递途径；当能量在不相邻局域网之间传递时，常常需要多个电能路由器配合介入，为了能敏捷找到能量传递的最好途径，路由协议变得尤其重要。

2）信息路由器同时处置多个用户的数据流，而电能路由器一样需要供给多个端口，与多个电气装备相连。为了满足分歧装备所需的电气形式，电能路由器需供给多个电气形式的接口，如直流400V、直流 48V、交换单相 220V、交换三相 380V等。其次，每个端口需具有能量的多向活动才能，使能量可以按需定点、定量地传输。电能路由器不单可以从主干配电网获得能量传递给终端用户，同时在子网的发电量过剩时，可将过剩的能量回馈给主干网。此外，电能路由器还应具有局域网内部能量整合和调和分派的才能，即子网内的能量多向自在活动。但是，并非一切的端口都必须具有功率双向活动才能，专门与负载相连的接口，只需能量输出功用即可；对于专门的散布式能源接口，则只需要功率吸收才能，而且为了充实操纵散布式能源，其接口还需具有最大功率跟踪(MPPT)功用；而对于毗连储能装备的接口，常常需要能量双向活动才能。对于专门的电动汽车充电利用，电能路由器凡是只需具有充电功用即可，无需电能回馈功用。

3）信息路由器具有通用的即插即用数据接口，而电能路由器一样需要标准化的即插即用接口[6]。当电气装备插入电能路由器时，经过既定的握手协议等信息交互进程后，路由器可敏捷识别电气终真个范例和状态，按终真个请求立即采纳响应的电气形式停止能量交互，与此同时更新系吐洮接设置和状态。是以即插即用接口需同时包括功率端口和通讯端口。由于毗连到电能路由器的节点有分歧的电气形式要求，包括直流、交换分歧形式，分歧电压、电流数值，能否接地等，功率端口很难完全同一。但对于附近电压或功率品级的端口，标准化仍然可以下出世产和安装本钱。通讯端包括有线通讯或无线通讯方式，无线通讯无需物理接口，而有线通讯方式的中长间隔通讯可采用以太网通讯等，近间隔通讯可采用常规的现场控制总线，如 CAN，Profibus， Lonworks 等，是以通讯端口均易于标准化。此外，为了进一步进步牢靠性和便于安装，功率端口和有线通讯端口可集成在一路。

4）可扩大性。由于配电网中的用户或节点在不竭增加，电能路由器必须具有杰出的扩大性，新加入的装备较轻易地经过电能路由器接入电网并介入调控。在电网分歧位置的电能路由器常常被设想成份歧的容量，在最大容量的限制内，电能路由器的硬件结构和软件设想均需要可扩大性，以下降后续投入本钱。此外，电能路由器与信息路由器相比也有很多分歧之处。首先，由于电能路由器的焦点功用是能量流的调控，电能路由器需供给各类电气形式的接口。其次，为保证电网及装备的牢靠稳定运转，电能路由器还需具有自动故障隔离、电能质量改良、以及不中断电力供给等功用。另一方面，传统的信息路由器只稀有据的传递功用，而电能路由器除了实现功率流的传递，更重要的是停止智能功率调控。是以电能路由器内部需嵌入智能决议和控制单元来履行特定的法式和调剂算法，一方面监控电力局域网的状态，一方面按照下级调控中心的指令和当前收集状态停止自动功率调配[7]。

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# 直流电能路由器与交换电能路由器对照

今朝，交换电还是电能的首要操纵形式，经过安装交换母线治理散布式电源是一种顺理成章的电能治理方式。散布式电源，特别是可再生电源，在输出功率、电压水平、频次质量等方面显现出很大的不稳定性。假如这些散布式能源间接并网，将会对大电网形成份歧水平的扰动。与之响应的，分歧负荷对电能质量的需求也存在较大差别。

交换电能路由器的提出是为了在散布式电源和负荷之间停止电能最好途径的挑选，即在保证电力负荷对电能需求的情况下，最大化散布式电源的操纵。交换电能路由器可以采用电能分组分派、电能质量感知、智能开关插座等方式实现电源与负荷之间的最优婚配。

与交换母线相比，直流母线有以下上风

1)直流母线无需同步，可以毗连频次、电压分歧的交换系统;

2)直流母线的“定电流控制”可以快速地把短路电流限制在额定电流值，因此可以限制交换系统的短路电流;

3)直流母线可以方便快速地控制直流输电输送的有功功率和换流器吸收的无功功率，从而可以改良交换系统的运转性能;

4)各散布式电源与直流母线间仅存在一级电压变更装配，下降了系统扶植本钱。

由于直流母线的这些上风，采用直流母线控制散布式可再生能源接入电网，并对其停止有用的治理就成为一种比力理想的挑选。直流母线可分为环状直流母线和辐射状直流母线，用于满足各类负荷对电能质量的分歧需求环状直流母线

作为交换母线的补充，环状直流母线的利用拓扑。环状直流母线为可再生电能(主如果光伏微风电)、储能装配、直流负荷供给灵活的交互平台。环状直流母线和大电网之间经过双向交直流变更器停止双向能源交互，环状直流母线的电压经过整流器调理，使其保持在稳定值。这类利用拓扑与传统的电网有较好的兼容性，仅在传统电网结尾停止了改良，增加了环状直流母线，拓扑结构变得加倍灵活。对于直流负荷、储能装备等，该系统经过直流母线削减了低效的逆变环节，进步了全部电网的运转效力，下降了系统的本钱。储能系统的引入改良了环状直流母线上间歇性明显的散布式电源的供电电能质量。

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# 基于直流电能路由器的微电网上风

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# 总结

直流（电能）路由器从工程角度将微电网从定制系统固化为定型产物，从功用角度将处理新能源接入升级到电能综合调剂和路由。它具有范围化处理新能源接入推动能源转型的潜力，对能源互联网以及区块链扶植具有重要意义。在产业演进中，企业界正在处理工程和部分技术题目，亟需学术界从理论和深层技术上赐与指导，配合推动这一产业的成长。

上海大周是国内外为数不多将电能路由器的设想、实现与利用作为计谋偏向的企业。我们将始终对峙自己的步伐，朝着“双碳”方针创新向前！

参考文献

[1] 曹军威，孟坤，王继业，等．能源互联网与能源路由器[J]．中国科学：信息科学，2014，44(6)：714-727．

[2] 邓雪梅．日本数字电网计划[J]．天下科学，2013，7：9-19．

[3] Huang A Q，Crow M L，Heydt G T，et al．The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system：the energy internet[J]．Proceedings of the IEEE，2011，99(1)：138-144．

[4] 查亚兵，张涛，黄卓，等．能源互联网关键技术分析[J]．中国科学：信息科学，2014，44(6)：702-713．

[5] 魏亮．路由器道理与利用[M]．北京：群众邮电出书社，2005：7-13．

[6] 董朝阳，赵俊华，文福拴，薛禹胜．从智能电网到能源互联网：根基概念与研讨框架[J]．电力系统自动化，2014，38(15)：1-11．

[7] 曹军威，杨明博，张德华，明阳阳，孟坤，陈震，林闯．能源互联网——信息与能源的根本设备一体化[J]．南方电网技术，2014，8(4)：1-10．