電能路由器研究現(xiàn)狀

在接入了分布式電源的配電系統(tǒng)中，不同的分布式電源、同一分布式電源在不同時(shí)刻具有多種不同供電能力和供電電能質(zhì)量;同時(shí)，負(fù)荷側(cè)電力用戶的各種負(fù)載對(duì)電源的供電能力及電能質(zhì)量的需求也不盡相同。如何實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的匹配運(yùn)行，建立一個(gè)電源與負(fù)載協(xié)調(diào)運(yùn)行的電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。電能路由器的概念及其能量管理方法，是為解決上述問題而提出的，電能路由器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的最優(yōu)化匹配運(yùn)行。

分布式可再生電源主要分布在配電網(wǎng)用戶附近，這不僅可以減少一次性能源的利用，而且可以減少了電能傳輸時(shí)的電力線上的電能損耗。電網(wǎng)控制形態(tài)的關(guān)鍵影響因素，并預(yù)測、規(guī)劃了未來電網(wǎng)的控制形態(tài)。分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，討論了分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和智能配電網(wǎng)中的所應(yīng)用的技術(shù)手段。

文獻(xiàn) 提出將電能路由器作為可再生分布式電源接入主動(dòng)配電網(wǎng)時(shí)的靈活接口，并利用多Agent技術(shù)作為主動(dòng)配電網(wǎng)中電能路由器管理能流的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各控制區(qū)域協(xié)調(diào)運(yùn)行。同時(shí)提出“Scaling Push-Relabel'’控制算法，為實(shí)現(xiàn)緩減用電高峰、降低運(yùn)行成本、最大化滿足用戶電力需求等控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[[15]提出了基于固態(tài)變壓器(Solid State Transformer，簡稱SST)的電能路由器在智能電網(wǎng)中以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理能流，研究解釋了電能路由器的整體結(jié)構(gòu)和通信系統(tǒng)。基于直流環(huán)網(wǎng)的電能路由器，首先對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了分析，搭建了硬件模型，進(jìn)而分析了電能路由器監(jiān)測、控制及保護(hù)系統(tǒng)。

文獻(xiàn) 認(rèn)為主動(dòng)配電網(wǎng)是自適應(yīng)的智能電力系統(tǒng)，提出了在主動(dòng)配電網(wǎng)中應(yīng)用靈活的主動(dòng)控制、保護(hù)系統(tǒng)及通信技術(shù)、傳感測量技術(shù)的必要性。在CIGREC6.11 上率先將“Active Distribution Networks'，譯為“主動(dòng)配電網(wǎng)”，并一致認(rèn)為在主動(dòng)配電網(wǎng)中，采用先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù)能夠以較低的費(fèi)用接入更多的DER（Distributed Energy Resource的簡稱，是對(duì)分布式電源、柔性負(fù)荷及儲(chǔ)能設(shè)備總稱），以實(shí)現(xiàn)這些DER的動(dòng)態(tài)控制。研究了主動(dòng)配電網(wǎng)及其特征，討論了主動(dòng)配電網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，主要有分層分布協(xié)調(diào)控制技術(shù)、綜合規(guī)劃技術(shù)、全局優(yōu)化能量管理技術(shù)等 。

文獻(xiàn) 提出了未來配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、未來電網(wǎng)中能量路由器選擇的核心器件一固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)和控制方法。該電能路由器適合分布式可再生電源、分布式存儲(chǔ)設(shè)備的即插即用，可以實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)化配置、電網(wǎng)的故障管理。Hui Li等學(xué)者根據(jù)目前固態(tài)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，中提出了一種含有自適應(yīng)傳感器的固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu);在文中提出了基本固態(tài)變壓器基于DSP和FPGA的控制算法的實(shí)現(xiàn) 。提出了電能Internet和電能路由器的概念，分析了電能路由器的結(jié)構(gòu)，并且模擬了分布式可再生電源、負(fù)荷、存儲(chǔ)設(shè)備的各種狀態(tài)，提出了基于直流母線的多轉(zhuǎn)化接口橋固態(tài)變壓器，并對(duì)其環(huán)路作了詳細(xì)的分析，通過分布式電源和存儲(chǔ)設(shè)備的模擬進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 。

首先將FREEDM（the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System的簡稱）概念引入國內(nèi)，并且分析了FREEDM中的核心設(shè)備一固態(tài)變壓器的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，進(jìn)而研究了適合我國電壓等級(jí)的三相SST模型，提出了基于SST的光伏發(fā)電的并網(wǎng)模式。

隨著可再生能源發(fā)電裝置、儲(chǔ)能設(shè)備及各種類型的電能負(fù)載的接入，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)備無法滿足供電形式多樣和能量多向流動(dòng)以及功率流的主動(dòng)調(diào)控等要求，無法適應(yīng)未來電力市場化的需要?；陔娏﹄娮幼儞Q技術(shù)構(gòu)成的電能路由器，小但可為小同的新能源發(fā)電裝置和小同類型負(fù)載提供靈活多樣化的接口電氣形式，還可實(shí)現(xiàn)能量的多向流動(dòng)能力和對(duì)功率流的主動(dòng)控制。與信息技術(shù)的融合使電能路由器擁有通訊和智能決策能力，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及用戶和控制中心的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)能量流的主動(dòng)管理 。

電能路由器作為配電網(wǎng)中分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷等的智能接口，應(yīng)該在保證電能質(zhì)量的前提下，靈活地管理區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部及整個(gè)配電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)電能。對(duì)電能路由器的基本要求主要有 :

1)接口的即插即用:電能路由器應(yīng)該面向各種不同知識(shí)層面的用戶，具備使用容易、方便的特點(diǎn)，這就要求電能路由器的接口應(yīng)該是即插即用的。即分布式能源插到電能路由器的接口后，電能路由器能夠快速檢測出分布式能源的類型，并做出相應(yīng)的響應(yīng);

2)接口的雙向性:由于分布式能源既可能作為電源向電網(wǎng)供給電能，又可能作為負(fù)荷從電網(wǎng)索取能量，這使得電能路由器的接口應(yīng)該具有雙向性的特點(diǎn)，即能夠傳輸雙向能量流;

3)實(shí)時(shí)通信技術(shù):電能路由器要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制還需要實(shí)時(shí)的通信，即主動(dòng)配電網(wǎng)中的Agent要能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)通信;

4)用戶電能消耗查詢技術(shù):電能路由器需要將用戶的能量消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并保存到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，正如實(shí)時(shí)查詢?cè)捹M(fèi)一樣，用戶可以通過Internet登錄官方網(wǎng)站或是發(fā)信息方便快捷地了解其的電能消耗情況，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上電費(fèi)充值等快捷服務(wù)。

電能路由器作為主動(dòng)配電網(wǎng)的電能接入裝置，其最基本的任務(wù)是管理接入電源和負(fù)荷、尋求最優(yōu)路徑。但電能路由器應(yīng)用在電網(wǎng)的不同位置將承擔(dān)不同的具體任務(wù)，下面將從用戶側(cè)和配電網(wǎng)側(cè)兩個(gè)不同層面說明電能路由器的應(yīng)用。

電能路由器在用戶側(cè)的應(yīng)用

當(dāng)電能路由器用于配電網(wǎng)末端時(shí)，直接與分布式能源DER相連，分布式能源主要有分布式電源、分布式儲(chǔ)能設(shè)備及負(fù)載。電能路由器作為用戶能源配置的核心裝置，每個(gè)分布式能源都與電能路由器通信，接收電能路由器的調(diào)度指令、向電能路由器發(fā)送請(qǐng)求指令。

電能路由器作為配電網(wǎng)中使用簡單的、即插即用的能源接入裝置，當(dāng)分布式能源接入電能路由器的接口時(shí)，電能路由器應(yīng)能夠檢測到分布式能源的插入，迅速監(jiān)測分布式能源的類型及用電參數(shù)，并給予相應(yīng)的回應(yīng)。當(dāng)與電能路由器連接的分布式能源需要某種服務(wù)(如在30度的室外環(huán)境下，空調(diào)負(fù)荷需要制冷除濕到18度)時(shí)，分布式能源與電能路由器通信，電能路由器的主控制器接收到負(fù)荷電能需求請(qǐng)求，通過邏輯判斷為其匹配合適的電源。當(dāng)分布式電源的工作狀態(tài)改變時(shí)，分布式能源與電能路由器通信，電能路由器更新分布式能源的狀態(tài)，改變端口輸出。當(dāng)分布式能源要中止服務(wù)時(shí)，將情況反饋給電能路由器，電能路由器通過控制開關(guān)陣列中止電能服務(wù)。當(dāng)用電設(shè)備與電能路由器斷開時(shí)，電能路由器檢測到斷開，并更新端口信息。

另外，考慮到實(shí)時(shí)電價(jià)，電能路由器可以根據(jù)電價(jià)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整用電負(fù)荷。如在居民區(qū)白天電價(jià)低，居民用戶的電能路由器可將有需求的可控電力設(shè)備接入配電網(wǎng);而在工業(yè)區(qū)的電價(jià)信息可能是白天較高，而晚上較低，電能路由器可以將實(shí)時(shí)性低的可控負(fù)荷安排到夜間。

電能路由器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

在配電網(wǎng)中，若電能路由器用于區(qū)域電網(wǎng)入口，不僅能夠采集區(qū)域電網(wǎng)的用電信息，而且還可以與配電網(wǎng)中其他電能路由器相互通信。不僅可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)分布式電能的有效利用，而且能夠使整個(gè)配電網(wǎng)達(dá)到能源的最優(yōu)化配置。 電能路由器在配電網(wǎng)中運(yùn)行在并網(wǎng)運(yùn)行模式下時(shí)，電能路由器將其所控制的區(qū)域(如微網(wǎng))連接到配電網(wǎng)干線上，區(qū)域電網(wǎng)通過電能路由器從電網(wǎng)索取電能或向電網(wǎng)提供電。作為能流調(diào)節(jié)器，電能路由器根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)對(duì)電能的需求情況進(jìn)行調(diào)度，在區(qū)域電網(wǎng)或大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，電能路由器運(yùn)行在孤島模式，與配電網(wǎng)隔離。此時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)中的當(dāng)?shù)刎?fù)荷需同分布式可再生電源及儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行，具體討論如下 :

在太陽充足時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為大量的電能，光伏發(fā)電的通信設(shè)備向電能路由器發(fā)送請(qǐng)求。電能路由器比較當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷及儲(chǔ)能設(shè)備與光伏發(fā)電量的情況，以確定從電網(wǎng)索取電能還是向電網(wǎng)供電。在太陽能不充足的傍晚，光伏發(fā)電系統(tǒng)幾乎不能產(chǎn)生電能，而負(fù)荷需求增加。光伏發(fā)電系統(tǒng)同電能路由器通信，電能路由器與光伏發(fā)電系統(tǒng)斷開。電能路由器與儲(chǔ)能設(shè)備通信，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)備為負(fù)荷供電，若有不足則切換至市電為電力負(fù)荷供電。到夜晚，風(fēng)電機(jī)組開始發(fā)電，風(fēng)電機(jī)組向電能路由器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，電能路由器確認(rèn)風(fēng)電機(jī)組開始發(fā)電，并將其接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)為本地負(fù)荷提供電能。若風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能較本地負(fù)荷有富余，則將富余部分通過電能路由器回饋給電網(wǎng);反之，如果不足，則不量由電網(wǎng)通過電能路由器向區(qū)域電網(wǎng)補(bǔ)充。到深夜，電力負(fù)荷用電量達(dá)到低谷，電能路由器開始為電動(dòng)車充電器等實(shí)時(shí)性要求不高的可控電力設(shè)備供電及區(qū)域電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備充電。

交流母線電能路由器

目前，交流電能仍是電能的主要利用形式，通過安裝交流母線管理分布式電源是一種順理成章的電能管理方法。分布式電源，尤其是可再生電源，在輸出功率、電壓水平、頻率質(zhì)量等方面呈現(xiàn)出很大的不穩(wěn)定性。如果這些分布式能源直接并網(wǎng)，將會(huì)對(duì)大電網(wǎng)造成不同程度的擾動(dòng)。與之相應(yīng)的，不同負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的需求也存在較大差異 。

交流電能路由器的提出是為了在分布式電源和負(fù)荷之間進(jìn)行電能最佳路徑的選擇，即在保證電力負(fù)荷對(duì)電能需求的情況下，最大化分布式電源的利用。交流電能路由器可以采用電能分組分配、電能質(zhì)量感知、智能開關(guān)插座等方法實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷之間的最優(yōu)匹配。

直流母線電能路由器

與交流母線相比，直流母線有以下優(yōu)勢(shì)[[33]

1)直流母線無需同步，可以連接頻率、電壓不同的交流系統(tǒng);

2)直流母線的“定電流控制”能夠快速地把短路電流限制在額定電流值，因而可以限制交流系統(tǒng)的短路電流;

3)直流母線可以方便快速地控制直流輸電輸送的有功功率和換流器吸收的無功功率，從而可以改善交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能;

4)各分布式電源與直流母線間僅存在一級(jí)電壓變換裝置，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本。

由于直流母線的這些優(yōu)勢(shì)，采用直流母線控制分布式可再生能源接入電網(wǎng)，并對(duì)其進(jìn)行有效的管理就成為一種比較理想的選擇。直流母線可分為環(huán)狀直流母線和輻射狀直流母線，用于滿足各類負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的不同需求環(huán)狀直流母線

作為交流母線的補(bǔ)充，環(huán)狀直流母線的應(yīng)用拓?fù)?。環(huán)狀直流母線為可再生電能(主要是光伏和風(fēng)電)、儲(chǔ)能裝置、直流負(fù)荷提供靈活的交互平臺(tái)。環(huán)狀直流母線和大電網(wǎng)之間通過雙向交直流變換器進(jìn)行雙向能源交互，環(huán)狀直流母線的電壓通過整流器調(diào)節(jié)，使其維持在穩(wěn)定值。這種應(yīng)用拓?fù)渑c傳統(tǒng)的電網(wǎng)有較好的兼容性，僅在傳統(tǒng)電網(wǎng)末端進(jìn)行了改進(jìn)，增加了環(huán)狀直流母線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加靈活。對(duì)于直流負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)備等，該系統(tǒng)通過直流母線減少了低效的逆變環(huán)節(jié)，提高了整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行效率，降低了系統(tǒng)的成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入改善了環(huán)狀直流母線上間歇性明顯的分布式電源的供電電能質(zhì)量。

2)輻射狀直流母線

輻射狀直流母線可以為用戶提供高質(zhì)量的電能，但是不能保證供電可靠性[35]。負(fù)荷經(jīng)過換流器連接至直流母線，無需經(jīng)過變壓器即可獲得所需電壓等級(jí)。另外，當(dāng)電能路由器負(fù)荷側(cè)的某一負(fù)荷出現(xiàn)過負(fù)荷時(shí)，并聯(lián)換流器間的相互調(diào)節(jié)功能可降低系統(tǒng)的過負(fù)荷振蕩。

混合交直流母線電能路由器

混合交一直流母線，是為避免分布式電源和負(fù)荷接入交流母線或直流母線時(shí)所需的多次換流而提出的，混合交直流母線電能路由器的應(yīng)用。

電能路由器有電源和負(fù)荷兩類接口，其中電源接口包括一個(gè)市電專用接口、一個(gè)分布式非可再生電源接口和普通分布式可再生電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)接口。母線包括一條直流母線和兩條交流母線，直流母線和交流母線且合稱為分布式電源母線，通過交、直流變換器相連，連接分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備等。開關(guān)陣列包括一個(gè)單向并網(wǎng)開關(guān)和若干雙向負(fù)荷開關(guān)，并網(wǎng)開關(guān)用于選擇電能路由器的工作模式，負(fù)荷開關(guān)用于選擇負(fù)荷的供電來源。另外電能路由器還包括檢測模塊、通信模塊、控制單元。

直流母線的設(shè)置無需單獨(dú)對(duì)分布式電源進(jìn)行同步控制，電能路由器運(yùn)行在非并網(wǎng)狀態(tài)下，只需控制直流母線變換器和非可再生電源同步，簡化了分布式可再生電源的管理;同時(shí)分布式電源經(jīng)過一級(jí)變換就并入直流母線，提高了分布式電源的電能利用率。

開關(guān)陣列對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行分類管理，一方面保證了重要負(fù)荷的供電電能質(zhì)量;另一方面也更靈活地利用了分布式電源間歇性、供電電能質(zhì)量差等特點(diǎn)。

通常情況下，微電網(wǎng)有孤島運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。與微電網(wǎng)不同的是，電能路由器需要考慮內(nèi)部的分布式電源母線(將直流母線和交流母線且合稱為分布式電源母線)、交流母線工和區(qū)域電網(wǎng)(或配電網(wǎng))的運(yùn)行狀態(tài)，除了孤島模式、并網(wǎng)模式外，還有并行運(yùn)行模式。下面結(jié)合本文所提出的電能路由器的應(yīng)用拓?fù)鋵?duì)電能路由器的三種運(yùn)行模式進(jìn)行分析。

電能路由器孤島模式

分布式電源母線為交直流負(fù)荷供電，交流母線工閑置，且并網(wǎng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，電能路由器工作于孤島模式。電能路由器工作在孤島模式時(shí)，所有的分布式電源、交直流負(fù)荷與儲(chǔ)能設(shè)備三者的電能供需處于平衡狀態(tài)。具體情況有以下兩種:

在與分布式電源母線相連的分布式電源足以維持當(dāng)?shù)亟恢绷髫?fù)荷正常運(yùn)行，且在市電電網(wǎng)處于用電低谷時(shí)，分布式電源母線將富余的電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中，分布式電源母線和區(qū)域電網(wǎng)(或配電網(wǎng))之間沒有電能傳輸;

在各分布式電源自身不足以維持當(dāng)?shù)亟恢绷髫?fù)荷運(yùn)行，且在大電網(wǎng)處于電高峰時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電源放電，分布式電源母線側(cè)的分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)完全可以供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷。

電能路由器并行模式

電能路由器的并行運(yùn)行模式定義為，在分布式電源母線為交直流負(fù)荷供電的同時(shí)，交流母線工為部分甚至全部交流母線側(cè)負(fù)荷供電，但并網(wǎng)開關(guān)處于斷開情況下的運(yùn)行狀態(tài)。分布式電源母線側(cè)的各分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備，優(yōu)先滿足直流母線側(cè)負(fù)荷，在可以滿足直流負(fù)荷，而不足以完全滿足交流負(fù)荷對(duì)電量或電能質(zhì)量需求的情況下，部分交流側(cè)負(fù)荷所需的電能直接由交流母線工供給 。

電能路由器并網(wǎng)模式

電能路由器運(yùn)行在并網(wǎng)模式分以下兩種:

在分布式電源母線足以維持當(dāng)?shù)刎?fù)荷對(duì)電能的需求，電能仍有剩余，電能路由器將富余的電能通過并網(wǎng)開關(guān)，供給大電網(wǎng);

在大電網(wǎng)處于用電低谷且各分布式電源發(fā)電量較小時(shí)，市電電網(wǎng)通過交流母線工為交流側(cè)負(fù)荷供電，直流母線側(cè)直流負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備電能的差額通過并網(wǎng)開關(guān)由市電電網(wǎng)供應(yīng)。

電能路由器的控制方法是電能路由器實(shí)現(xiàn)其功能中最核心的部分之一。為優(yōu)化電能配置、充分地利用可再生電能，電能路由器需要對(duì)內(nèi)部及其附屬的交直流變換器、開關(guān)陣列等進(jìn)行有效地控制 。

變換器的控制

就是內(nèi)部的直流母線的利用簡化了各分布式電源及儲(chǔ)能設(shè)備的管理。在電能路由器中，無需對(duì)每個(gè)分布式電源進(jìn)行管理，而只需控制交直流母線間的AC/DC變換器及小型柴油發(fā)電機(jī)。

對(duì)每個(gè)分布式電源變換器的控制有PQ控制、V/f控制、下垂控制(也稱為Troop控制)三種。PQ控制是通過控制逆變器實(shí)現(xiàn)的，使分布式電源的輸出有功功率、無功功率保持在預(yù)設(shè)定的值。PQ控制適合輸出功率隨機(jī)性較大的分布式電源，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能源的最大功率輸出。V/f控制適合功率可調(diào)電源，在處于孤島運(yùn)行模式下，負(fù)荷變化時(shí)，采用V/f控制的分布式電源的輸出電壓、頻率在可調(diào)范圍內(nèi)變化，確保其他分布式電源的和負(fù)荷的正常運(yùn)行。下垂控制是讓逆變器的輸出模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率、端電壓與所輸出的有功功率、無功功率之間的下垂特性。

開關(guān)陣列的控制

目前，多分布式電源的控制方法主要有主從控制、對(duì)等控制及分層控制三種。

1}主從控制

主從控制，是指在并網(wǎng)模式下，所有的分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備均采用PQ控制模式;而在孤島模式下，一個(gè)分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)作為主控制單元，采用V/f控制，而其他分布式電源作為從控制單元，仍采用PQ控制。主控單元的V/f控制主要體現(xiàn)在兩種情形下，一是電能路由器在并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島、并行運(yùn)行模式間切換的時(shí)候，二是電能路由器運(yùn)行在孤島模式、并行模式下，負(fù)荷變化的時(shí)候。電能路由器由并網(wǎng)運(yùn)行向孤島運(yùn)行、并行運(yùn)行切換時(shí)，主控單元由PQ運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)閂/f運(yùn)行模式。在電能路由器運(yùn)行在孤島模式、并行模式下時(shí)，作為主控制單元的分布式電源采用V/f控制，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，主控單元調(diào)節(jié)其輸出端的電壓幅值和頻率，保證電能路由器內(nèi)部有功和無功功率平衡，使電能路由器運(yùn)行在新的穩(wěn)定狀態(tài)。

2)對(duì)等控制

對(duì)等控制，是指電能路由器所連接的分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備處于同等地位，每個(gè)分布式電源根據(jù)接入系統(tǒng)的點(diǎn)電壓和頻率信息進(jìn)行就地控制。根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和系統(tǒng)頻率、無功功率、端電壓的關(guān)聯(lián)性，調(diào)節(jié)各分布式電源的電壓和頻率以適應(yīng)負(fù)荷對(duì)電能有功和無功功率需求的變化。

在負(fù)荷變化時(shí)，每個(gè)分布式電源通過調(diào)節(jié)各自輸出端的電壓幅值和頻率，電能路由器內(nèi)部達(dá)到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。因而，采用對(duì)等控制，負(fù)荷變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓幅值和頻率也會(huì)有所變化，是一種有差控制。

3)分層控制

分層控制，是將各分布式電源及儲(chǔ)能設(shè)備分層次進(jìn)行控制，下層為上層提供參數(shù)信息并接收上層的控制信號(hào)。在分層控制中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要有堅(jiān)強(qiáng)的通信線路。

結(jié)合電能路由器混合交直流母線的應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電能路由器宜選擇主從控制模式。主控制單元一般選擇儲(chǔ)能裝置、容量較大的分布式電源，或儲(chǔ)能設(shè)備和容量較大的分布式電源共同作為主控制單元。儲(chǔ)能裝置充放電速度快，易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式間的切換，但其存儲(chǔ)容量有限，不可能長期處于充電或放電狀態(tài)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主控單元，電能路由器不可能長時(shí)間運(yùn)行在孤島模式或并行模式。容量較大的分布式電源作為主控單元，電能路由器可以長時(shí)間運(yùn)行在孤島模式或并行模式，但是運(yùn)行模式間的切換速度慢，容易引起系統(tǒng)電壓、頻率的大幅波動(dòng)。分布式電源和儲(chǔ)能裝置共同作為主控制單元的控制模式，充分地利用了儲(chǔ)能裝置充放電響應(yīng)速度快及分布式電源可以長時(shí)間運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。

在電能路由器運(yùn)行在孤島模式及并行模式下，可以將直流母線視為儲(chǔ)能系統(tǒng)，直流母線作為主從控制模式的主控單元。儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)分布式電源的總輸出功率和負(fù)荷運(yùn)行功率之差進(jìn)行充放電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。這樣，電能路由器不僅具有較快的響應(yīng)速度，而且可以長時(shí)間運(yùn)行在非并網(wǎng)模式。

不同負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的需求不同，按照負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量需求的不同，將負(fù)荷分為重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷。隨著科技的進(jìn)步，重要負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的需求不斷增加，供電電壓不穩(wěn)定或頻繁啟停會(huì)產(chǎn)生次品，甚至造成更大的生產(chǎn)事故。而一些非重要負(fù)荷，沒有必要使用滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的電能。根據(jù)非重要負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量不同方面的要求，可將非重要負(fù)荷大體分為三類 : 1)對(duì)電壓穩(wěn)定性需求不高，如照明等電壓波動(dòng)對(duì)其達(dá)到目的不會(huì)造成太大影響;2)對(duì)供電連續(xù)性沒有過高要求，如空調(diào)、熱水器等短時(shí)間斷性供電不會(huì)影響用戶舒適度;3)對(duì)供電實(shí)時(shí)性要求不高，如電動(dòng)車充電器等，可將其供電時(shí)間調(diào)整到用電低谷，以起到削峰填谷的作用。

開關(guān)陣列對(duì)負(fù)荷和分布式電源的進(jìn)行匹配控制，需要采集負(fù)荷和分布式電源的用電參數(shù)，本文選用電優(yōu)先級(jí)、電容量、電能質(zhì)量及各電源電價(jià)作為負(fù)荷的用電參數(shù)。

電能路由器主要由采集輸入、邏輯控制、數(shù)據(jù)顯示、輸出執(zhí)行等四部分模塊組成 。

其中，采集輸入部分主要用于用電設(shè)備的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等點(diǎn)參數(shù)的采集，為控制部分提供原始數(shù)據(jù)。邏輯控制部分通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析，將邏輯判斷結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)顯示部分和輸出執(zhí)行部分。數(shù)據(jù)顯示部分的作用主要是使測試更直觀，便于我們監(jiān)測分析數(shù)據(jù)。輸出執(zhí)行部分控制繼電器，合理改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以增加可再生能源的有效利用、最優(yōu)化潮流分布，減少線路損耗。

電能路由器所需要技術(shù)很多，未來的發(fā)展方向主要有 :

1)針對(duì)主干電能路由器，大功率、高電壓電力電子變換器仍然是主要難題。已有的文獻(xiàn)給出了一些解決方案，不過仍然不夠成熟?？煽啃?、效率和成本是衡量其能否投入實(shí)際工程的主要指標(biāo)。不過相信隨著新型高壓大電流電力電子器件的商業(yè)化，主干電能路由器將在不遠(yuǎn)的將來得以實(shí)現(xiàn)。

2)由于中小型電能路由器距離用電消費(fèi)者更近，其體積和成本是更為重要的因素。相比主干電能路由器，中小型電能路由器的接口多樣性要求更高，所需的電能形式更豐富，提高內(nèi)部變換器和元件的利用率是提升功率密度的關(guān)鍵。

3)電力電子變換器的模型與傳統(tǒng)同步機(jī)有很大區(qū)別，對(duì)于以電能路由器為節(jié)點(diǎn)的未來電力網(wǎng)絡(luò)，其穩(wěn)定性問題基本無法沿用之前的同步機(jī)理論。因此面對(duì)電網(wǎng)中眾多靈活復(fù)雜的分布式源和用電設(shè)備，其穩(wěn)定性問題的解決極具挑戰(zhàn)，函需更有效的分析、建模和仿真方法。

4)針對(duì)不同級(jí)別的電能路由器應(yīng)選擇不同的通信方式，如何將通信功能與功率部分集成在一起，并使信息傳遞與功率處理在不同工況下均協(xié)調(diào)工作是實(shí)際運(yùn)行的關(guān)鍵。另外，類似于信息互聯(lián)網(wǎng)，未來的電力互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，需要快速、可靠的路由算法來實(shí)現(xiàn)源與負(fù)載的快速連接。

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展的方向，電能路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心。針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的低壓配點(diǎn)終端環(huán)節(jié)，提出一種多端口的自組織電能路由器結(jié)構(gòu)，包括變流器組和開關(guān)陣列。在多電能路由器組成的能源局域網(wǎng)環(huán)境下，系統(tǒng)能夠根據(jù)能量路由算法對(duì)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電能傳輸形式和傳輸路徑進(jìn)行協(xié)同重構(gòu)。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究自組織電能路由器的幾個(gè)關(guān)鍵問題：（1）自組織電能路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）多電能路由器互聯(lián)環(huán)境下的能量路由算法設(shè)計(jì)；（3）實(shí)用化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，如即插即用技術(shù)、設(shè)備自動(dòng)識(shí)別等。項(xiàng)目將對(duì)這幾個(gè)問題進(jìn)行理論分析和仿真研究，最后通過搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。基于自組織電能路由器的能量局域網(wǎng)通過擴(kuò)展，有望成為未來能量互聯(lián)網(wǎng)的一部分。本項(xiàng)目希望能為未來能量互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

采用眾核CPU作為報(bào)文處理引擎（PacketProcessor）的路由器，稱為眾核路由器。

電能互聯(lián)網(wǎng)是未來電能傳輸?shù)内厔?shì)，本項(xiàng)目針對(duì)社區(qū)電能局域網(wǎng)，研究電能路由器的電路結(jié)構(gòu)、電能路由算法、通信方式和控制方法。本項(xiàng)目將電力電子與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相融合，研究包括：1）研究電能局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、電能轉(zhuǎn)發(fā)模式和電能路由算法，提出了一種基于圖論的電能路由設(shè)計(jì)方法，該算法采用Dijkstra最短路徑算法，以電能傳輸“代價(jià)”最小為目標(biāo)，尋求最優(yōu)化的電能管理和調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)社區(qū)級(jí)路由器之間靈活、高效、自主的電能交換和管理。2）研究功率變換與信息傳輸一體化技術(shù)，包括變換器的信息調(diào)制技術(shù)、能量與信息一體化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、能量與信息同傳系統(tǒng)的信道特性與信噪比分析等。建立了變換器能量與信息復(fù)合調(diào)制的基本理論和分析方法，提出功率/數(shù)據(jù)單載波調(diào)制和功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制這兩種基本方式，闡述了其基本原理并在實(shí)際變換器電路中實(shí)現(xiàn)。提出在電能局域網(wǎng)中采用能量與信息一體化傳輸技術(shù)，以提高變換器設(shè)備之間通信的便捷性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。3）研究電能路由器的電路設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，包括電能路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，以及網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下的在線調(diào)試和診斷技術(shù)，用于在多變換器環(huán)境下實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線優(yōu)化和故障診斷。設(shè)計(jì)了一個(gè)電能路由器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和裝置，驗(yàn)證了電能路由器的工作過程，包括能量與信息一體化傳輸機(jī)制。 2100433B