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能量路由器在电力物联网配网侧的应用分析

发布时间:2020-04-29 15:34内容来源:网络整理 点击:

  在电力物联网中,是充分运用现代信息技术和移动互联网、人工智能等先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联和人机交互的智能服务系统,具有状态感知全面、信息处理高效、应用方便灵活的特点。以电力系统为核心的能源链配电网侧现有接入设备主要包括不可控负荷、可控负荷、新能源发电设备(光伏发电、风力发电等)、柴油发电机、电动汽车等。

  传统的无源响应配电网和传统的电力设备技术形式已经不能满足负荷侧多能源、多负荷的发电和配电需求,也不能满足人们对高质量电力的需求。为了实现多属性能源和多属性负荷与主电网的灵活、协调、统一、高效连接,研究如何高效、主动、智能、灵活、深入地感知和综合分析能源解决方案或智能装置具有重要的现实意义主网与配电网侧设备之间的互联和信息交换。

  能量路由器是以电力电子技术和自动控制技术为关键技术,联合能源互联网技术衍生出来的核心装备。能量路由器又叫直流变压器、电力电子变压器、固态变压器,是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。

  它不仅具有常规变压器变压、隔离、能量传递等功能,而且具备电压可调节、功率流可灵活控制的特点,以实现电能的主动控制和分配,还具备电能质量监测与调节等常规变压器不具备的功能。能量路由器相对于常规变压器的应用场景也更加广泛,如交直流混合微电网、新型数据中心、电力机车供电系统和制动能量回馈系统、多端柔性直流配电网侧等应用场景。

  目前,能量路由器主要应用于10kV及以下中压配电网侧。中压配电网处于系统电网下游,是连接终端电力用户和大电网的桥梁,直接关系到用户用电的电能质量和供电可靠性。在配网规划、设计中,电网网架结构的选择直接决定工程的经济性和电网供电的可靠性。能量路由器依据现有配电网络、新旧负荷类型和应用场景,分为双端口形态结构、三端口形态结构和多端口形态结构等类型。

  双端口型能量路由器一般分为AC 10kV~AC 380V、AC 10kV~DC ±375V、DC ±10kV~AC 380V、DC ±10kV~DC ±375V四种电压等级和四种形态结构;三端口型能量路由器一般分为AC 10kV~AC 380V~DC ±375V、DC ±10kV~±375V三种电压等级和两种形态结构;多端口型能量路由器当前有AC 10kV~DC ±10kV~AC 380V~DC ±375V四种电压等级一种形态结构。

  对于一般形式的配电网络而言,双端口型能量路由器和三端口型能量路由器完全够用,只有在特定场合或者特定用电区域,多端口、多形态结构根据现场情况可以灵活配置。以上几种电压等级和形态结构的能量路由器在不同的中低压配电站依据现场布置和配置方式择优选取,但是都必须满足现有泛在电力物联网配电网侧高效、主动、智能、柔性、深度感知、全面解析主网络与配网侧设备的能量互联、信息互通等新一代配电网络的发展需求。

  当前为了实现智能微电网与大电网协同接入、和谐交互,通常将分布式电源通过逆变器逆变为交流电接入系统交流母线,电池单元也经过双向变流器逆变为交流电接入系统交流母线,逆变器等并网设备虽然在技术层面一定程度上解决了分布式电源接入难的问题,但是大量的逆变装置和智能微电网控制器会带来大量谐波电流,并使系统功耗增加,引起配电、监控、保护等方面的问题,这无疑增加了其建设成本和建设周期,增加了维护成本。

  为了实现微电网与大电网的柔性接入与智能管理,多端口能量路由器兼具能量管理、柔性接入、深度感知、调节电能质量、全网络信息互联互通等优势,合理解决了微电网与大电网之间电网络互联、信息互联互通等问题。

  随着各种行业数字化转型进入加速期,全球进入数字经济时代,支持数字经济发展的新技术也在不断涌现。云计算、人工智能、区块链、物联网、边缘计算与5G都将深刻影响未来产业的发展。信息系统的市场应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,大型数据中心的电力扩容需求日益增加,对大型数据中心供配电稳定性的要求也不断提高。

  目前,大型数据中心供配电系统架构主要由市电(10kV、110kV)、高压变配电系统、后备柴油发电机系统(10kV、400V发电机组)、市电/备用电源自动转换系统(中压切换、低压切换)、低压配电系统(低压配电、楼层配电单元)、不间断电源(uninterruptible power supply, UPS)系统(UPS、240V、48V系统等)等模块组成。

  大型数据中心变配电系统前端基本全部采用交流输电、交流配电方式,其在最终用电设备侧需要配置AC/DC装置将市电(包括备用UPS)逆变为DC 240V或者DC 24V或者DC 12V供数据中心核心设备使用,这样无疑增加了投资成本和电力传输损耗,而且在大型数据中心分布式引入多种AC/DC逆变装置,给供配电系统运行维护也带来诸多不利因素。

  再者,随着新型数据中心的要求不断提高,信息设备功能越来越强,功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台,提高到3kVA/台、4kVA/台,甚至更高;机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA每平方,提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方,甚至更高。数据中心用电负荷的统计应分为两个层次,即UPS供电系统负荷(输出)和市电供电系统负荷。

  目前,为解决上述问题:①大数据中心核心设备积极采用新的供电方式,进一步降低供电损耗;②由于中高压直流输电和供电系统在投资成本、系统效率、占地面积等方面的优势。,与交流供配电和交流备用UPS相比,将得到大规模推广应用。基于以上考虑,能量路由器不仅可以为大型数据中心供配电系统提供大容量灵活的直流供配电方案,而且可以提供高可靠性的供配电方案,减少原有交流输变电系统的许多变电环节,减少设备配置和投资,具有较大的优势。

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