能源路由器：基于固态变压器的能源路由器结构与能源流量模型
論文譯自：
該文章是2012年的研究進展
文章目錄
- 摘要
- 1.INTRODUCE
- 2.能源互聯(lián)網(wǎng)和路由器的定義
- 3.能源路由器的架構(gòu)設計
- 3.1 能源路由器的設計要求
- 3.2 體系結(jié)構(gòu)描述（重點）
- c .討論
- 4.能源路由器輸入與輸出能量的建模
- 5.結(jié)論與展望在本文中
- 6.致謝
- 7.PEFERENCES
摘要
近年來，大量的可再生能源和直流負載的出現(xiàn)成為未來電網(wǎng)的研究熱點，也被稱為能源互聯(lián)網(wǎng)。為了實現(xiàn)這種對新能源范式的根本性創(chuàng)新，許多設備將被設計、制造和評估。在本文中，我們描述了一種基于固態(tài)變壓器的能量路由器，它可以將輸入的能量流量轉(zhuǎn)換和路由到輸出的能量流量。特別是，我們專注于這種路由器的架構(gòu)設計，以及能源局域網(wǎng)絡(ELAN)的能源存儲設備、發(fā)電機和負載模型。該能源路由器具有即插即用的多輸入多輸出(MIMO)特性和定制化操作系統(tǒng)，為能源路由器的優(yōu)化設計和性能分析提供了系統(tǒng)級建模。
1.INTRODUCE
根據(jù)美國能源情報署的數(shù)據(jù)，美國的總電能消耗約為11萬億千瓦時[1]。大部分電能由不可再生和非環(huán)保的化石燃料產(chǎn)生，造成的二氧化碳排放量約占全球溫室氣體排放量的22%至24%[2]。近年來，越來越多的住宅級可再生能源和直流負載，如LED (lightemitdiode)燈和電動汽車(EV)連接到電力系統(tǒng)，以節(jié)約能源和減少二氧化碳排放[3]。因此，分布式可再生能源(DRERS)、分布式能源存儲設備(DESDS)和新興直流負載的大規(guī)模集成，需要從傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)進行革命性的范式轉(zhuǎn)變。因此，受信息互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的啟發(fā)，未來可再生電力能源交付與管理(FREEDM)中心提出了“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念，可能最終將電力和能源行業(yè)從目前的集中式主機轉(zhuǎn)變?yōu)榛诳蛻舻姆植际诫娏A設施，如容納無數(shù)的個體用戶和新興的直流負載，進一步允許客戶自由、可靠地交換能源[1]、[4]、[5]。
從廣義上講，目前針對能源互聯(lián)網(wǎng)(又稱“智能電網(wǎng)”)的研究工作主要分為三大類:
1)硅基固態(tài)變壓器(SST)的設計與開發(fā);
2)微網(wǎng)控制策略之實用連接模式或孤島模式;
3)標準化變電站[6]、[7]的標準化軟件和通信平臺。
大部分工作都集中在第一代硅基固態(tài)變壓器的設計和研制上，由FREEDM系統(tǒng)中心[8]-[13]進行討論。隨著高壓、高頻SiC MOSFET和IGBT器件的實現(xiàn)，設想的SST原型可以提供雙向的能量流控制能力和完善的電能質(zhì)量，進一步成為分布式可再生資源與電網(wǎng)的接口。利用傳統(tǒng)的電力自動控制理論，對微電網(wǎng)的控制技術(shù)和運行仿真進行了大量的研究。然而，這些技術(shù)缺乏靈活性，因為它們沒有考慮到潛在的可再生能源資源和能源管理政策。最近，根據(jù)IEC 61499標準和IEC 61850提出了一種用于[18]變電站分布式和嵌入式應用的通信平臺，該平臺用于實現(xiàn)FREEDM系統(tǒng)中的分布式電網(wǎng)智能，可以被視為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的能源廣域網(wǎng)(EWAN)的原型。在通往能源互聯(lián)網(wǎng)的道路上，FREEDM系統(tǒng)中心專注于革命性的系統(tǒng)理論發(fā)展，使能信息和通信技術(shù)的應用，以及先進電力半導體和電子產(chǎn)品的開發(fā)，以及電池技術(shù)。具體而言，我們的目標是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的以下目標:
一，設計和實現(xiàn)一種革命性的能源路由器架構(gòu)，使它們可以接入多種能源資源和負載，并向未來的能源互聯(lián)網(wǎng)互連。
二，開發(fā)基于開放標準的即插即用接口規(guī)范，以適應多種接入技術(shù)，包括WiFi、ZigBee、以太網(wǎng)和3G蜂窩系統(tǒng)。
三，為能源路由器設計一種新的輕量級操作系統(tǒng)，結(jié)合了功率轉(zhuǎn)換控制技術(shù)和能源管理策略。
能源互聯(lián)網(wǎng)的預期目標轉(zhuǎn)移到能源路由器的相同愿望。擬建能源路由器的預期功能如下:
i)整合多個分布式可再生能源，解決傳統(tǒng)能源短缺、能源需求增加甚至環(huán)境問題加劇帶來的能源危機;
ii)是充分提高電網(wǎng)效率通過智能能源路由器實現(xiàn)可再生能源的利用和DRERS、desd和負荷的優(yōu)化管理;
iii)為未來電力和可再生能源的開放市場提供靈活的能源互聯(lián)網(wǎng)。
雖然基于固態(tài)變壓器的微電網(wǎng)[19]、[20]以及智能微電網(wǎng)分布式操作系統(tǒng)[21]的架構(gòu)已經(jīng)取得了很大的進展，但對于基于固態(tài)變壓器(SST)的能源路由器卻鮮有人關注。因此，在本文中我們著重探討了三個具體問題，這也可以看作是我們的貢獻。首先，我們以信息技術(shù)為類比，建立構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的能源路由器的定義和假設，以及輸入資源和輸出負載。其次，我們提出了一個能源路由器的架構(gòu)，在能源路由器和即插即用的輸入和輸出之間有特定的通信架構(gòu)，這也被稱為通用的最終用戶，在整個論文中，因為每個用戶可能是一個能源輸入，或輸出，甚至兩者都是。最后，對不同終端用戶的潛在能源流量進行建模，為未來能源路由器性能和優(yōu)化設計的研究奠定基礎。本文的其余部分組織如下。在第二節(jié)中，我們從信息技術(shù)的角度描述了能源互聯(lián)網(wǎng)和能源路由器的定義。在第三部分中，我們提出了一種未來的能源路由器架構(gòu)，并討論了設計問題。為了進一步分析能源路由器的性能，我們在第四節(jié)基于三種資源和負載的測量數(shù)據(jù)推導出了最終用戶的通用流量模型。最后在第五節(jié)對本文進行總結(jié)。
2.能源互聯(lián)網(wǎng)和路由器的定義
能源互聯(lián)網(wǎng)可能是單一的、全球性的網(wǎng)絡能源網(wǎng)絡，通過能源路由器與其他網(wǎng)絡能源網(wǎng)絡互聯(lián)，終端用戶可以在網(wǎng)絡能源網(wǎng)絡中靈活地交換能源。能源互聯(lián)網(wǎng)有兩個關鍵的、前所未有的元素:
1)終端用戶，即一臺可以通過編程來操縱電能的產(chǎn)生、儲存或消耗，并與他人就能源交換進行溝通的機器;
2)能源路由器，這是一種基于sst的新型機器，通過即插即用界面實現(xiàn)智能能源設備的能量交換，簡化和通用操作，以及一個開放標準的分布式電網(wǎng)智能(DGI)操作系統(tǒng)，優(yōu)化能源管理。
終端用戶(這一塊還需了解)
智能終端用戶分為DRERS、DESDS和負載三種類型。具體來說，DRERS終端用戶可以快速、精確和可靠地執(zhí)行復雜和重復的能源產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換程序。另一方面，負荷終端用戶可以執(zhí)行復雜的和定制的能源消耗，因為消費者將能夠優(yōu)化他們的使用，包括遠程控制電子電器和可再生能源的交易。此外，DESDS終端用戶可以進行復雜和周期性的能量儲存和發(fā)電。
能源路由器
能源路由器作為最重要的部件之一，必須能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用的通信協(xié)議，高質(zhì)量、高可靠性的任意調(diào)節(jié)潮流，控制功率均衡，實現(xiàn)能源管理應用軟件和通信功能。
能源互聯(lián)網(wǎng)
回顧網(wǎng)絡與信息技術(shù)研究與發(fā)展(NITRD)計劃中對“互聯(lián)網(wǎng)”的定義，我們對“能源互聯(lián)網(wǎng)”的定義進行了解釋，它指的是全球能源系統(tǒng)，即:
(i)基于能源協(xié)議(EP)或其后續(xù)擴展/后續(xù)，由全球唯一的地址空間邏輯連接在一起;
(ii)能夠使用特定的能源傳輸控制協(xié)議(ETCP)/能源協(xié)議(ETCP/EP)套件和/或其他與EP兼容的協(xié)議支持能源和信息通信;
(iii)能夠提供或使公眾或私人獲得基于本文所述通信和相關基礎設施分層的高水平能源服務。
與互聯(lián)網(wǎng)(提供計算機之間的連接的全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))類似，能源互聯(lián)網(wǎng)有望成為一個全球能源系統(tǒng)，在DRERS、DESDS和負載之間提供能源連接。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)異質(zhì)性極強，具有多樣化的延時要求、電壓和功率特性，才能提供實時、可靠的能源交付。與TCP/IP類似，能量傳輸控制協(xié)議將能量轉(zhuǎn)換成特定的格式，并在更高一層的能源互聯(lián)網(wǎng)上傳輸。較低層的能源協(xié)議處理能源互聯(lián)網(wǎng)設備的地址部分。不幸的是，目前的電力和電子技術(shù)不能像信息包那樣將電力轉(zhuǎn)換到特定負載。因此，在設想的能源路由器中，電力是通過穩(wěn)定的共享總線交換的。
在能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，能源路由器是一種電力網(wǎng)絡設備，它可以與所連接的多個終端用戶(如DRERS、DESDS、負載)和其他對等點進行通信，以有效地交換正確頻率的電能電流和電壓，無論是直流電(DC)或交流電(AC)。如圖1所示，由一個能源路由器和它所連接的多個終端用戶組成的網(wǎng)絡被稱為能源局域網(wǎng)絡(ELAN)。此外，多個ELAN可以配置為一個能源廣域網(wǎng)(EWAN)，能源路由器可以通過能源互聯(lián)網(wǎng)在ELAN中連接的終端用戶之間交換能源。
此外，能源路由器預計具有以下功能:
1)通過設計實現(xiàn)多個終端用戶之間的雙向高質(zhì)量電能轉(zhuǎn)換;
2)即插即用接口使用能源通用即插即用(UPnP)，由于轉(zhuǎn)換器[8]的大輸入控制帶寬，終端用戶可以通過共享的400V直流或120V交流母線無縫連接到電網(wǎng);
3)在ELAN, EWAN，甚至能源互聯(lián)網(wǎng)上的最佳能源管理。
為了實現(xiàn)這些目標，能源路由器不僅需要提供通信和能量流動路徑，還需要對潮流進行必要的轉(zhuǎn)換和路由，使最終用戶之間可以通過共享的400V DC或120V AC母線進行能量交換。此外，能源路由器可以以這樣的方式運行:接收來自一個終端用戶的業(yè)務請求，搜索需求與供應表中列出的實時業(yè)務伙伴，然后通知該業(yè)務伙伴，為他們建立電力流連接。此外，他們還需要以完善的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性來維持交易，并在業(yè)務關閉后清除潮流連接[22]。交易過程可以是能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)發(fā)，或者兩者兼而有之。
設想的能源路由器也有三種工作模式:并網(wǎng)模式、EWAN隔離模式和ELAN隔離模式。更重要的是，它可以通過執(zhí)行不同的控制策略[1]、[19]、[20]，在三種運行模式之間提供平滑、不間斷的切換
值得注意的是，與能源互聯(lián)網(wǎng)類似但不同的概念是微電網(wǎng)，它被定義為一組本地化的電源和負載，通常與傳統(tǒng)的中央電網(wǎng)(宏觀電網(wǎng))連接并同步運行，但可以根據(jù)物理和/或經(jīng)濟條件[23]斷開并自主運行。微網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的目標都是將DERES和DESDS整合到傳統(tǒng)電網(wǎng)中，它們的運行和控制是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定的關鍵。顯然，能源路由器及其附屬終端用戶可以被視為一個微電網(wǎng)，然而，基于SST的能源路由器的特定通信基礎設施和單片設計提供了更靈活和高效的能源管理場所。
3.能源路由器的架構(gòu)設計
在本節(jié)中，我們分別對能源路由器和終端用戶提出了獨特的設計要求。然后我們描述了能源路由器的架構(gòu)和不同的終端用戶。并對這種設計進行了討論。
3.1 能源路由器的設計要求
如前一節(jié)所述，能源互聯(lián)網(wǎng)引出了幾個基本的設計要求，如下:
1)能源路由器可接入電力系統(tǒng)配電級的7.2kV交直流配電母線，通過調(diào)節(jié)交直流低壓母線、高壓側(cè)電壓凹陷穿越、功率因數(shù)校正、諧波消除、負荷側(cè)故障限流[1]等電能轉(zhuǎn)換和管理功能，提供調(diào)節(jié)后的400V直流母線或120V交流母線，或同時提供調(diào)節(jié)后的接近完美電能質(zhì)量的母線。（電力電子技術(shù)）
2)能源路由器還提供雙向電力流，這樣來自可再生資源的能源可以賣回給公用事業(yè)公司或其他客戶。（能源交易技術(shù)）
3)能源路由器配備輔助供電結(jié)構(gòu)。能源路由器必須作為一個獨立的單元運行，它必須能夠從12kV的交流/直流配電總線或作為源端的400V直流電源啟動，因為我們認為基于sst的能源路由器可以部署在能源互聯(lián)網(wǎng)上，既可以是獨立的，也可以是互聯(lián)的。
4)能源路由器具有多個可識別即插即用接口，可使用400V直流總線或120V交流總線，一旦連接到能源互聯(lián)網(wǎng)，任何終端用戶都可以立即識別，并自動進行通信。這些物理電源接口應該是通用的和標準化的。(通信技術(shù)，我要做的)
5)能源路由器擁有一個輕量級的基于開放標準的操作系統(tǒng)，能夠支持高質(zhì)量的實時功率轉(zhuǎn)換、能源路由器之間的通信、即插即用接口管理、狀態(tài)采集、ELAN內(nèi)部的功率均衡管理、故障檢測以及通過共識分布式控制算法與其他能源路由器進行能量優(yōu)化管理。（操作系統(tǒng)，我要做的）
6)終端用戶還應該托管一個自定義的微操作系統(tǒng)，就像手機一樣，能夠識別插拔操作，并向能源路由器報告其實時狀態(tài)信息，并自動接收能源路由器的調(diào)度要求。（終端部分操作系統(tǒng)）
3.2 體系結(jié)構(gòu)描述（重點）
基于上述設計需求，我們提出了針對能源路由器和不同終端用戶的架構(gòu)，如圖2所示。在這樣的架構(gòu)中，一般的終端用戶需要具有控制和通信雙重功能的控制器、相應的功率變換器和能源設備(如發(fā)電、消費或存儲設備)。另一方面，能源路由器由系統(tǒng)控制器、電網(wǎng)適配模型、400V直流穩(wěn)壓母線和由插座和斷路器組成的多個基于標準的接口四部分組成。這種架構(gòu)設計具有高質(zhì)量的電源轉(zhuǎn)換，即插即用的MIMO接口，以及單片定制操作系統(tǒng)。
下面，我們將從用戶界面到系統(tǒng)控制器描述能源路由器的架構(gòu)。首先，多個基于標準的接口和斷路器。其額定電壓可達400V DC，最大電流可達400V
DC，甚至還有插座和斷路器的制造規(guī)格。其次，采用400V直流穩(wěn)壓母線連接終端用戶。有一個電容來維持400V電壓水平。第三，首先將能源路由器接入電網(wǎng)，使其存在電網(wǎng)自適應模塊，將7.2kV交流電源轉(zhuǎn)換為400V直流穩(wěn)壓母線。自適應并網(wǎng)模塊由高壓傳感器、7.2kV交-10kV直流整流器、10kV DC- 400v直流變換器和輔助供電系統(tǒng)組成。該模塊具有獨立能源路由器設備供電和其他ELAN連接接口的雙重功能。在該模塊中，7.2k交流到10k直流整流具有高壓、高頻工作、雙向功率轉(zhuǎn)換、單位功率因數(shù)等特點。15kV SiC MOSFET和IGBT的研制將使高壓高頻10kV DCto-400V直流雙向變換器具有穩(wěn)定的400V直流母線，大大減小10kV DCto-400V直流變換器的體積。輔助電源模塊由7.2kV交流、400V直流轉(zhuǎn)換為24V直流，為能源路由器單獨供電。需要注意的是，FREEDM的研究人員在固態(tài)變壓器的研制上投入了大量精力，一旦15kV SiC MOSFET和IGBT研制成功，將達到前三項設計要求。
事實上，能源路由器和終端用戶的體系結(jié)構(gòu)設計在很大程度上依賴于它們之間的通信體系結(jié)構(gòu)，用于對能源的時變轉(zhuǎn)換和調(diào)度進行監(jiān)控和控制終端用戶。所提出的通信體系結(jié)構(gòu)不僅要求系統(tǒng)控制器托管一個新的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)能夠支持由電力運行的時間敏感特性驅(qū)動的實時監(jiān)控功能。此外，它還可以作為通用即插即用的控制器，從而與所連接的終端用戶進行通信。特別是通過WiFi、ZigBee、光纖等通信技術(shù)，對所連接的終端用戶進行功率平衡管理，并與其他能源路由器進行電能交換。
c .討論
能量路由器的設計原則在于三個方面:
a)瞬時功率平衡，
b)穩(wěn)定性，
c)運行約束。
由于ELAN中的許多應用(如監(jiān)控、控制和繼電保護)都是面向延遲的，且有嚴格的時序要求，因此延遲應該是ELAN通信體系結(jié)構(gòu)設計的主要性能指標。與現(xiàn)有的通信控制雙板框架[24]、[25]相比，能量路由器的單片設計結(jié)合了對功率器件、通信功能的物理控制，并通過特定的操作系統(tǒng)進一步優(yōu)化能量，減少了消息傳遞過程，顯著提高了延遲性能。從而進一步保證了時刻功率平衡運行。
請注意，在這樣的架構(gòu)設計中，DESDS終端用戶是必要的，也是非常關鍵的，它的能力決定了平滑模式轉(zhuǎn)換。具體來說，在lan隔離模式下，DESDS負責維護400V的穩(wěn)定性直流總線通過D-Q控制策略[26]。在其他兩種模式下，電網(wǎng)自適應模型負責維持400V直流母線的穩(wěn)定。UPnP和針對能源路由器和終端用戶的定制操作系統(tǒng)的特點極大地簡化了能源路線的操作。
從傳統(tǒng)的集中控制電力系統(tǒng)的角度來看，以往的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為三種:直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)已經(jīng)使用了100多年，因為它能在不同的電壓水平和長距離上有效地轉(zhuǎn)換交流電力，以及化石能源驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)機器[3]的固有特性。為了解決能源和環(huán)境問題，開發(fā)了大量的可再生直流發(fā)電和負載，并要求有效地融入現(xiàn)有的交流電網(wǎng)，這引領了直流微電網(wǎng)的發(fā)展。AC/DC混合微電網(wǎng)[3]已被提出，以減少單個電網(wǎng)中多次DC-AC-DC或AC-DC-AC轉(zhuǎn)換的過程，以便于將各種可再生的AC和DC源及負載連接到電力系統(tǒng)中。因此，為了解決可再生直流能源資源的高滲透率和LED照明的人口數(shù)量問題，設想的能源路由器將與附加的終端用戶結(jié)合，組成具有更普遍特征的概念微電網(wǎng)，屬于直流型微電網(wǎng)。
4.能源路由器輸入與輸出能量的建模
這部分不是我關注的方向。暫時略過，主要是說建立了能源路由器的基本MIMO模型，
5.結(jié)論與展望在本文中
我們介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)、組件和協(xié)議，類似于信息互聯(lián)網(wǎng)。明確了能源路由器的功能和設計要求，在此基礎上提出了能源路由器的4個模塊架構(gòu):承載新型操作系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器、網(wǎng)格自適應模塊、400V直流穩(wěn)壓母線和基于標準的即插即用接口。通過對實際測量數(shù)據(jù)的分析，推導出了三種終端用戶的通用數(shù)學模型，并建立了能源路由器的基本MIMO模型，用于進一步的性能分析。要分析設想的能源路由器的性能指標，還有很多工作要做。最后，我們的下一步工作可分為以下兩個方向:1)確定能源路由器和終端用戶操作系統(tǒng)實現(xiàn)的詳細功能模型;2)進一步細化能源路由器的流量模型，并對能源路由器作為MIMO能源系統(tǒng)的性能進行分析。本文總結(jié)了我們在能源路由器設計和實現(xiàn)方面的進展，希望本文的工作能夠促進我們對能源互聯(lián)網(wǎng)和能源路由器架構(gòu)的理解。
6.致謝
我們要感謝未來可再生電力公司?能源交付與管理(FREEDM)系統(tǒng)中心贊助這項研究工作。
7.PEFERENCES
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的能源路由器：基于固态变压器的能源路由器结构与能源流量模型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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