西安西電高壓開關有限責任公司的研究人員曾林翠、金猛、王莉、安樂、董瑞，在2020年第2期《電氣技術》雜志上撰文指出，隨著能源結構的調(diào)整與轉型，互聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)字化技術的迅猛發(fā)展，國家電網(wǎng)提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標。其中，以電力建設為平臺應用實踐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，成為打破行業(yè)壁壘，走向共享、共贏和開放的戰(zhàn)略之舉。
新能源(電力)、水、氣在電力系統(tǒng)中配電側需求量的比重加大，電力系統(tǒng)是整個能源鏈的核心環(huán)節(jié)，長期以來依靠上下游支撐，保持平穩(wěn)運行。所以，研究如何將現(xiàn)有配網(wǎng)側負荷需求和發(fā)電管理等融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設是當前工作的重中之重。能量路由器通過智能識別源端(電網(wǎng)側、用戶側)、負荷端的發(fā)電、用電需求，具備能量流雙向流動，優(yōu)化電源端與負荷端電力需求，充分滿足了國家電網(wǎng)對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)側的需求，具有重大的現(xiàn)實意義。
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術、先進通信技術，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統(tǒng)。而以電力系統(tǒng)為核心的能源鏈的配電網(wǎng)側當前接入設備主要有不可控負荷、可控負荷、新能源發(fā)電設備(光伏發(fā)電、風力發(fā)電等)、柴油發(fā)電機、電動汽車等。
傳統(tǒng)的被動應對式的配電網(wǎng)和傳統(tǒng)形式的電力設備、技術已不能滿足負荷側多種能源和多種負荷發(fā)配電需求以及人們對高品質(zhì)電能的需求。為了實現(xiàn)多種屬性能源與多種屬性負荷可以靈活、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一、高效地與主電網(wǎng)連接，研究如何高效、主動、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡與配網(wǎng)側設備的能量互聯(lián)、信息互通的解決方法或者智能設備具有重大的現(xiàn)實意義。
能量路由器是以電力電子技術和自動控制技術為關鍵技術，聯(lián)合能源互聯(lián)網(wǎng)技術衍生出來的核心裝備。能量路由器又叫直流變壓器、電力電子變壓器、固態(tài)變壓器，是一種將電力電子變換技術和基于電磁感應原理的電能變換技術相結合，實現(xiàn)將一種電力特征的電能轉變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的新型智能變壓器。
它不僅具有常規(guī)變壓器變壓、隔離、能量傳遞等功能，而且具備電壓可調(diào)節(jié)、功率流可靈活控制的特點，以實現(xiàn)電能的主動控制和分配，還具備電能質(zhì)量監(jiān)測與調(diào)節(jié)等常規(guī)變壓器不具備的功能。能量路由器相對于常規(guī)變壓器的應用場景也更加廣泛，如交直流混合微電網(wǎng)、新型數(shù)據(jù)中心、電力機車供電系統(tǒng)和制動能量回饋系統(tǒng)、多端柔性直流配電網(wǎng)側等應用場景。
1 能量路由器電壓等級及形態(tài)結構
目前，能量路由器主要應用于10kV及以下中壓配電網(wǎng)側。中壓配電網(wǎng)處于系統(tǒng)電網(wǎng)下游，是連接終端電力用戶和大電網(wǎng)的橋梁，直接關系到用戶用電的電能質(zhì)量和供電可靠性。在配網(wǎng)規(guī)劃、設計中，電網(wǎng)網(wǎng)架結構的選擇直接決定工程的經(jīng)濟性和電網(wǎng)供電的可靠性。能量路由器依據(jù)現(xiàn)有配電網(wǎng)絡、新舊負荷類型和應用場景，分為雙端口形態(tài)結構、三端口形態(tài)結構和多端口形態(tài)結構等類型。
雙端口型能量路由器一般分為AC 10kV～AC 380V、AC 10kV～DC ±375V、DC ±10kV～AC 380V、DC ±10kV～DC ±375V四種電壓等級和四種形態(tài)結構;三端口型能量路由器一般分為AC 10kV～AC 380V～DC ±375V、DC ±10kV～±375V三種電壓等級和兩種形態(tài)結構;多端口型能量路由器當前有AC 10kV～DC ±10kV～AC 380V～DC ±375V四種電壓等級一種形態(tài)結構。
對于一般形式的配電網(wǎng)絡而言，雙端口型能量路由器和三端口型能量路由器完全夠用，只有在特定場合或者特定用電區(qū)域，多端口、多形態(tài)結構根據(jù)現(xiàn)場情況可以靈活配置。以上幾種電壓等級和形態(tài)結構的能量路由器在不同的中低壓配電站依據(jù)現(xiàn)場布置和配置方式擇優(yōu)選取，但是都必須滿足現(xiàn)有泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)側高效、主動、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡與配網(wǎng)側設備的能量互聯(lián)、信息互通等新一代配電網(wǎng)絡的發(fā)展需求。
2 能量路由器在智能微電網(wǎng)中的應用
微電網(wǎng)技術尤其是交直流混合微電網(wǎng)技術隨著分布式能源的大量應用而成為未來電網(wǎng)技術的終極發(fā)展方向;交直流混合微電網(wǎng)不僅兼顧了傳統(tǒng)交流和新興電力中直流分布式能源與交直流負荷的接入問題，而且解決了交直流用電設備多重AC/DC或者DC/AC變換器帶來的諧波、損耗等問題。
但是，微電網(wǎng)中分布式電源受地理條件、環(huán)境因素、時間維度、空間尺度等制約，往往還存在一些問題，比如，分布式電源對的隨機性可能導致接入點電壓過高，或者引起交流并網(wǎng)點三相不平衡，或者并網(wǎng)點電能質(zhì)量較差，或者并網(wǎng)點同時存在雙向功率流等等問題。
當前為了實現(xiàn)智能微電網(wǎng)與大電網(wǎng)協(xié)同接入、和諧交互，通常將分布式電源通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟娊尤胂到y(tǒng)交流母線，電池單元也經(jīng)過雙向變流器逆變?yōu)榻涣麟娊尤胂到y(tǒng)交流母線，逆變器等并網(wǎng)設備雖然在技術層面一定程度上解決了分布式電源接入難的問題，但是大量的逆變裝置和智能微電網(wǎng)控制器會帶來大量諧波電流，并使系統(tǒng)功耗增加，引起配電、監(jiān)控、保護等方面的問題，這無疑增加了其建設成本和建設周期，增加了維護成本。
為了實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的柔性接入與智能管理，多端口能量路由器兼具能量管理、柔性接入、深度感知、調(diào)節(jié)電能質(zhì)量、全網(wǎng)絡信息互聯(lián)互通等優(yōu)勢，合理解決了微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間電網(wǎng)絡互聯(lián)、信息互聯(lián)互通等問題。
能量路由器在智能微電網(wǎng)中的應用系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1
3 能量路由器在大型數(shù)據(jù)中心的應用
隨著各種行業(yè)數(shù)字化轉型進入加速期，全球進入數(shù)字經(jīng)濟時代，支持數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的新技術也在不斷涌現(xiàn)。云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算與5G都將深刻影響未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。信息系統(tǒng)的市場應用越來越廣泛,信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級增長,大型數(shù)據(jù)中心的電力擴容需求日益增加,對大型數(shù)據(jù)中心供配電穩(wěn)定性的要求也不斷提高。
目前，大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構主要由市電(10kV、110kV)、高壓變配電系統(tǒng)、后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)(10kV、400V發(fā)電機組)、市電/備用電源自動轉換系統(tǒng)(中壓切換、低壓切換)、低壓配電系統(tǒng)(低壓配電、樓層配電單元)、不間斷電源(uninterruptible power supply, UPS)系統(tǒng)(UPS、240V、48V系統(tǒng)等)等模塊組成，圖2所示為當前大型數(shù)據(jù)中心變配電系統(tǒng)圖。
圖2
大型數(shù)據(jù)中心變配電系統(tǒng)前端基本全部采用交流輸電、交流配電方式，其在最終用電設備側需要配置AC/DC裝置將市電(包括備用UPS)逆變?yōu)镈C 240V或者DC 24V或者DC 12V供數(shù)據(jù)中心核心設備使用，這樣無疑增加了投資成本和電力傳輸損耗，而且在大型數(shù)據(jù)中心分布式引入多種AC/DC逆變裝置，給供配電系統(tǒng)運行維護也帶來諸多不利因素。
再者，隨著新型數(shù)據(jù)中心的要求不斷提高，信息設備功能越來越強，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設備機柜用電負荷由以前的2kVA/臺，提高到3kVA/臺、4kVA/臺，甚至更高;機房單位面積的平均用電負荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。數(shù)據(jù)中心用電負荷的統(tǒng)計應分為兩個層次，即UPS供電系統(tǒng)負荷(輸出)和市電供電系統(tǒng)負荷。
當前,為解決以上問題：①大型數(shù)據(jù)中心核心設備正在積極采用新型供電方式,進一步降低供電損耗;②由于高/中壓直流輸電、供電系統(tǒng)在投資成本、系統(tǒng)效率、占地空間等方面,較交流供配電和交流備用UPS具有更大的優(yōu)勢,必將得到較大規(guī)模的推廣和應用?；谝陨峡紤]，能量路由器不僅可以為大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)提供大容量的柔性直流輸配電方案，而且可提供高可靠的配電方案，減少原有交流輸配電供電系統(tǒng)的諸多電力變換環(huán)節(jié)，減少設備部署與投資，具有較大優(yōu)勢。圖3所示為新型大型數(shù)據(jù)中心變配電系統(tǒng)圖。
圖3
4 能量路由器在軌道交通領域的應用
城市軌道交通供配電系統(tǒng)是一個高度集成化和自動化的系統(tǒng)，獨立供軌道交通使用，其典型供配電結構如圖4所示。圖4中顯示，當前軌道交通變配電所中低壓側采用DC1500V和AC380V兩種電壓等級，分別為軌道交通牽引變和普通生活供用電。隨著國家提出智能交通和綠色交通的概念，傳統(tǒng)的軌道交通變配電所已不能滿足新型軌道交通發(fā)展理念，難以實現(xiàn)對系統(tǒng)合理用能的精準分析。
目前，在傳統(tǒng)軌道交通變配電所加入能量回饋裝置，是一種新型能量回收裝置，可以將列車制動過程中的能量反向送回電網(wǎng)側，這種方案技術上可行，但是不夠經(jīng)濟。運用新型能量路由器一方面可有效解決軌道交通變配電所繁瑣的多級變電問題，另一方面可以有效解決軌道交通制動過程中的能量回收問題。
如圖5所示，軌道交通用多端口能量路由器AC 35kV～AC 380V～DC 1500V典型主接線(或者AC 10kV～AC 380V～DC 1500V)，直接輸出DC 1500V供軌道交通牽引變使用，AC 380V直接供生活配電用，而且，能量路由器具備電能的多方向流動，可方便軌道交通制動過程的能量回收，無需另外增加其他能量回饋裝置。
圖4
圖5
5 能量路由器在柔性直流配電網(wǎng)中的應用
隨著經(jīng)濟和社會的飛速發(fā)展，除了傳統(tǒng)模式的發(fā)電方式之外，可再生能源、儲能、新型負荷和新興電力設施等技術也得到了快速發(fā)展。多種新的發(fā)電和用電形式并存，使現(xiàn)有配電網(wǎng)絡出現(xiàn)了大量的電力轉換問題。伴隨著大量新型發(fā)電和新興用電設備的接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡呈現(xiàn)出不足之處，對配電網(wǎng)的創(chuàng)新刻不容緩。
由于多數(shù)新型發(fā)電源和新興用電設備都是直流形式，所以中低壓直流配電網(wǎng)在城市配電網(wǎng)領域受到越來越多的關注，比如：在直流配電網(wǎng)中，源端的分布式直流電源(光伏、儲能等)可以不用逆變高效靈活接入直流配電網(wǎng)絡，直流傳輸網(wǎng)絡的高可靠性、高可控性和低損耗使得直流輸電得到人們的青睞，直流負荷端的電能質(zhì)量和經(jīng)濟性能也更優(yōu)越。
當前，在主電網(wǎng)為交流配電的形勢下，應用多端口能量路由器不僅解決了新型發(fā)電和新興用電設備的柔性接入問題，還可以滿足直流配電網(wǎng)絡與交流配電網(wǎng)的電力能量交互問題，為直流配網(wǎng)中直流電源及直流負荷提供了多種形式接口,具備直流故障穿越能力,能夠顯著減少網(wǎng)絡中換流器的數(shù)量,提高供電可靠性。能量路由器兼顧多種電源點和多種負荷的特性，柔性互聯(lián)、智能配電、深度解析各種設備，符合直流配電柔性能量互聯(lián)、海量信息互通等新一代直流配電網(wǎng)絡的發(fā)展需求。
6 結論
本文主要概述了能量路由器在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)側幾種應用場景的典型應用技術與方法，從現(xiàn)有配電系統(tǒng)技術和未來新興電力技術等層面分析了能量路由器作為連接主配電網(wǎng)絡和發(fā)展未來配電系統(tǒng)的重要技術方向。
能量路由器技術的發(fā)展徹底終結了交直流配電系統(tǒng)之爭，解決了交直流電源和負荷的連接問題，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)側高效、主動、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡與配網(wǎng)側設備的能量互聯(lián)、信息互通等新一代配電網(wǎng)絡的發(fā)展需求，具有重大的現(xiàn)實意義。
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