本發(fā)明涉及一種能源局域網(wǎng)，尤其是涉及一種考慮多微網(wǎng)互動(dòng)的能源局域網(wǎng)及控制方法。

背景技術(shù)：

最高限度地提高可再生能源的利用率和管理水平是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)涵，但由于可再生能源發(fā)電方式往往具有地理分散性、間歇性、隨機(jī)性和不可控性，它的高滲透率接入勢必對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)(Micro Grid，MG)作為本地分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、分布式儲(chǔ)能(electrical energy storage，EES)、可控負(fù)荷(controllable load，CL)等的有效組織形式，成為管理DER現(xiàn)有最好的自治系統(tǒng)，將成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)終端的最小形式。因此，如何通過靈活的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及MG協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)MG接入能源互聯(lián)網(wǎng)后雙向潮流的有效管理，實(shí)現(xiàn)在合理的監(jiān)管環(huán)境和接入準(zhǔn)則下對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的智能高效管理和最優(yōu)運(yùn)行成為亟待解決的問題之一。

對(duì)此，一些專家學(xué)者已對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架以及相關(guān)技術(shù)展開討論。文獻(xiàn)“狹義能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化控制框架及實(shí)現(xiàn).中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(18)：4571-4580”認(rèn)為狹義能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)包含電能和熱能兩個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其核心硬件設(shè)備能源路由器(energy router，ER)、能源交換機(jī)(energy switch，ES)和能源接口(energy interface，EI)提出了功能要求，并進(jìn)行了校園狹義能源互聯(lián)網(wǎng)的搭設(shè)試驗(yàn)。文獻(xiàn)“Design of a novel energy router and its application in energy Internet.Chinese Automation Congress(CAC)，Wuhan，China，2015”致力于對(duì)能源路由器本身結(jié)構(gòu)和功能的研究來減少DG波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的影響以及對(duì)配電網(wǎng)的干擾。文獻(xiàn)“能源互聯(lián)網(wǎng)與能源路由器.中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014，44(6)：714-727”探討了以ER為核心交換裝置的能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模型，從ER的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，已有支撐技術(shù)和實(shí)現(xiàn)部署方式等方面分析了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合已有研究成果說明了該領(lǐng)域亟需突破的研究方向。文獻(xiàn)“Energy Router:Architectures and Functionalities toward Energy Internet//Smart Grid Communications(Smart Grid Comm)，2011 IEEE International Conference on.IEEE，2011:31-36”從電力電子變換、通訊和智能控制三個(gè)方面提出了對(duì)能源路由器設(shè)計(jì)的要求并展示了研究成果。

目前各國對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究重點(diǎn)多集中在信息互聯(lián)網(wǎng)層面、ER等主要設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然若干學(xué)者提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，但大多側(cè)重于對(duì)ER等設(shè)備的多樣化功能進(jìn)行探討，對(duì)如何有效實(shí)現(xiàn)高滲透率可再生能源平滑接入并消納的研究較少。雖然MG通過具有“即插即用”功能的EI將DER、CL以及EES有效組織為局部自治的分布式發(fā)電系統(tǒng)，但因其具有間歇性、波動(dòng)性，并不能充分的保證自發(fā)自用，因此需要與其它分布式電網(wǎng)互聯(lián)或并網(wǎng)，實(shí)行自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑的運(yùn)行機(jī)制。如若MG采用直接并網(wǎng)，則電網(wǎng)中將出現(xiàn)多個(gè)換流站電氣距離接近的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，即多饋入系統(tǒng)。然而多饋入系統(tǒng)之間電氣距離短、相互影響大，受端網(wǎng)絡(luò)需要具備足夠堅(jiān)強(qiáng)的電壓支撐能力，這將大幅增大能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的成本和管控水平。因此對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架及協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以提高分布式能源的利用率和管理水平、提高能源局域網(wǎng)對(duì)分布式能源高滲透率的消納能力的考慮多微網(wǎng)互動(dòng)的能源局域網(wǎng)及控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種考慮多微網(wǎng)互動(dòng)的能源局域網(wǎng)，包括自上而下依次連接的能源路由器、多個(gè)能源交換機(jī)和多個(gè)微電網(wǎng)，所述的微電網(wǎng)與能源交換機(jī)一一對(duì)應(yīng)，各微電網(wǎng)包括可控負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能和分布式電源。具有分布式智能識(shí)別功能的即插即用接口為各種分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、儲(chǔ)能(energy storage system，ESS)、可控負(fù)荷(controllable load，CL)和電動(dòng)汽車(electric vehicle，EV)等提供快速、高可靠性的電氣接口，實(shí)現(xiàn)各種分布式設(shè)備的“即插即用”，構(gòu)建區(qū)域自治的微電網(wǎng)系統(tǒng)；當(dāng)能源交換機(jī)處于閉合狀態(tài)時(shí)，低壓直流母線(LVDC)實(shí)現(xiàn)相鄰微電網(wǎng)間能量流的雙向互通、協(xié)同互補(bǔ)，在不同區(qū)域間實(shí)現(xiàn)能量的二次均衡；能源路由器位于低壓直流母線和中壓直流母線(MVDC)之間，實(shí)現(xiàn)兩者能量流的交互。

能源路由器(energy router，ER)、能源交換機(jī)(energy switch，ES)和即插即用接口(plug&play interface，PPI)之間不僅存在電氣連接，而且存在信息連接。微電網(wǎng)中的能源接口將各自的運(yùn)行狀態(tài)及信息反饋給ES用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和指令調(diào)整，ES對(duì)這些信息進(jìn)行綜合優(yōu)化計(jì)量，一方面將處理后的信息反饋給能源路由器，一方面將各個(gè)指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的PPI，使各個(gè)通過通信總線相連的PPI能夠自主協(xié)調(diào)、共同響應(yīng)ES的運(yùn)行指令。因此，即便與主網(wǎng)DGI沒有任何通訊，微電網(wǎng)在能源交換機(jī)DGI的管理下也具有獨(dú)立自主的協(xié)調(diào)能力。

各能源交換機(jī)將微電網(wǎng)總電壓、頻率及運(yùn)行狀態(tài)反饋給能源路由器，能源路由器根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)控各個(gè)能源交換機(jī)切換微電網(wǎng)的運(yùn)行模式，運(yùn)行模式包括孤島模式和互聯(lián)模式，所述的互聯(lián)模式為：微電網(wǎng)接入低壓直流母線，與低壓直流母線上的其他微電網(wǎng)進(jìn)行功率平衡互補(bǔ)。

能源局域網(wǎng)運(yùn)行模式還包括單端供電模式、多端供電模式和多端隔離模式。每條低壓母線均能通過兩種方式與能源路由器的電氣端口進(jìn)行能量交互：1)直接連接至能源路由器電氣接口、2)通過聯(lián)絡(luò)線及其它母線間接與電氣接口交互。只通過其中一種方式進(jìn)行交互的稱為單端供電模式；同時(shí)通過兩種方式進(jìn)行交互的稱為多端供電模式。所謂的多端隔離模式是指多個(gè)低壓直流母線互聯(lián)但卻與能源路由器所有電氣接口隔離的運(yùn)行模式。

一種采用所述的考慮多微網(wǎng)互動(dòng)的能源局域網(wǎng)進(jìn)行電壓頻率控制的方法，該方法采用主從控制，以容量最大的微電網(wǎng)作為主控單元，維持低壓直流母線電壓恒定，其他微電網(wǎng)為從控單元，當(dāng)運(yùn)行于孤島模式的微電網(wǎng)的總電壓或頻率超出正常范圍時(shí)，能源交換機(jī)將其切換至互聯(lián)模式，當(dāng)運(yùn)行于互聯(lián)模式的微電網(wǎng)的功率滿足切換條件時(shí)，能源交換機(jī)將其切換至孤島模式。微電網(wǎng)互動(dòng)是若干微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行和互聯(lián)運(yùn)行兩種模式之間依據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則進(jìn)行能量動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的運(yùn)行方案。

能源路由器根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行功率差額最優(yōu)匹配，若幾個(gè)微電網(wǎng)的冗余功率和缺額功率之和小于設(shè)定值，則將所述的幾個(gè)微電網(wǎng)接入低壓直流母線。

所述的微電網(wǎng)的電壓正常范圍確定方法為：繪制微電網(wǎng)允許最大負(fù)荷對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線、允許最小負(fù)荷對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線、分布式電源最大出力對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線以及分布式電源最小出力對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線，將四條曲線圍成區(qū)域的最大電壓或頻率值和最小電壓或頻率值作為正常范圍的上下限。

所述的切換條件為：

其中，U為微電網(wǎng)母線電壓，U_N為微電網(wǎng)母線電壓參考值，U_max、U_min分別為微電網(wǎng)母線電壓上下限，∑P_S為微電網(wǎng)中分布式電源的總輸出功率，P_CH為微電網(wǎng)與低壓直流母線間的交換功率(微電網(wǎng)從低壓直流母線吸收功率則系數(shù)為正，微電網(wǎng)向低壓直流母線輸出功率則系數(shù)為負(fù))，系數(shù)為正的P_Bmax為分布式儲(chǔ)能的最大輸出功率，系數(shù)為負(fù)的P_Bmax為分布式儲(chǔ)能的最大吸收功率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)替代現(xiàn)有研究中微電網(wǎng)直接通過路由器并入主網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，提出新的基于多微網(wǎng)互動(dòng)的能源局域網(wǎng)三層架構(gòu)，有效增強(qiáng)能源局域網(wǎng)對(duì)多饋入系統(tǒng)的電壓支撐能力，自上而下依次連接的能源路由器、多個(gè)能源交換機(jī)和多個(gè)微電網(wǎng)所構(gòu)成的能源局域網(wǎng)架構(gòu)具有層次清晰、各層功能簡明等優(yōu)點(diǎn)，通過綜合計(jì)量、總體配置、分層整合，可以有效解決通信過程中的信息瓶頸以及優(yōu)化控制與自治控制的協(xié)調(diào)問題，并達(dá)到能量協(xié)調(diào)的整體最佳。

(2)提出了微網(wǎng)互動(dòng)方案，通過微電網(wǎng)間能量流的雙向互通、協(xié)同互補(bǔ)，在不同區(qū)域間實(shí)現(xiàn)能量的二次均衡，削弱波動(dòng)性與間歇性，最大限度的實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)能源的綜合利用，簡化或克服可再生能源發(fā)電間歇性與不穩(wěn)定性帶來的功率預(yù)測、備用容量等難題，緩解高比例分布式能源接入造成的調(diào)峰壓力，降低集中并網(wǎng)有功波動(dòng)，避免主網(wǎng)頻繁參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)穩(wěn)定性。

(3)能源路由器總是依據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的能源交換機(jī)將冗余較大和缺額較大的若干微電網(wǎng)切入互聯(lián)模式，進(jìn)行功率差額的最優(yōu)匹配，實(shí)現(xiàn)鄰近區(qū)域間能量的協(xié)同互補(bǔ)，簡化調(diào)度指令并減少投入微電網(wǎng)的個(gè)數(shù)，避免過多微電網(wǎng)同時(shí)投切造成對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的疊加，同時(shí)可避免主網(wǎng)頻繁參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)并減小主網(wǎng)的消納負(fù)擔(dān)。

(4)本發(fā)明提出的微電網(wǎng)的電壓正常范圍確定方法是綜合擬合了電力系統(tǒng)功頻靜態(tài)特性而得出的，能夠合理準(zhǔn)確的模擬微電網(wǎng)運(yùn)行特性，在此基礎(chǔ)上得出的切換條件能夠使模式之間的切換更加準(zhǔn)確和智能。

(5)由互聯(lián)模式切換至孤島模式時(shí)，以直流微電網(wǎng)為例，微電網(wǎng)母線電壓已是多微電網(wǎng)互動(dòng)后的電壓水平，不能視為切換至孤島模式后的電壓水平，因此不能將微電網(wǎng)母線電壓作為由互聯(lián)模式投入孤島模式的切換準(zhǔn)則，故而本發(fā)明提出的切換條件可確保各種模式切換的準(zhǔn)確性。

(6)各層協(xié)調(diào)控制策略以及多種運(yùn)行模式，能夠提高可再生能源的利用率，充分實(shí)現(xiàn)高滲透率分布式能源的接入和消納，確保安全、可靠供電，實(shí)現(xiàn)能源局域網(wǎng)在多種工況下經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例能源局域網(wǎng)分層管理構(gòu)架；

圖2為基于MOSFET的交流能源路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖3為本實(shí)施例基于MOSFET的直流能源路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖4為電力系統(tǒng)P-U(f)靜態(tài)特性；

圖5為本實(shí)施例針對(duì)圖1結(jié)構(gòu)考慮多微網(wǎng)互動(dòng)的能量管理與協(xié)調(diào)控制流程圖；

圖6(a)-6(c)為本實(shí)施例采用本文所提協(xié)調(diào)控制策略下交流微電網(wǎng)孤島模式且設(shè)置負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的運(yùn)行特性，其中6(a)為交流微電網(wǎng)母線電壓，6(b)為交流微電網(wǎng)負(fù)載電流，6(c)為交流微電網(wǎng)負(fù)荷功率變化；

圖7(a)-7(c)為本實(shí)施例多微網(wǎng)互動(dòng)模式，其中7(a)為主站微電網(wǎng)1母線電壓，7(b)為微電網(wǎng)2母線電壓，7(c)為微電網(wǎng)3母線電壓，7(d)為各微電網(wǎng)交換功率。

圖8為本實(shí)施例所采用的直流能源路由器仿真波形；

圖9為本實(shí)施例接入能源交換機(jī)對(duì)單端供電模式運(yùn)行特性進(jìn)行驗(yàn)證的仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

以下面從分層架構(gòu)、多微網(wǎng)互動(dòng)方案及切換策略、運(yùn)行模式、有效性驗(yàn)證等幾個(gè)方面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

(1)基于多微網(wǎng)互動(dòng)和兩電壓等級(jí)母線的直流能源局域網(wǎng)架構(gòu)，能源局域網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)如圖1所示。本實(shí)施例中，子網(wǎng)即微電網(wǎng)。

為使能源交換機(jī)控制簡單，無需考慮頻率、相位同步等問題以便于各個(gè)子網(wǎng)的接入，低壓側(cè)公共母線采用直流形式；

為了簡化能源路由器的結(jié)構(gòu)，減少電能的變換環(huán)節(jié)、使得控制簡單，特提出直流能源路由器，將三級(jí)變換簡化為一級(jí)變換(如圖3所示)，因此在中壓側(cè)依然采用直流形式。

在子網(wǎng)和中壓直流母線間，提出通過能源交換機(jī)將若干子網(wǎng)連接于公共低壓直流母線的多子網(wǎng)互動(dòng)的能源交換機(jī)層，以使相鄰的子網(wǎng)在自身消納失衡時(shí)通過互動(dòng)達(dá)到能量的互補(bǔ)，最大限度的實(shí)現(xiàn)能源的就地消納和減小子網(wǎng)并網(wǎng)前電能質(zhì)量波動(dòng)的幅度和頻次。同時(shí)也避免了子網(wǎng)間通過余量上網(wǎng)間接進(jìn)行能量交換所造成的損失。

(2)多微網(wǎng)互動(dòng)方案及切換策略

互動(dòng)方案：

為克服可再生能源發(fā)電間歇性與不穩(wěn)定性帶來的功率預(yù)測、備用容量等難題，降低集中并網(wǎng)有功波動(dòng)，減小甚至消除系統(tǒng)調(diào)峰壓力，保障電網(wǎng)穩(wěn)定性，本文在能源局域網(wǎng)研究基礎(chǔ)上提出了子網(wǎng)互動(dòng)方案，如圖5所示。

子網(wǎng)互動(dòng)是若干子網(wǎng)在孤島運(yùn)行和互聯(lián)運(yùn)行兩種模式之間依據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則進(jìn)行能量動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的運(yùn)行方案。此方案中各ES只需向ER提供自身的運(yùn)行狀態(tài)(投入、切除、故障等)以及所連接的子網(wǎng)母線電壓(頻率)信息。當(dāng)某一ES檢測出子網(wǎng)母線電壓(頻率)偏差超出設(shè)定值時(shí)主動(dòng)切換至子網(wǎng)互聯(lián)模式。為了簡化調(diào)度指令并減少投入子網(wǎng)的個(gè)數(shù)，避免過多子網(wǎng)同時(shí)投切造成對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的疊加，ER總是依據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的ES將冗余較大和缺額較大的若干子網(wǎng)切入互聯(lián)模式，進(jìn)行功率差額的最優(yōu)匹配，實(shí)現(xiàn)鄰近區(qū)域間能量的協(xié)同互補(bǔ)，避免主網(wǎng)頻繁參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)并減小主網(wǎng)的消納負(fù)擔(dān)。能源路由器根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行功率差額最優(yōu)匹配，若幾個(gè)微電網(wǎng)的冗余功率和缺額功率之和小于設(shè)定值，則將所述的幾個(gè)微電網(wǎng)接入低壓直流母線。功率的冗余和不足是相對(duì)而言的，當(dāng)U＞U_N時(shí)，各分布式電源發(fā)出的總功率∑P_S相對(duì)于子網(wǎng)在電壓U_N下消耗的總負(fù)荷功率∑P_Load是冗余的，正因?yàn)椤芇_S＞∑P_Load才使得母線電壓升高達(dá)到新電壓水平下的功率平衡；當(dāng)U＜U_N時(shí)，各分布式電源發(fā)出的總功率∑P_S相對(duì)于子網(wǎng)在電壓U_N下消耗的總負(fù)荷功率∑P_Load是不足的，正因?yàn)椤芇_S＜∑P_Load才使得母線電壓降低達(dá)到新電壓水平下的功率平衡。因此，只要子網(wǎng)電壓U≠U_N，均視為功率冗余或不足，只是優(yōu)先選擇功率冗余或不足較大的子網(wǎng)切入互聯(lián)模式進(jìn)行能量交互，避免不必要的投切，減少功率損失，延長元器件的壽命。

當(dāng)能源交換機(jī)DGI檢測到投入互聯(lián)模式的各個(gè)子網(wǎng)供需恢復(fù)正常，則依據(jù)切換策略投入孤島運(yùn)行模式。

切換策略：

由孤島模式切換至互聯(lián)模式時(shí)，可由ES檢測出子網(wǎng)母線電壓(頻率)偏差超出允許值時(shí)主動(dòng)切換至子網(wǎng)互聯(lián)模式。

由互聯(lián)模式切換至孤島模式時(shí)，以直流子網(wǎng)為例，子網(wǎng)母線電壓已是多子網(wǎng)互動(dòng)后的電壓水平，不能視為切換至孤島模式后的電壓水平，因此需要以其它條件作為退出互聯(lián)模式的切換準(zhǔn)則。

電力系統(tǒng)P-U(f)靜態(tài)特性如圖4所示。假設(shè)子網(wǎng)中允許的最大、最小負(fù)荷靜態(tài)特性曲線分別為l₂和l₁，子網(wǎng)中各種電源最大、最小出力所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線分別為m₁和m₂，則圖中由ABCD所圍成的區(qū)域是正常運(yùn)行范圍。以電壓或頻率作為控制對(duì)象，則A、D兩點(diǎn)為子網(wǎng)正常運(yùn)行與否的臨界點(diǎn)。

以直流子網(wǎng)為例，當(dāng)互聯(lián)模式的子網(wǎng)母線電壓U≥U_N時(shí)，則對(duì)臨界點(diǎn)A進(jìn)行分析。其中U為子網(wǎng)母線電壓，U_N為子網(wǎng)的參考電壓。在A點(diǎn)電壓水平下，如果子網(wǎng)中各種能源出力之和小于儲(chǔ)能最大吸收功率和負(fù)載消耗功率之和時(shí)，電壓便會(huì)回落至正常運(yùn)行范圍內(nèi)，由此可得：

其中，∑P_S表示子網(wǎng)中各能源總的輸出功率，P_Bmax表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大輸出容量，為定值(負(fù)號(hào)表示吸收能力)，R_L為子網(wǎng)的等效負(fù)載電阻。又：

其中P_CH為互聯(lián)模式時(shí)子網(wǎng)與其他子網(wǎng)的交換功率(子網(wǎng)吸收為正，輸出為負(fù))。帶入式(1)可得：

同理對(duì)臨界點(diǎn)D進(jìn)行分析，可得U＜U_N時(shí)的切換條件為：

由此可知：能源交換機(jī)智能能量管理中心檢測到U≤U_min或U≥U_max時(shí)由孤島模式切換至互聯(lián)模式；由互聯(lián)模式切換至孤島模式的條件則為：

子網(wǎng)互動(dòng)能夠使能量流在子網(wǎng)之間雙向互通、協(xié)同互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域間能量的二次均衡，削弱波動(dòng)性與間歇性，最大限度的實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)能源的綜合利用，減小主網(wǎng)的調(diào)峰壓力。

(3)運(yùn)行模式

基于分層的能量管理系統(tǒng)(energy management systerm，EMS)通過綜合計(jì)量、總體配置、分層整合，逐層細(xì)化來簡化通信系統(tǒng)和控制管理系統(tǒng)，可以有效解決通信過程中的信息瓶頸以及優(yōu)化控制與自治控制的協(xié)調(diào)問題，并達(dá)到能量協(xié)調(diào)的整體最佳?？傮w方案如圖5所示。

孤島模式：

風(fēng)光等均采用MPPT控制，儲(chǔ)能裝置采用恒壓(恒頻)控制，以保證獨(dú)立運(yùn)行時(shí)母線電壓(頻率)恒定；只有ES檢測出MG母線電壓(頻率)偏差超出允許值時(shí)才主動(dòng)切換至互聯(lián)模式。

此種協(xié)調(diào)控制策略下，各PPI對(duì)所接設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集并發(fā)送給能源交換機(jī)DGI，DGI只需檢測MG的母線電壓(頻率)，結(jié)合所接收到的信息進(jìn)行能量協(xié)調(diào)優(yōu)化方案的實(shí)時(shí)計(jì)算并按照指令控制各能源接口，實(shí)現(xiàn)MG的最佳運(yùn)行。

互聯(lián)模式：

為了簡化控制策略的復(fù)雜性，避免同一ES在不同控制策略之間頻繁切換對(duì)電網(wǎng)造成的擾動(dòng)，能源交換機(jī)層采取主從控制，選擇容量大、出力較穩(wěn)定的子網(wǎng)或儲(chǔ)能電站作為主站并采用恒壓控制以穩(wěn)定ES層直流母線電壓，接于同一公共直流母線上的其它ES均采用控制子網(wǎng)母線電壓的下垂控制，在子網(wǎng)無力維持孤島運(yùn)行時(shí)提供電壓支撐。

單端供電模式和多端供電模式：

依據(jù)低壓直流母線從中壓直流母線獲得功率的途徑可分為兩種運(yùn)行模式：單端供電模式和多端供電模式。每條低壓母線均能通過兩種方式與能源路由器的電氣端口進(jìn)行能量交互：1)直接通過電氣接口、2)通過聯(lián)絡(luò)線及其它母線間接與電氣接口交互。只通過其中一種方式進(jìn)行交互的稱為單端供電模式；同時(shí)通過兩種方式進(jìn)行交互的稱為多端供電模式。

多端隔離模式：

當(dāng)MG互聯(lián)模式中某一低壓直流母線電壓難以維持在正常水平，而路由器層發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)群之間可以通過備用的聯(lián)絡(luò)開關(guān)和聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)低壓母線互聯(lián)，進(jìn)行能量協(xié)同互補(bǔ)，此時(shí)運(yùn)行在多端隔離模式(此種模式運(yùn)營成本較高，因此只在能源路由器層發(fā)生上述故障被完全隔離時(shí)采用)。

(4)算例分析

由于多端隔離模式和多端供電模式是在其它三種模式的基礎(chǔ)上通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)能源交換機(jī)層母線功率交互而得到的運(yùn)行模式，旨在進(jìn)一步提高能源子網(wǎng)的供電可靠性和穩(wěn)定性，因此本實(shí)施例只對(duì)孤島模式、互動(dòng)模式以及單端供電模式進(jìn)行Matlab/Simulink仿真，證明所提構(gòu)架及運(yùn)行方案的有效性。各個(gè)子網(wǎng)或儲(chǔ)能均以吸收功率為正。

1)孤島模式。

圖6表示交流子網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式。其中，在0.4s時(shí)設(shè)置擾動(dòng)，負(fù)荷功率由3kW增加到6kW左右。由圖可知當(dāng)負(fù)荷功率發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載電流發(fā)生相應(yīng)的變化，但依然能夠維持母線電壓恒定，說明在一定的源荷功率波動(dòng)范圍內(nèi)，子網(wǎng)在孤島模式下具備一定的自治能力，能夠保證區(qū)域內(nèi)負(fù)荷供電的穩(wěn)定性和可靠性。

2)互動(dòng)模式。

圖7為三個(gè)子網(wǎng)互動(dòng)模式的運(yùn)行特性。此模式中，子網(wǎng)1作為主站，與之連接的能源交換機(jī)采用恒壓控制，控制對(duì)象是在切入互聯(lián)模式時(shí)控制互聯(lián)母線電壓恒定；與其它子網(wǎng)相連的能源交換機(jī)則采用下垂控制，控制對(duì)象是該子網(wǎng)內(nèi)部母線電壓。

本實(shí)施例規(guī)定各子網(wǎng)電壓偏差超出10V則主動(dòng)切入互聯(lián)模式。仿真開始時(shí)各子網(wǎng)電壓均在允許范圍內(nèi)。0.2s時(shí)子網(wǎng)2由于光伏出力增加導(dǎo)致電壓上升至412V左右，此時(shí)經(jīng)由能源交換機(jī)智能能量管理系統(tǒng)(DGI)發(fā)送指令后立即切入互聯(lián)模式，同時(shí)主站投入，經(jīng)功率協(xié)調(diào)交換1000W功率后將電壓維持在403V左右。0.5s時(shí)子網(wǎng)2光伏出力減少，經(jīng)由能源交換機(jī)DGI系統(tǒng)預(yù)算并發(fā)送操作指令切入孤島運(yùn)行，電壓維持在396V左右。0.8s時(shí)，主站子網(wǎng)1光伏出力增加，導(dǎo)致母線電壓上升至411V，使得子網(wǎng)2和子網(wǎng)3同時(shí)切入互聯(lián)模式，將電壓維持在400V。圖7(d)表示三個(gè)子網(wǎng)間的交換功率。

由此可見，在子網(wǎng)超出自己調(diào)控能力時(shí)可以通過與其他子網(wǎng)投入互動(dòng)模式提高自己的供電可靠性，減小波動(dòng)的幅度和頻次，減小對(duì)大電網(wǎng)的擾動(dòng)以及傳輸功率的損耗。

3)單端供電模式。

當(dāng)互聯(lián)模式不足以平復(fù)分布式能源的擾動(dòng)時(shí)，就需要通過能源交換機(jī)與能源局域網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，實(shí)行“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑”的運(yùn)行機(jī)制。此模式能源路由器負(fù)責(zé)控制直流互聯(lián)母線電壓恒定。本實(shí)施例使用交流和直流子網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行驗(yàn)證。

本實(shí)施例采用的直流能源路由器是將10kV直流經(jīng)DC-DC環(huán)節(jié)變換為10kV-10kHz高頻方波，再經(jīng)高頻變壓器變換為400V-10kHz高頻方波，最后由DC-DC變換為低壓側(cè)400V直流電壓。驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。

圖9為單端供電模式運(yùn)行特性，0.15s之前直流子網(wǎng)電壓穩(wěn)定在400V，0.15s時(shí)由于光伏出力接近于0導(dǎo)致電壓嚴(yán)重跌落，在290V左右。在0.3s時(shí)將該子網(wǎng)與交流子網(wǎng)投入互聯(lián)模式，但只能將直流子網(wǎng)電壓提升至350V，而且導(dǎo)致交流子網(wǎng)自身電壓幅值跌落。在0.45s時(shí)投入能源交換機(jī)，切換至單端供電模式，此后兩子網(wǎng)電壓均恢復(fù)到額定值。