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曹军威:能源路由器在综合能源系统中的应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-05-06 浏览:
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中国储能网讯:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月24日下午的“综合能源服务专场”,清华大学信息技术研究院副院长曹军威在会上分享了主题报告《能源路由器在综合能源系统中的应用》,以下为演讲实录:

曹军威:非常高兴有机会在这里和大家分享。能源路由器的概念是从能源互联网的概念延伸出来的。我们前几年做了类似的装置和示范工程,跟大家简单汇报一下。背景不再多说了,上午专家已经说了。能源互联网希望像互联网一样自下而上:下有综合性的园区,上有国家电网的全球能源互联网,自下而上构建能源基础设施。从互联网的概念类比过来,是不是有可能有类似这种局部的能量层面上的交换和路由装置。这就是路由器和互联网的基本提法。现在已经成为趋势,之前做学术研究的时候,2011年能源互联网可能只是一个概念,现在大家把能源互联网具体形式如综合能源服务作为一个主流趋势,包括储能这样一些具体的环节,也在大发展过程中。不详细讲了。

未来我们认为信息跟能源能够成为一体化的基础设施可能就是需要包括能源站、数据站变成一个能源路由器这样一个具体的形式。未来是需要能源路由器这样一个装备作为基础。这样的概念也不是我们最先提出来的,美国像FREEDM这样的项目,它们也借助功率电子、电力电子来发展能源路由器这样的技术。这样的路由器以电力电子变换为基础逆变出任何的电压等级和频率,实现全可观和全可控。日本也在推这种概念,比如日本的数字电网联盟和电力路由器。国家电网类似这种三站合一的建设思路,实际上提出了一些场景。当我们把这些储能站、数据中心、光伏这些要素在一个站里实现的时候,这是电力电子密集的区域。与其说所有的电力电子装置像储能的PCS、光伏的逆变器、数据中心的UPS分开来实现,是不是能有一个集中式的装置,形成一个能源路由和交换的概念。我们认为之前我们做这种电力电子装置的时候可能都是一些专用的,针对不同的用途,出现了很多种不同的装置。但是未来整个电力系统或者不整个电力系统,一个综合能源一个区域里面,这么多要素,再加上用户侧的电动汽车也好,我们发现系统非常地电力电子化。如果原来是一个以专用设备为主,是不是可能未来形成集成化的通用实现,它的成本是不是能够更低。这就是我们研究能源路由器的初衷。

借鉴网络路由器的设计理念,是不是能够实现一个能量层面上的路由器?从原理上是没有问题的,一个网络路由器是由信息的缓存决定信息从哪儿进到哪儿出,最后有一个具体的控制手段。未来能源路由器的决策机制可能是一个信息化的数据中心,缓存机制可能就是储能,控制就是电力电子的原理。未来可能既有信息的接口,又有能源的接口。这样的路由器类似网络协议的标准分层来实现,可以开关路由,甚至电能质量的调节。如果分层实现,物理层、传输层、应用层,不同层面实现不同的功能。现在还没有类似这方面的标准。它的输入输出希望可以是标准化的,逆变器这些,我们以前都是单独地去实现。未来有没有可能是通用的模块。既可以接风光又可以接其他的区域也可以接本地用户,甚至和大电网可以相连。这样的输入输出可以模块化,只要即插即用就可以实现能量交换和路由。如果中间是一个直流母线,把直流微网变成一个直流母线的装置,它更具有经济性。能源路由器本身单点集中,易于维护。如果变成一个微网,多点连接,有薄弱点分散的问题。

我们做技术研发,几块内容也跟大家简单交流一下。第一个就是是不是有通用的功率模块的设计,既能当光伏逆变器也可以当储能PCS又可以当充电模块。实际上是可以的。未来当模块的通用性带来的经济性大于专用性,如果这两个能够通用性更强成本更低的话,未来就会有这样的趋势。它的一些即插即用设计可能有两个层面。一个就是用户,他把他的设备接到路由器上面的即插即用。还有路由器本身的端口是不是能拓展。因为不仅仅是信息层面上的,还有能量层面上的。这个协议标准是需要仔细去设计的。如果有这样一个既有信息的路由又有能量路由的架构,一些软件定义的用法是不是能够实现。这样的路由器可以自下而上地去互联,构建一个更大规模的基础设施。下面可能是一个小的区域。再往上层可以进一步提高,是不是本身就可以形成一个自下而上的能源互联网的架构。一个电力电子系统在未来如果成本上可行的话,可以取代现在的变电站的电网架构。在区域,变压等级低,容量小,更大层面上可能变压等级高,容量大。在这个基础上又可以实现跟信息的融合。这样的能源路由器可以有监控,甚至到互联网上进行监控。在这个基础上实现能量管理和能量交易。

总结起来,能源路由器的技术特征包括多端口、可扩展、标准接口、即插即用、硬件通用化、软件定制化。它可以替代变电站的变压器,本身替代储能的PCS,本身可以替代直流充电的这些功率模块。本身就是一个能量管理的执行终端。未来的能量管理系统到能源路由器就可以去执行这样的调控。交易的计量终端,也可以在能源路由器这一端来实现。还有一些信息服务。有的人把能源路由器概念拓展,未来有能源站把冷热都设计进来。类似的专利和刚才讲的这些,我们在北京市科技计划这样一个课题里面实现了相关的研发。

具体我们做了用户侧的小容量的样机的研制,基本上就是有风光还有储能,我们有超级电容和锂电池的接入。用户负荷我们有电子负载、直流交流负载,七八个端口放在一起做一个供需调节。我们也在不同层面上,包括怎么来调节功率,包括怎么来调节电能质量,我们都做了一些第三方的测试,这个项目是跟京能一块儿开展的。这样一个能源互联网的未来典型场景,刚才很多企业在介绍综合能源服务的时候都介绍了这样的典型场景。能源路由器是其中的一个可能,如果集成度非常高,在一个区域里面是有它的经济价值的。我们把能源路由器集成化实现光伏逆变器、直流充电功率模块、能量管理。我们把它在京能集团的海北地区交付了这样一个装置。我们同时参加了中电联的能源互联网的标准专项。最终,我们觉得,随着电力电子技术的发展,尤其是它的成本像储能一样不断降低的时候这样一些装置通用化会变成一个趋势。这样一个历程在信息技术领域,信息的网络路由器已经发生了。随着路由器变成一个白菜价或者大家根本不想修它的时候,这就变成了一个更具有可行性的方式。它的通用化、标准化、集成化变成一个趋势。未来清华大学和北京智中能源互联网研究院一起做这一方面的推广。这是我们相关的论文和文献。谢谢大家!

 

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