西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)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(shù)》雜志上撰文指出，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與轉(zhuǎn)型，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)。其中，以電力建設(shè)為平臺(tái)應(yīng)用實(shí)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(cè)需求量的比重加大，電力系統(tǒng)是整個(gè)能源鏈的核心環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來依靠上下游支撐，保持平穩(wěn)運(yùn)行。所以，研究如何將現(xiàn)有配網(wǎng)側(cè)負(fù)荷需求和發(fā)電管理等融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是當(dāng)前工作的重中之重。能量路由器通過智能識(shí)別源端(電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè))、負(fù)荷端的發(fā)電、用電需求，具備能量流雙向流動(dòng)，優(yōu)化電源端與負(fù)荷端電力需求，充分滿足了國(guó)家電網(wǎng)對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)側(cè)的需求，具有重大的現(xiàn)實(shí)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(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。而以電力系統(tǒng)為核心的能源鏈的配電網(wǎng)側(cè)當(dāng)前接入設(shè)備主要有不可控負(fù)荷、可控負(fù)荷、新能源發(fā)電設(shè)備(光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等)、柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)汽車等。
傳統(tǒng)的被動(dòng)應(yīng)對(duì)式的配電網(wǎng)和傳統(tǒng)形式的電力設(shè)備、技術(shù)已不能滿足負(fù)荷側(cè)多種能源和多種負(fù)荷發(fā)配電需求以及人們對(duì)高品質(zhì)電能的需求。為了實(shí)現(xiàn)多種屬性能源與多種屬性負(fù)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(dòng)、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡(luò)與配網(wǎng)側(cè)設(shè)備的能量互聯(lián)、信息互通的解決方法或者智能設(shè)備具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
能量路由器是以電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)，聯(lián)合能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)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(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電能的主動(dòng)控制和分配，還具備電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(duì)于常規(guī)變壓器的應(yīng)用場(chǎng)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(jī)車供電系統(tǒng)和制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)、多端柔性直流配電網(wǎng)側(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。
1 能量路由器電壓等級(jí)及形態(tài)結(jié)構(gòu)
目前，能量路由器主要應(yīng)用于10kV及以下中壓配電網(wǎng)側(cè)。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(guān)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(shè)計(jì)中，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選擇直接決定工程的經(jīng)濟(jì)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(luò)、新舊負(fù)荷類型和應(yīng)用場(chǎng)景，分為雙端口形態(tài)結(jié)構(gòu)、三端口形態(tài)結(jié)構(gòu)和多端口形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jí)和四種形態(tài)結(jié)構(gòu);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(jí)和兩種形態(tài)結(jié)構(gòu);多端口型能量路由器當(dāng)前有AC 10kV～DC ±10kV～AC 380V～DC ±375V四種電壓等級(jí)一種形態(tài)結(jié)構(gòu)。
對(duì)于一般形式的配電網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)合或者特定用電區(qū)域，多端口、多形態(tài)結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以靈活配置。以上幾種電壓等級(jí)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的能量路由器在不同的中低壓配電站依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)高效、主動(dòng)、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡(luò)與配網(wǎng)側(cè)設(shè)備的能量互聯(lián)、信息互通等新一代配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。
2 能量路由器在智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用
微電網(wǎng)技術(shù)尤其是交直流混合微電網(wǎng)技術(shù)隨著分布式能源的大量應(yīng)用而成為未來電網(wǎng)技術(shù)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(fù)荷的接入問題，而且解決了交直流用電設(shè)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?xiàng)l件、環(huán)境因素、時(shí)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(duì)的隨機(jī)性可能導(dǎo)致接入點(diǎn)電壓過高，或者引起交流并網(wǎng)點(diǎn)三相不平衡，或者并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量較差，或者并網(wǎng)點(diǎn)同時(shí)存在雙向功率流等等問題。
當(dāng)前為了實(shí)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(shè)備雖然在技術(shù)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(huì)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(hù)等方面的問題，這無疑增加了其建設(shè)成本和建設(shè)周期，增加了維護(hù)成本。
為了實(shí)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(luò)信息互聯(lián)互通等優(yōu)勢(shì)，合理解決了微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間電網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)用
隨著各種行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)入加速期，全球進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，支持?jǐn)?shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)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(chǎng)應(yīng)用越來越廣泛,信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng),大型數(shù)據(jù)中心的電力擴(kuò)容需求日益增加,對(duì)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(gòu)主要由市電(10kV、110kV)、高壓變配電系統(tǒng)、后備柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(10kV、400V發(fā)電機(jī)組)、市電/備用電源自動(dòng)轉(zhuǎn)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(dāng)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(shè)備側(cè)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(shè)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(yùn)行維護(hù)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(shè)備功能越來越強(qiáng)，功率密度越來越高。數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)柜用電負(fù)荷由以前的2kVA/臺(tái)，提高到3kVA/臺(tái)、4kVA/臺(tái)，甚至更高;機(jī)房單位面積的平均用電負(fù)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(fù)荷的統(tǒng)計(jì)應(yīng)分為兩個(gè)層次，即UPS供電系統(tǒng)負(fù)荷(輸出)和市電供電系統(tǒng)負(fù)荷。
當(dāng)前,為解決以上問題：①大型數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備正在積極采用新型供電方式,進(jìn)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(shì),必將得到較大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。基于以上考慮，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(shè)備部署與投資，具有較大優(yōu)勢(shì)。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(lǐng)域的應(yīng)用
城市軌道交通供配電系統(tǒng)是一個(gè)高度集成化和自動(dòng)化的系統(tǒng)，獨(dú)立供軌道交通使用，其典型供配電結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中顯示，當(dāng)前軌道交通變配電所中低壓側(cè)采用DC1500V和AC380V兩種電壓等級(jí)，分別為軌道交通牽引變和普通生活供用電。隨著國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)合理用能的精準(zhǔn)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(dòng)過程中的能量反向送回電網(wǎng)側(cè)，這種方案技術(shù)上可行，但是不夠經(jīng)濟(jì)。運(yùn)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(jí)變電問題，另一方面可以有效解決軌道交通制動(dòng)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(dòng)，可方便軌道交通制動(dòng)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(yīng)用
隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(chǔ)能、新型負(fù)荷和新興電力設(shè)施等技術(shù)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(luò)出現(xiàn)了大量的電力轉(zhuǎn)換問題。伴隨著大量新型發(fā)電和新興用電設(shè)備的接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出不足之處，對(duì)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(shè)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(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，比如：在直流配電網(wǎng)中，源端的分布式直流電源(光伏、儲(chǔ)能等)可以不用逆變高效靈活接入直流配電網(wǎng)絡(luò)，直流傳輸網(wǎng)絡(luò)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(fù)荷端的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性能也更優(yōu)越。
當(dāng)前，在主電網(wǎng)為交流配電的形勢(shì)下，應(yīng)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(shè)備的柔性接入問題，還可以滿足直流配電網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(luò)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(diǎn)和多種負(fù)荷的特性，柔性互聯(lián)、智能配電、深度解析各種設(shè)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(luò)的發(fā)展需求。
6 結(jié)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(cè)幾種應(yīng)用場(chǎng)景的典型應(yīng)用技術(shù)與方法，從現(xiàn)有配電系統(tǒng)技術(shù)和未來新興電力技術(shù)等層面分析了能量路由器作為連接主配電網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展未來配電系統(tǒng)的重要技術(shù)方向。
能量路由器技術(shù)的發(fā)展徹底終結(jié)了交直流配電系統(tǒng)之爭(zhēng)，解決了交直流電源和負(fù)荷的連接問題，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配電網(wǎng)側(cè)高效、主動(dòng)、智能、柔性、深度感知、全面解析主網(wǎng)絡(luò)與配網(wǎng)側(cè)設(shè)備的能量互聯(lián)、信息互通等新一代配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
評(píng)論