4.曹军威-能源路由器在综合能源系统中的应用.pdf
清华大学信息技术研究院北京智中能源互联网研究院曹军威2019.4.24能源路由器在综合能源系统中的应用清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会曹军威|2能源互联网能量路由器提纲关键技术示范工程背景清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会我国面临能源革命3我国能源资源相对缺乏我国已成为世界第一能源消费国如继续以年平均8.9%的增速，到2020年能源消耗将达到79亿吨标煤，占目前世界能源消耗的一半。如此发展难以长期持续！习近平2014年6月13日主持召开中央财经领导小组第六次会议，研究我国能源安全战略。习近平发表重要讲话强调，能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，保障国家能源安全，必须推动能源生产和消费革命。推动能源生产和消费革命是长期战略，必须从当前做起，加快实施重点任务和重大举措。曹军威|清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会？1960197020002011专用电子网计算机局网DARPA-Net:IP 体系结构 TCP 协议19801990全球通用互联网（Internet)互联网应用（Web等）分布式能源/可再生能源/储能能源微网与区域综合能源系统全球能源互联网能源互联网应用能源互联网2015能源互联网的发展:曹军威|4清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会2017.6能源互联网发展成为主流趋势曹军威|5国家能源局公布首批55个“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目。国家电网公司提出综合能源服务、客户为中心等，并提出建设世界一流能源互联网企业的发展目标。2017.12当今能源互联网示范工程进入落地实施阶段，关键技术的应用（如储能等）前景开始显现，区域综合能源服务兴起。信息能源基础设施一体化直流交流数据中心传感器传感器变电站数据中心云平台能源路由器清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会曹军威|7FREEDM期望借助于功率电子技术的发展成熟解决小型分布式可再生能源的接入空置问题。“软性”可再生能源接入美国FREEDM-Energy Internet清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会美国FREEDM-Energy Router固态变压器控制信号决策生成单元电压频率远程控制管理中心控制器分布式管理系统保护控制SSTSST控控制器制器能源路由器 链路/物理传输/网络能源控制能源传输线路通信线路链路/物理传输/网络能源控制信信息息交交换换模模块块能源控制模块PLCPLCEthernetEthernetE E-router router 1 1E E-router router 2 2能源路由器装置用层次角度看能源路由器曹军威|8Imagine a device that automatically detects demand forpower and delivers processed electricity in the required form(AC or DC)at the correct voltage and frequency.Energyrouters,analogous to the familiar data and communicationsrouters,could improve reliability,efficiency,and safety atevery level of the electrical power system.From http:/www.ece.vt.edu/news/ar07/highpower.html清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会日本数字电网联盟推进电力路由器曹军威|9电力路由器使现有的电网接入互联网，通过相当于互联网上地址的“IP地址”进行电源或者发电站、所的识别，由此进行诸如“区域A的风力发电向区域B的电力路由器传输”等控制。发生灾害时，如果来自电力系统的电力供给中断，电力路由器之间通过流通蓄电池储备的电力，就能防止区域停电。服务的提供是由相当于互联网接入服务提供商的电力版“能源服务提供商”来负责。数字电网电力路由器清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会国家电网公司提出三站合一的建设思路曹军威|10通过将能源、业务、数据等各类资源进行整合规划，新建变电站满足用户用能需求，物理上与大数据中心相邻，能源站提供高品质能源，储能站提供电网辅助服务及备用电源，数据站提供数据服务，打造“三站合一”枢纽站，提升国网公司构建能源流、业务流、数据流“三流合一”能源互联网的能力。清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会曹军威|11电力电子技术发展电力系统的电力电子化：“补丁”式-集成化清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会借鉴网络路由器设计能量路由器通信网络接口能源网络接口智能处理：数据中心控制：电力电子缓存：储能信息能源业务应用接口曹军威|12清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源路由、底层通讯和上层应用管理的紧密结合，实现能源流的双向对等有效传输。应用层传输层物理层能源路由器关键技术能源路由器分层架构电力调度策略管理评估系统、历史数据库电能质量调节Wifi/Ad Hoc,Ethernet,SDN/CCN电力电子控制、固态变压器电能流动、存储计算机、通讯设备、数据中心电力接口、通讯接口、传输介质负荷、分布式能源、储能电池能源（电力）切换能源（电力）路由开关路由电能质量调节波形变化大数据应用数据中心曹军威|13能量路由器方案设计清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会BATTERIESSST电网发电AC/DC DC/DC DC/AC电网输入风电输入光伏输入微网输入通讯接口A通讯接口B电网输出微网输出负载输出电力电子控制DATABASE电缆组防火墙路由器网络通讯风力发电光伏发电微网路由输入用户路由输出电网并网输出电力保障WANLAN多个服务器数据、网络通信控制本地用电通讯、传输、接口及相关协议的标准化是能源路由器发展的关键环节，有很多具体工作有待完成。能量路由器输入输出曹军威|14清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会交流母线 vs.直流母线15AC BUSDC/ACAC/DC风电DC/ACAC/DC市电交流负荷DC/ACDC/DC光伏DC/ACDC/DC储能DC/ACDC/DC直流负荷DC BUSAC/DC风电AC/DC市电交流负荷DC/DC光伏DC/DC储能DC/DC直流负荷DC/AC曹军威|清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会总线型（直流微网）vs.星型（能量路由器）16交流负载交流负载DCDCACAC直流负载直流负载DCDCDCDC风力发电风力发电机机交流系统交流系统1 1200200V VM旋转电机旋转电机DCDCACAC非线性负载非线性负载线性负载线性负载DCDCDCDC直流变直流变压器压器DCDCACAC交流系统交流系统2 2ACACDCDC线性负载线性负载线路线路光伏电池组光伏电池组DCDCDCDC500500V V500500V VDCDCACAC储能设备储能设备DCDCDCDCDCDCDCDC线性负载线性负载DCDCDCDC功率放大器功率放大器RTRT-LABLAB试验接口试验接口线路线路线路FACTSFACTS设备设备试验接口试验接口未来新开发设备未来新开发设备试验接口试验接口测试用流断路器接口线路线路ACACDCDC曹军威|储能380V接口直流接口1直流接口2电网能源路由器NN380V接口N DC/DCAC/DCDC/DCDC/ACDC/ACDC/DCM永磁同步发电机M异步电动机变频器380V永磁同步发电机模拟装置电阻负载光伏阵列 负荷380V接口NAC/DC直流接口N单点集中、易于维护多点互联、薄弱点分散清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会 交流输出端口交流输入端口直流输入端口直流/单相交流输出端口滤波器控制程序直直变换输出端口PWMPWM调制调制交流变直流交流变直流斩波斩波（PWMPWM）+低通滤低通滤波波直流变交流直流变交流输出输出斩波斩波（PWMPWM）直流变直流直流变直流PWMPWM调制调制+低通低通滤波滤波交流变交流交流变交流直通直通功能选择功能选择输入输入通用功率模块设计曹军威|17清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源网络侧设备接入能源消费设备接入能源模块连接线路通信模块连接线路能源模块连接线路通信模块连接线路远程控制开关插头CP脉冲触发按钮插头能源供应开关能源互联网用户设备即插即用能源互联网能源互联网能量路由器能量路由器能源端口能源端口连接线路连接线路通信端口通信端口连接线路连接线路远程控远程控制开关制开关接口接口能源用户设备接入能源用户设备接入端口即插即用即插即用设计曹军威|18清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会软件定义设计19曹军威|清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源路由器层次化架构骨干能源路由器区域能源路由器曹军威|20清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会区域能源路由器曹军威|21清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会曹军威|骨干能源路由器22123567CoolingTransformersCon/invertersSwitchesStorageControllerPC cluster123456742Converters/InvertersEnergy storages4Transformers清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源路由器中控局域内网Internet控制器PLC工控机能源路由器智能监控系统设计曹军威|23清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源互联网大数据分析实测潮流数据云库能量管理能量交易曹军威|24数据清理数据集成数据库数据仓库选择与变换数据挖掘模式评估通过直接量测和算法处理，得到在线实时动态潮流，从而得到各节点和线路的U(t)、I(t)、P(t)、Q(t)以及它们的派生量，如dU(t)/dt、dQ(t)/dt、dQ(t)/du(t)等特征了量的时间变化，对它们进行大数据分析，由此构建大数据分析应用。清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能量路由器技术特征25曹军威| 多端口、可扩展；标准接口、即插即用；硬件通用化（光伏逆变器、储能PCS）；软件定制化（SDN）；替代变电站变压器或为现有变电站变压器备用；电能质量调节（SVG、APF 等）；储能+对间歇式能源进行平衡的功能；信息物理融合能量管理的执行终端；能量交易的计量终端；数据中心的信息服务；与能源站多种能源（热电冷）相互转换相结合。清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会序号专利号申请日期专利名称发明人120171097667722017-10-19一种基于SDN的能量路由器和电能传输方法曹军威,谢挺,明阳阳,胡俊峰,梅东升,陈裕兴,郭明星220171097625932017-10-19一种交直流通用端口设备及转换方法曹军威,陈裕兴,梅东升,谢挺,胡俊峰,明阳阳,郭明星320171089998792017-09-28一种负载功率预测方法及系统秦钰超,华昊辰,胡俊峰,曹军威,陈裕兴,梅东升,郭明星,谢挺420171082251492017-09-13一种能源互联网用户设备即插即用的方法及装置曹军威,胡俊峰,郭明星,陈裕兴,梅东升,谢挺,明阳阳520171082208552017-09-13一种能量路由器即插即用的控制方法明阳阳,郭明星,梅东升,曹军威,谢挺,胡俊峰,陈裕兴620171082177592017-09-13能量路由器明阳阳,曹军威,谢挺,郭明星,胡俊峰,陈裕兴,梅东升720171078649822017-09-04一种广域能源互联网的区域划分方法和系统杨刚,华昊辰,谢挺,郭明星,梅东升,陈裕兴,曹军威,胡俊峰820171061882342017-07-26能量路由器及基于该能量路由器的发电控制方法曹军威,胡俊峰,郭明星,陈裕兴,梅东升,谢挺,郝传统920171060265642017-07-21一种光伏发电功率预测的方法和装置曹军威,秦钰超,胡俊峰,陈裕兴,梅东升,郭明星,谢挺,华昊辰1020171050305392017-06-27能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法曹军威,谢挺,梅东升,陈裕兴,郭明星,胡俊峰,华昊辰1120171047193702017-06-20微网运行成本最小化的控制处理方法与装置秦钰超,曹军威,胡俊峰,谢挺,郭明星,陈裕兴,梅东升,华昊辰12201710318603X2017-05-08一种微电网系统直流母线电压稳定性控制处理方法及装置曹军威,胡俊峰,郭明星,陈裕兴,梅东升,谢挺,华昊辰1320171028953252017-04-27一种能量路由器抗干扰控制器的形成方法及装置华昊辰,曹军威,陈裕兴,梅东升,郭明星,胡俊峰,谢挺1420171017525932017-03-22一种电网故障类型确定方法及装置赵兵兵,曹军威,陈裕兴,胡俊峰,梅东升,郭明星申请专利曹军威|26清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会北京市科技计划课题结题验收自治微网能源路由器研制与示范应用低压用户侧小容量样机研制曹军威|27清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会通过第三方认证，验证了我们完成装置研制与调试，电压等级380V，系统容量实测为213KVA，响应时间为8.8ms，接入电源种类有四种：电网、风电、光伏、储能。负荷种类四类：交流电阻、交流电抗、电子负载、直流负载、储能（充电）。能量路由器具有潮流调节模式（有功调节、无功调节；稳定功率因数达到95%以上）。具有电能质量调节模式，暂态电压补偿能力超过30%，电流谐波含量小于5%。第三方检验报告清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会入选国家能源局首批国家级能源互联网示范工程项目，示范范围为：海淀北部地区的翠湖组团和永丰组团，建筑面积2682万平方米，其中，翠湖组团建筑面积为1366万平方米，永丰组团建筑面积为1316万平方米。京能海淀北区能源互联网示范工程曹军威|29清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会基于能源路由器的能源互联网光储充集成化解决方案集成化实现了并网变流器。这样的系统与一般的分布式微网系统一致，都需要并离网切换，并网变流器在能量路由器中已经实现了。集成化实现了光伏逆变器。光伏的接入一般需要光伏逆变器，而通过能量路由器的话可以以端口的形式提供逆变器的功能，不再需要光伏逆变器。集成化实现了储能PCS。储能的接入需要双向DC/DC功能的储能PCS，能量路由器直接提供。集成化实现了直流充电功率模块。直流充电桩一般需要功率模块控制充电电流，能量路由器一并实现。集成化实现了能量管理功能。能量路由器的上层控制器策略事实上充当了能量管理和控制的角色，可以进行动态的调度。集成化实现了电能质量管理等其他功能。本身能量路由器内部具有直流总线隔离，解决了大部分的电能质量问题，不再需要单独的专用电能质量治理装置。能源路由器应用典型场景曹军威|31清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会北京上庄燃气热电有限公司是由北京能源投资（集团）有限公司清洁能源板块出资组建的国有企业，公司地处北京市规划建设的国家自主创新示范区和高新技术产业聚集区的海淀北部地区。公司已经建设1台9E级联合循环热电冷联产机组，是海淀北区能源互联网示范工程的组成部分。能源路由器应用示范点曹军威|32清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会目前，能量路由器装置样机已经交付上庄电厂，准备在海淀北区能源互联网示范工程的建设实施过程中进行投运。能源路由器应用实施进展曹军威|33清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源路由器标准制定34在能源互联网架构下，以信息技术和互联网技术为基础，具有支持一种或多种能源的转化或转换功能，能量流动由能源生产、消费和服务的综合信息进行优化控制，兼容多类型设备的友好接入、优化能源生产侧与消费侧的双向交互、实现多元灵活的能源交易，从而构建开放式能源互联网络路由节点的能源管理装置，统称为能源路由装置。参与中电联能源互联网专项标准能源路由装置功能规范与技术导则能源需求侧能源供给侧家庭负荷储电光伏电动汽车居民负荷风电光伏冷热电三联供系统供热、供冷、供气、供油、供水系统充电桩充电桩电动汽车商业楼宇、家庭小区、工业园区虚拟电厂可再生能源系统供电系统地热.储能系统(热、电)光伏能量管理平台能量管理平台能量管理平台能量管理平台能量管理平台能量管理平台能量管理平台能量管理平台能源服务能源服务多能互补集成优化技术多能互补集成优化技术信息通信通道可同时包含能源与信息的通道能量路由装置供气系统曹军威|清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会能源路由器发展展望能源路由器是能源互联网的核心重大装备，未来电网发展趋势会以大量电力电子装置呈现，能源路由器未来能替代电力变压器、电力电子装备等，加上随着新能源和分布式新能源的发展，新能源的接入成为能源路由器产业化的最大推手，市场规模达到百亿以上。能源路由器是未来电力电子装置通用化、标准化、集成化趋势的体现。目前，电力电子装置造价贵，功能专一，随着电力电子器件价格的不断降低，性能的不断提升，硬件通用化、软件定制化将成为趋势。电力系统的电力电子化会导致标准化和集成化的解决方案更具竞争优势，未来能源路由器会逐步取代光伏逆变器、储能PCS、充电功率模块、电能质量治理装置等专业设备，成为标准化、低成本电力电子装置的代表。能源路由器相关技术研究成果由清华大学负责，装置及技术的推广应用由北京智中能源互联网研究院有限公司负责，北京智中成立了专门市场团队，以示范工程为牵引，进行能路由器相关关键技术的研发和成果推广应用。曹军威|35清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会1.曹军威、孙嘉平，能源互联网与能源系统，中国电力出版社，2016.2.韩英铎、余贻鑫、黄其励、彭苏萍、曹军威、王成山、谢小荣，能源互联网，中国战略性新兴产业发展报告2015，中国工程院，183-203，2015.3.曹军威等，软件定义的能源互联网信息通信技术研究，中国电机工程学报，能源互联网专刊，2015.4.王继业、郭经红，曹军威等，能源互联网信息通信关键技术综述，智能电网，能源互联网专刊，2015.5.王继业、孟坤、曹军威等，能源互联网信息技术研究综述，计算机研究与发展，52(3),1-18，2015.6.曹军威等，能源互联网信息与能源的基础设施一体化，南方电网技术，8(4)，1-10，2014.7.曹军威等，能源互联网与能源路由器，中国科学：信息科学,44(6),714-727，2014.8.J.Cao and M.Yang.Energy Internet towards Smart Grid 2.0.Proc.4thInt.Conf.onNetworkingandDistributedComputing,Hongkong,China,105-110,2013.9.曹军威等，智能电网信息系统体系结构研究，计算机学报，36(1),143-167,2013.参考文献曹军威|36清华大学|智中能研2019第九届中国国际储能大会曹军威|
