新型电力系统核心枢纽：解析开放式集控型多端口电能变换路由器系统的技术意义与架构

设备清单表

序号

设备名称

1

模拟光伏发电系统

光伏PV阵列模拟源

2

光伏阵列模拟测试系统

3

储能系统

高精度双向储能电池模拟器

4

模拟负载系统

可编程回馈式直流电子负载

5

可编程耗能式交流RLC负载

6

配电系统

交/直流配电柜

8

多端口能源路由器

多端口“源-网-荷”能源路由器

9

“源-网-荷”能源互联能量管理快速开发系统

01

能量路由器意义

随着储能、柔性负荷以及电动汽车等新型直流负荷的加入，终端用户也将参与配电潮流调节中去这对电网能量管理要求会越来越高，单向的潮流、辐射型架构配电网已经无法满足终端源-荷的双向主动潮流需求。

电力系统正进入“源-网-荷-储” 协调优化运行的新阶段，从传统的发输配模式演化为电能自治单元对等互联的新体系。正是在这种背景催生下，基于电力电子技术的“电能路由器”(Electric Energy Router)概念应运而生，电能路由器便于实现智能调度和需求侧响应，从而实现多源互补，提升电网与用户的互动，提升电网的运营水平和用户的用电体验。

电能路由器（亦称为 能量路由器）是一个整合了通信单元、控制单元和功率单元的装置。从电力电子的角度来看，电能路由器表现为多端口、多级联、多流向的电力电子变换器，由全控型电力电子开关器件和高频变压器构成，其应该具备如下基本的功能：

1）电压变换、电气隔离

2）能量路由（能量流向控制）

3）分布式能源、储能装置即插即用

02

基于多端口变换器的能量路由器构架

下图是典型的多端口能量路由器的工业应用， 控制分布式能源、储能出力，协调与电网/负荷间能量转换、灵活控制的核心部件，实现配电系统中源-储-网-荷的能量交换。

多端口能量路由器拓扑

南京研旭公司推出了低压多端口能量路由器，多端口交直流柔性变换器具备N个交流端口（可选），N个直流端口（可选）。每个端口均可接入相应电压等级的有源或无源设备，任意端口间可以实现功率潮流的控制。

南京研旭创新性的采用了单独的统一控制器，摒弃了传统的多分布式控制器通讯控制的方式，将所有变流器的控制由统一控制器完成控制，保证了系统严格意义上的实时性和即插即用功能。

配置液晶显示界面，可以实现就地人机交互。本变换器主要应用于微电网、低压主动配电网及交直流混合低压配电网的科研、小型示范等场合。

03

能量路由器的典型应用

能量路由器作为主动配电网的电能接入装置，其最基本的任务是管理接入电源和负荷、寻求最优路径。但能量路由器应用在电网的不同位置将承担不同的具体任务。

能量路由器在用户侧的应用

当能量路由器用于配电网末端时，直接与分布式能源DER相连，分布式能源主要有分布式电源、分布式储能设备及负载。

能量路由器作为配电网中使用简单的、即插即用的能源接入装置，当分布式能源接入能量路由器的接口时，能量路由器应能够检测到分布式能源的插入，迅速监测分布式能源的类型及用电参数，并给予相应的回应。考虑到实时电价，能量路由器可以根据电价信息动态调整用电负荷。如在居民区白天电价低，居民用户的能量路由器可将有需求的可控电力设备接入配电网;而在工业区的电价信息可能是白天较高，而晚上较低，能量路由器可以将实时性低的可控负荷安排到夜间。

能量路由器在配电网中的应用

在配电网中，若能量路由器用于区域电网入口，不仅能够采集区域电网的用电信息，而且还可以与配电网中其他能量路由器相互通信。不仅可以实现区域网内分布式电能的有效利用，而且能够使整个配电网达到能源的最优化配置。能量路由器在配电网中运行在并网运行模式下时，能量路由器将其所控制的区域(如微网)连接到配电网干线上，区域电网通过能量路由器从电网索取电能或向电网提供电。作为能流调节器，能量路由器根据区域电网对电能的需求情况进行调度，在区域电网或大电网出现故障时，能量路由器运行在孤岛模式，与配电网隔离。此时，区域电网中的当地负荷需同分布式可再生电源及储能设备协调运行。

04

能量路由器策略调度

1、能量路由器策略调度以直流母线电压为主信号，以蓄电池 SOC 为辅助信号，控制中央管理层综合各信息进行模式判断，并在模式变化时将控制指令下发给底层控制层，通过底层控制层来实现对各功能单元变换器的调节，最终实现母线电压稳定、系统功率平衡。

2、并网状态下：根据各个端口所需能量进行调配，当系统自发能量不足时可从主电网进行能量传输。孤岛状态下：主要是针对主电网脱落时的孤岛运行情形，多端口能量路由器需要孤岛运行，支撑整个主电网。

3、能量路由器设备在每个子微网中都是充当了分布式电源（发电）或者负载（耗电）的作用。针对每个子网需要判断其能量流动方向以及大小，整体系统的控制，主要交由上位机能源调度系统来完成。

4、电网模式：电网端口AC/DC作为直流电压源，磷酸铁锂电池功率源调节电网端功率，供电优先顺序：光伏>电池>电网；

5、双电源间功率互济：交流变流器稳定直流母线，算法自动或人机界面手动给定双电源两交流母线功率目标值进行能量的双向交换；

6、独立模式（电网停电时供电）：定义为电网断电后电能路由器仅向其直流母线稳压的交/直流负载供电（电网端口无输出）的模式，电能路由器停机后维护人员检查确认满足独立模式运行条件，并完成准备工作后，手动重启独立模式；磷酸铁锂电池作为电压源，供电优先顺序：光伏>电池，光伏多余电能供电池充电；

7、光伏发电：持续最大功率输出为目标，优先向负载供电，多余给储能存储，储能充满后向电网回馈电能；

8、储能充放：以电池充放电配合潮流控制为目标，可设置配合光伏全部自用为目标的充放电，经济性最优模式充放电，离网稳压供电充放电等多种目标；

9、与上层（能量/能耗）管理系统交互：支持以太网RJ45（默认）/RS485通讯端口，ModbusRTU /ModbusTCP标准协议，上传数据内容：含各变流器端口交流电压、交流电流、端口功率、直流电压、直流电流、直流功率及累计发电量；接受控制内容：电网端口变流器有功功率、无功功率、功率方向；

10、电能路由控制器支持模式切换，模式需预先设定好；

11、同时具备DSP编程和RCP模型控制（Simulink快速原型开发）两种模式，两种模式可应用于不同的开发阶段和实验场景，优势互补，功能互相验证。

12、DSP模式下，可通过C代码编程方式实现各端口变流模块的电能变换、故障保护、UI交互以及模式策略的变更等，熟悉掌握工业控制的开发流程。

13、RCP模式下，可通过Simiulink模型配合上位机View6000实时控制系统完成各端口模块的控制功能，图形化的控制方式更容易上手，实时交互调试模式使核心算法的调试更为有效便捷。

05

能量路由器监控软件平台

1、监测与显示功能：上位机平台通过通讯口（以太网、RS485）与能量路由器进行信息交互，能显示能量路由器的端口电压、功率、负荷等多种信息；

2、控制功能：通过上位机平台能对能量路由器发布指令，如并网功率因数控制、各端口的功率控制，光伏发电MPPT控制与给定功率控制；

3、上位机平台接受路由器上传数据及电网信息，正常运行方式下不干预路由器运行；异常情况下，综合处理各项信息后，可统一发布指令至各路由器；

4、能量路由管理：高峰时段，蓄电池进行放电控制，光伏进行MPPT控制；低谷时段，市电供给负载，储能电池进行充电控制。一般情况下，由底层能量路由器自行进行控制，高峰时段、低谷时段则由平台进行设置；

研旭多端口能量路由器监控界面

研旭多端口能量路由器模型控制界面

06

案例展示