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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会 ？？？ 1960 1970 2000 2011 专用 · 电子网 计算机 局网 DARPA-Net: • IP 体系结构 • TCP 协议 1980 1990 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 7 FREEDM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 S S T 控 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 ① ② 信 息 交 换 模 块 能 源 控 制 模 块 P L C P L C E t h e r n e t E t h e r n e t E - r o u t e r 1 E - r o u t e r 2 能源路由器装置 用层次角度看能源路由器 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 8 Imagine a device that automatically detects demand for power and delivers processed electricity in the required form (AC or DC) at the correct voltage and frequency. Energy routers, analogous to the familiar data and communications routers, could improve reliability, efficiency, and safety at every 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 W i f i / A d H o c , E t h e r n e t , SD N / C C N 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 B A T T E RI E S S S T 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 D A T A BA S E 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 W A N L A N 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 15 A C B U S D C / A C A C / D C 风 电 D C / A C A C / D C 市 电 交 流 负 荷 D C / A C D C / D C 光 伏 D C / A C D C / D C 储 能 D C / A C D C / D C 直 流 负 荷 D C B U S A C / D C 风 电 A C / D C 市 电 交 流 负 荷 D C / D C 光 伏 D C / D C 储 能 D C / D C 直 流 负 荷 D C / A C 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 D C A C 直 流 负 载 D C D C 风 力 发 电 机 交 流 系 统 1 ± 2 0 0 V M 旋 转 电 机 D C A C 非 线 性 负 载 线 性 负 载 D C D C 直 流 变 压 器 D C A C 交 流 系 统 2 A C D C 线 性 负 载 线 路 线 路 光 伏 电 池 组 D C D C ± 5 0 0 V ± 5 0 0 V D C A C 储 能 设 备 D C D C D C D C 线 性 负 载 D C D C 功 率 放 大 器 R T - L A B 试 验 接 口 线 路 线 路 线 路 F A C T S 设 备 试 验 接 口 未 来 新 开 发 设 备 试 验 接 口 测 试 用 流 断 路 器 接 口 线 路 线 路 A C D C 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 储 能 3 8 0 V ~ 接 口 直 流 接 口 1 直 流 接 口 2 电 网 能 源 路 由 器 N N 3 8 0 V ~ 接 口 N D C / D C A C / D C D C / D C D C / A C D C / A C D C / D C M 永 磁 同 步 发 电 机 M 异 步 电 动 机 变 频 器 3 8 0 V ~ 永 磁 同 步 发 电 机 模 拟 装 置 电 阻 负 载 光 伏 阵 列 负 荷 3 8 0 V ~ 接 口 N A C / D C 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 P W M 调 制 交 流 变 直 流 斩 波 （ P W M ） + 低 通 滤 波 直 流 变 交 流 输 出 斩 波 （ P W M ） 直 流 变 直 流 P W M 调 制 + 低 通 滤 波 交 流 变 交 流 直 通 功 能 选 择 输 入 通用功率模块设计 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 C P 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 能量路由器 能源端口 连接线路 通信端口 连接线路 远程控 制开关 接口 能源用户设备接入 端口 即插即用 即插即用设计 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 21 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会 曹军威 | jcao@tsinghua.edu.cn 骨干能源路由器 22 1 2 3 5 6 7 Cooling Transformers Con/inverters Switches Storage Controller PC cluster 1 2 3 4 5 6 7 4 2 Converters/Inverters Energy storages 4 Transformers 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn • 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 1 2017109766772 2017-10-19一种基于 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 2 2017109762593 2017-10-19一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 3 2017108999879 2017-09-28一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 4 2017108225149 2017-09-13一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 5 2017108220855 2017-09-13一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 6 2017108217759 2017-09-13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 7 2017107864982 2017-09-04一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 8 2017106188234 2017-07-26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 9 2017106026564 2017-07-21一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 10 2017105030539 2017-06-27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 11 2017104719370 2017-06-20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 12 201710318603X 2017-05-08一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 13 2017102895325 2017-04-27一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 14 2017101752593 2017-03-22一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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 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 | jcao@tsinghua.edu.cn 29