CN108134393A - 一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网*** - Google Patents

一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***，以区域电能路由器、变压电能路由器和分支电能路由器为核心节点设备层次组网形成互联集控层、变压分控层、接口扩展层的集中分布相结合的区域能源互联配电网。区域电能路由器通过中压专线接入或馈线接入传统配电网，进行交直流变换形成中压交流、中压直流环网，变压电能路由器通过中压交直流并网接口连接到中压交流、中压直流母线上，具备交直流能量变换与变压能力，低压侧形成按功能划分的交直流接口，通过分支电能路由器拓展低压交直流接口。本发明以电能路由器层次组网接入传统配电网，可进一步提升分布式清洁能源发电渗透率、满足不同用户要求的灵活性以及供电可靠性。

Description

一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***
技术领域
本发明属于能源互联网与电气技术领域，更具体地，涉及一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***。
背景技术
近年来，为了缓解日益突出的能源、资源及环境问题，大量分布式可再生能源发电装置并入电网，使得传统的配电网由单纯的供电功能，扩展出了发电的功能。为应对分布式能源发电的间歇性、分散性和不可控性，提高可再生能源的利用率，大量储能设备加入电网以缓冲能量波动。发电方式已呈现出集中式、分布式并存的特点，电能流向也由单向流动演变为多向流动。以电动汽车为代表的柔性负荷加入，使得电能流向和管理变得更加复杂。
而当前我国配电网终端仍以传统电磁式变压器为主，沿用馈线或树枝状的被动受电方式，配电网结构与电力设备不具备多向功率输送的调控能力，供电区域内缺少能量管理调控设备和信息支持***，难以满足光伏、风电、储能、电动汽车、用户负载和清洁能源***(热电联产、冷热电三联供等)灵活接入的要求，无法通过多种能源互动调控来解决日益突出的新能源发电的间歇性和用户用电的随机性难题，严重制约了可再生能源的广泛接入、就地消纳和能源高效利用。在智能电网及能源互联网背景下，目前提出的创新配电网架构是对传统配电网完全的革新，难以接入传统配电网，实现难度大、成本高。为了适应配电网发展新态势，在现有配电网的基础上，急需从创新配电网结构、开发以电能路由器为例的柔性可控配电设备出发建立新型的配电体系架构，与主配电网电网相互支撑、互为补充。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***，由此解决目前提出的创新配电网架构由于是对传统配电网完全的革新，而造成的难以接入传统配电网，实现难度大、成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***，包括：以区域电能路由器为核心节点设备的互联集控层，以变压电能路由器为核心节点设备的变压分控层，以分支电能路由器为核心节点设备的接口扩展层；
所述变压电能路由器通过第一交流并网接口和第一直流并网接口分别连接至所述区域电能路由器形成的中压交流母线和中压直流母线上；所述分支电能路由器通过分支电能路由器接口连接至所述变压电能路由器；
所述互联集控层，用于面向所述区域电能路由器的运行控制、能量调度与优化管理及用户服务，根据区域内用户能源请求制定发电计划，形成电力交易市场并处理交易信息，通过所述区域电能路由器与外部输配电网进行交互，负责所述区域能源互联配电网***与所述外部输配电网的能量交换以及隔离所述外部输配电网的故障；
所述变压分控层，用于通过所述变压电能路由器实现交直流变换与变压功能，以形成按功能划分的低压交直流即插即用接口，通过双向潮流控制，实施电能的供给和分配，实现分布自治与电能路由，对所述即插即用接口的使用进行管控；
所述接口拓展层，用于根据用户需求进行接口拓展，实现分布式发电、储能以及家用柔性负荷设备的接入。
优选地，所述区域电能路由器作为所述区域能源互联配电网***的关口控制，通过中压专线或中压馈线分别接入所述外部输配电网，双端供电，形成区域内的中压交流母线环网和中压直流母线环网，提高供电可靠性。
优选地，所述区域电能路由器包括中压整流级、中压逆变级以及第一能量缓存环节，具有外接所述外部输配电网的交流接口，内接所述变压分控层的交流接口和直流接口，其中，所述中压整流级采用级联结构，负责与所述外部输配电网的并离网连接和双向AC/DC变换，在所述区域能源互联配电网***内电能富余时，控制功率潮流流向所述外部输配电网，所述中压逆变级采用级联结构，与所述中压直流母线相连，提供工频交流线路，所述第一能量缓存环节与所述中压直流母线相接。
优选地，所述变压电能路由器作为所述区域电能路由器的下级设备，在所述变压电能路由器的低压侧形成按功能划分的交流接口和直流接口。
优选地，所述变压电能路由器包括中高压AC/DC整流级、DC/DC隔离级、低压DC/AC逆变级、低压DC/DC多端口直流变换环节以及第二能量缓存环节；
所述中高压AC/DC整流级采用级联结构，用于与所述区域电能路由器的交流线路的并离网连接和双向AC/DC变换，并经所述中压直流母线与所述变压电能路由器中的中压直流电气接口进行连接，提供高质量双向中压直流配电线路母线接口；
所述DC/DC隔离级采用串联输入并联输出的双主动桥拓扑，用于实现中高频隔离型双向DC/DC变换和电压变换；
所述低压DC/AC逆变级采用两电平结构，与所述DC/DC隔离级经低压直流链路相连，提供低压交流接口；
所述低压DC/DC多端口直流变换环节，用于提供按功能划分的低压交直流接口；
所述第二能量缓存环节，用于灵活应对和处理接口发电设备及负荷随机波动的能力，提高各端口的稳压稳频能力。
优选地，所述变压电能路由器的低压侧形成按功能划分的交流接口和直流接口，包括：低压直流储能接口、分布式发电直流接口、电动汽车接口、直流负荷接口、分支电能路由器接口、直流通用接口、低压交流冷热电***接口、交流负荷接口以及交流通用接口，满足低压交、直流分布式发电、储能、负荷及其分支电能路由器的接入。
优选地，所述分支电能路由器包括第二交流并网接口、第二直流并网接口以及连接到所述变压电能路由器的分支电能路由器接口，按功能划分拓展出多个低压侧交流用电接口和直流用电接口。
优选地，所述区域电能路由器、所述变压电能路由器以及所述分支电能路由器的交直流接口集成了电气接口与有线通信接口，形成接口的电气标准、信息标准、保护标准的即插即用设计，具备设备快速感知、信息交互与监测以及故障隔离与恢复功能。
优选地，所述区域电能路由器、所述变压电能路由器以及所述分支电能路由器的内部具有物理层和应用层的双层结构，其中，物理层包括一次电力电子变换器、即插即用交直流接口和通信模块，应用层包括电能路由器内部的运行控制、能量优化管理、功率预测、电能质量控制、购电交易或售电交易、设备监测控制以及故障隔离与恢复。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案相对于传统辐射状、弱馈线的配电网，具有以下技术效果：
(1)本发明形成以电能路由器为核心节点设备的分级层次化能源互联配电网***，通过电能路由器节点的网络寻址与路由选择，实现能量的多向传输优化，支持电能“自发自用、互济互供、电网补缺、余量外送”，达到节能减排和降低线路损耗等目的。
(2)本发明通过区域电能路由器作为关口控制，将区域能源互联配电网有效接入现有中压交流配电网，具备交直流变换与变压能力，形成中压交、直流环网，实现网内协调控制与自治管理，提高配用电可靠性。
(3)形成按功能划分的低压交直流“即插即用”接口，将分布式新能源发电、分级储能、电动汽车、冷热电三联供、柔性负荷等进行统一管理，通过双向潮流控制，实施电能高效的供给和分配。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于路由技术的区域能源互联配电网***的体系架构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种区域电能路由器结构方案示意图；
图3为本发明实施例提供的一种变压电能路由器结构方案示意图；
图4为本发明实施例提供的一种分支电能路由器结构方案示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***，以区域电能路由器、变压电能路由器和分支电能路由器为核心节点设备层次组网形成互联集控层、变压分控层、接口扩展层的集中分布相结合的交直流互联区域能源互联配电网。以电能路由器层次组网接入传统配电网，可进一步提升分布式清洁能源发电渗透率、满足不同用户要求的灵活性以及供电可靠性。
如图1所示为本发明实施例提供的一种基于路由技术的区域能源互联配电网***的体系架构示意图，包括：以区域电能路由器为核心节点设备的互联集控层，以变压电能路由器为核心节点设备的变压分控层，以分支电能路由器为核心节点设备的接口扩展层；
变压电能路由器通过第一交流并网接口和第一直流并网接口分别连接至区域电能路由器形成的中压交流母线和中压直流母线上；分支电能路由器通过分支电能路由器接口连接至变压电能路由器；
互联集控层作为应用层的顶层，负责区域配电网***内部区域电能路由器的运行和能量管理，面向区域电能路由器的运行控制、能量调度与优化管理及用户服务，根据区域内用户能源请求制定发电计划，形成电力交易市场并处理交易信息，通过区域电能路由器与外部输配电网进行交互，负责区域能源互联配电网***与外部输配电网的能量交换以及隔离外部输配电网的故障，是区域配电网的关键枢纽，实现网内协调控制与自治管理，支持电能“自发自用、互济互供、电网补缺、余量外送”的运营模式。具体功能为：制定发电计划，购/售电交易，能量管理与优化，与外部主配电网互联，网内协调控制与自治管理，调度指令生产，用户接入服务，网络寻址与路由选择，传输优化，继电保护与故障隔离，电能质量治理功能。
变压分控层面向变压电能路由器，通过变压电能路由器实现交直流变换与变压功能，以形成按功能划分的低压交直流即插即用接口，具备能量管理与传输优化，购/售电交易，子网内协调控制与自治管理，网络寻址与路由选择，执行调度指令与电能配控，交直流变换与变压，分布自治，孤岛/并网，对即插即用接口的使用(包括即插即用接口的接入、退出以及调节)进行管控，继电保护与故障隔离，电能质量治理并向区域电能路由器提供监控、测量、保护等服务。
接口拓展层面向分支电能路由器，根据用户需求进行接口拓展，实现分布式发电、储能、柔性负荷设备以及家用交直流负荷的接入，具备能量管理与传输优化，购/售电交易，网络寻址与路由选择，分布自治，孤岛/并网，对即插即用接口的接入、退出、调节进行管控，继电保护与故障隔离，并向变压电能路由器提供监控、测量、保护等服务。
优选地，在本发明实施例中包含两台区域电能路由器、n(n≥2)台变压电能路由器、n(n≥2)台分支电能路由器以及分布式发电设备、柔性负荷、储能设备等，其中，多台变压电能路由器并联于区域电能路由器的交流10kV、±10kV直流母线上。
在一个可选的实施方式中，区域电能路由器作为区域能源互联配电网***的关口控制，通过中压专线或中压馈线分别接入外部输配电网(10kV AC)，双端供电，形成区域内中压交流母线(10kV AC)、中压直流母线(±10kV DC)，提高供电可靠性，形成中压交直流环网和功率双向可控，满足中压交、直流分布式发电、储能、负荷及其变压电能路由器的接入。
其中，区域电能路由器是区域能源互联配电网***的关键枢纽，为了保证区域能源互联配电网***的安全稳定运行，每个区域配置两个区域电能路由器。区域电能路由器可自不同的变电站10kV馈线或10kV馈线的分段母线接入不同区域的外部输配电网中。
在一个可选的实施方式中，如图2所示为区域电能路由器结构方案，其中，区域电能路由器包括中压整流级、中压逆变级以及第一能量缓存环节，具有外接外部输配电网的交流接口(10kV)，内接变压分控层的交流母线(10kV)和直流母线(±10kV)，其中，中压整流级采用级联结构，负责与外部输配电网的并离网连接和双向AC/DC变换，在区域能源互联配电网***内电能富余时，控制功率潮流流向外部输配电网，中压逆变级采用级联结构，与中压直流母线相连，提供工频交流线路(10KV)，第一能量缓存环节与中压直流母线(±10kV)相接。
在一个可选的实施方式中，变压电能路由器作为区域电能路由器的下级设备，与区域电能路由器的区别在于具有变压环节，可实现交直流电压等级变换。变压电能路由器的中压交流并网接口(10kV AC)、中压直流并网接口(±10kV DC)连接至区域电能路由器形成的中压交流母线和中压直流母线上，低压侧形成按功能划分的交流接口(380V AC、220VAC)、直流(400V DC)接口以满足类型多样的交直流设备高效接入。
在一个可选的实施方式中，如图3所示为变压电能路由器结构，其中，变压电能路由器包括中高压AC/DC整流级、DC/DC隔离级、低压DC/AC逆变级、低压DC/DC多端口直流变换环节以及第二能量缓存环节；
中高压AC/DC整流级采用级联结构，用于与区域电能路由器的交流线路的并离网连接和双向AC/DC变换，并经中压直流母线与变压电能路由器中的中压直流电气接口进行连接，提供高质量双向中压直流配电线路母线接口；
DC/DC隔离级采用串联输入并联输出的双主动桥拓扑，用于实现中高频隔离型双向DC/DC变换和电压变换；
低压DC/AC逆变级采用两电平结构，与DC/DC隔离级经低压直流链路相连，提供低压交流接口，即380V双向工频交流用电线路；
低压DC/DC多端口直流变换环节，用于提供按功能划分的低压(400V)交直流接口；
第二能量缓存环节，用于灵活应对和处理接口发电设备及负荷随机波动的能力，提高各端口的稳压稳频能力。
在一个可选的实施方式中，变压电能路由器具有与上层区域电能路由器连接的10kV交流并网接口、±10kV直流并网接口，变压电能路由器按功能划分形成低压交流(380VAC、220V AC)、直流(400V DC)接口，具体为：低压直流储能接口、分布式发电直流接口、电动汽车接口、直流负荷接口、分支电能路由器接口、直流通用接口、低压交流冷热电***接口、交流负荷接口以及交流通用接口等，满足低压交、直流分布式发电、储能、负荷及其分支电能路由器的接入，负责变压电能路由器内能量优化调度以及稳定运行控制。
在一个可选的实施方式中，如图4所示为分支电能路由器结构，其中，分支电能路由器包括第二交流并网接口(380V AC)、第二直流并网接口(400V DC)以及连接到变压电能路由器的分支电能路由器接口，按功能划分拓展出多个低压侧交流用电接口(380V AC、220V AC)和直流用电接口(48V-400V DC)，接入相应电压等级的屋顶光伏及小型风电等分布式发电、储能、家用电动汽车、微型冷热电三联供***、家用交直流负荷等。
在一个可选的实施方式中，区域电能路由器、变压电能路由器以及分支电能路由器的交直流接口集成了电气接口与有线通信接口，形成接口的电气标准、信息标准、保护标准的即插即用设计，具备设备快速感知、信息交互与监测以及故障隔离与恢复功能。
在一个可选的实施方式中，区域电能路由器、变压电能路由器以及分支电能路由器的内部具有物理层和应用层的双层结构，其中，物理层包括一次电力电子变换器、即插即用交直流接口和通信模块，应用层包括电能路由器内部的运行控制、能量优化管理、功率预测、电能质量控制、购电交易或售电交易、设备监测控制以及故障隔离与恢复。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电能路由技术的区域能源互联配电网***，其特征在于，包括：以区域电能路由器为核心节点设备的互联集控层，以变压电能路由器为核心节点设备的变压分控层，以分支电能路由器为核心节点设备的接口扩展层；
所述变压电能路由器通过第一交流并网接口和第一直流并网接口分别连接至所述区域电能路由器形成的中压交流母线和中压直流母线上；所述分支电能路由器通过分支电能路由器接口连接至所述变压电能路由器；
所述互联集控层，用于面向所述区域电能路由器的运行控制、能量调度与优化管理及用户服务，根据区域内用户能源请求制定发电计划，形成电力交易市场并处理交易信息，通过所述区域电能路由器与外部输配电网进行交互，负责所述区域能源互联配电网***与所述外部输配电网的能量交换以及隔离所述外部输配电网的故障；
所述变压分控层，用于通过所述变压电能路由器实现交直流变换与变压功能，以形成按功能划分的低压交直流即插即用接口，通过双向潮流控制，实施电能的供给和分配，实现分布自治与电能路由，对所述即插即用接口的使用进行管控；
所述接口拓展层，用于根据用户需求进行接口拓展，实现分布式发电、储能以及家用柔性负荷设备的接入。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述区域电能路由器作为所述区域能源互联配电网***的关口控制，通过中压专线或中压馈线分别接入所述外部输配电网，双端供电，形成区域内的中压交流母线环网和中压直流母线环网，提高供电可靠性。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述区域电能路由器包括中压整流级、中压逆变级以及第一能量缓存环节，具有外接所述外部输配电网的交流接口，内接所述变压分控层的交流接口和直流接口，其中，所述中压整流级采用级联结构，负责与所述外部输配电网的并离网连接和双向AC/DC变换，在所述区域能源互联配电网***内电能富余时，控制功率潮流流向所述外部输配电网，所述中压逆变级采用级联结构，与所述中压直流母线相连，提供工频交流线路，所述第一能量缓存环节与所述中压直流母线相接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的***，其特征在于，所述变压电能路由器作为所述区域电能路由器的下级设备，在所述变压电能路由器的低压侧形成按功能划分的交流接口和直流接口。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述变压电能路由器包括中高压AC/DC整流级、DC/DC隔离级、低压DC/AC逆变级、低压DC/DC多端口直流变换环节以及第二能量缓存环节；
所述中高压AC/DC整流级采用级联结构，用于与所述区域电能路由器的交流线路的并离网连接和双向AC/DC变换，并经所述中压直流母线与所述变压电能路由器中的中压直流电气接口进行连接，提供高质量双向中压直流配电线路母线接口；
所述DC/DC隔离级采用串联输入并联输出的双主动桥拓扑，用于实现中高频隔离型双向DC/DC变换和电压变换；
所述低压DC/AC逆变级采用两电平结构，与所述DC/DC隔离级经低压直流链路相连，提供低压交流接口；
所述低压DC/DC多端口直流变换环节，用于提供按功能划分的低压交直流接口；
所述第二能量缓存环节，用于灵活应对和处理接口发电设备及负荷随机波动的能力，提高各端口的稳压稳频能力。
6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述变压电能路由器的低压侧形成按功能划分的交流接口和直流接口包括：低压直流储能接口、分布式发电直流接口、电动汽车接口、直流负荷接口、分支电能路由器接口、直流通用接口、低压交流冷热电***接口、交流负荷接口以及交流通用接口，满足低压交、直流分布式发电、储能、负荷及其分支电能路由器的接入。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述分支电能路由器包括第二交流并网接口、第二直流并网接口以及连接到所述变压电能路由器的分支电能路由器接口，按功能划分拓展出多个低压侧交流用电接口和直流用电接口。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述区域电能路由器、所述变压电能路由器以及所述分支电能路由器的交直流接口集成了电气接口与有线通信接口，形成接口的电气标准、信息标准、保护标准的即插即用设计，具备设备快速感知、信息交互与监测以及故障隔离与恢复功能。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述区域电能路由器、所述变压电能路由器以及所述分支电能路由器的内部具有物理层和应用层的双层结构，其中，物理层包括一次电力电子变换器、即插即用交直流接口和通信模块，应用层包括电能路由器内部的运行控制、能量优化管理、功率预测、电能质量控制、购电交易或售电交易、设备监测控制以及故障隔离与恢复。
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