多能形式能源路由器的能量流動研究

李鵬飛張延遲張 倩宋悅琳

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海 閔行200240)

0 引言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1-2]。隨著風(fēng)能、太陽能等多種新型可再生能源占比不斷提升,專家學(xué)者提出了能源互聯(lián)網(wǎng)概念,這也被稱為第三次工業(yè)革命核心之一。能源互聯(lián)網(wǎng)主要包括能源路由器、電源、通信系統(tǒng)、變流裝置以及負(fù)載等,而能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝置[3-5]。能源路由器是仿照信息互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備路由器,因此得名能源路由器,是完成能源互聯(lián)網(wǎng)中能量與信息交互的主要設(shè)備[6-8]。為適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的各項復(fù)雜要求,基于電力電子變換等技術(shù)的能源路由器也成為研究的重點。

2004年《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》首次提出能源互聯(lián)網(wǎng)的概念,提出建設(shè)一個相對自動化、智能化和自愈化的新型能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以應(yīng)對電網(wǎng)的復(fù)雜性,使能源互聯(lián)網(wǎng)開始在世界范圍內(nèi)引起關(guān)注[9]。文獻(xiàn)[10]介紹美國北卡羅萊納州立大學(xué)啟動“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)項目(the future renewable electric energy delivery and management,freedom)”,該項目主要研究智能化的配電系統(tǒng)以及分布式儲能的并網(wǎng)等,提出AC/DC/AC三級結(jié)構(gòu)能源路由器,內(nèi)部采用級聯(lián)形式,可支持多種電壓等級,能夠有效支撐高滲透率分布式可再生能源接入。文獻(xiàn)[11]介紹德國聯(lián)邦政府和技術(shù)部發(fā)起E-Energy項目,項目主要提出在雙向能源系統(tǒng)應(yīng)用信息與溝通技術(shù),輔助能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、應(yīng)用和儲存等,實現(xiàn)高效化、精確化與智能化的能源交互。但以上傳統(tǒng)能源路由器主要以電能為主,能量傳遞形式單一,能量傳遞過程相對模糊。

考慮現(xiàn)代能源的多樣性,本文給出多能形式能源路由器的結(jié)構(gòu),并將其劃分為能量層、信息層和服務(wù)層進(jìn)行分析,再拆分出最小形式的多能形式能源路由器,對最小多能形式能源路由器結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,研究其能量流向及能量傳遞過程,最后通過仿真分析,研究運行的穩(wěn)定性與傳輸效率等。

1 典型多能形式能源路由器

能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ),是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中技術(shù)融合與能量管理的重要設(shè)備,將能量層、信息層和服務(wù)層連接到一起。多能形式能源路由器能夠?qū)崿F(xiàn)整個能源網(wǎng)絡(luò)的廣泛互聯(lián),包括傳統(tǒng)集中式供電,如大型水電廠、火電廠、核電廠等;新型分布式能源,如風(fēng)電場、光伏電站等,小型園區(qū)、樓宇、用戶等的能源生產(chǎn)和消費;不同形式能源,如冷、熱、氣等能源生產(chǎn)與消耗。多能形式能源路可以使能源互聯(lián)網(wǎng)中不同形式的能源進(jìn)行交流互補,包括能源間的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、存儲等,有機(jī)結(jié)合能源的生產(chǎn)與消費環(huán)節(jié),同時可以進(jìn)行相互通信,實現(xiàn)能源管理控制的智能化。最終實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費的高度靈活性,使能源生產(chǎn)商、分布式發(fā)電、網(wǎng)絡(luò)運營商及用戶等的即時協(xié)作,使能源服務(wù)精準(zhǔn)及時,極大滿足現(xiàn)代社會的能源生產(chǎn)消費需求。

典型的多能形式能源路由器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,多能形式能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)能量與信息交互的主要設(shè)備,可以實現(xiàn)多種能源與用戶之間的能量和信息交換。以下對能源路由器涉及的能量層、信息層和服務(wù)層進(jìn)行具體分析。

1.1 能量層

能量層主要指能源路由器應(yīng)用過程中涉及的各種形式的能源及在能源應(yīng)用過程中需要的設(shè)備等。以傳統(tǒng)的熱網(wǎng)、電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等為代表,以新型的波動式能源(光伏、風(fēng)能等)為補充,涵蓋整個能源網(wǎng)絡(luò);其次為能源應(yīng)用的各種設(shè)備,包括氣熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備,氣熱轉(zhuǎn)換設(shè)備、熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備、氣電轉(zhuǎn)換設(shè)備及AC/DC、DC/DC、DC/AC、廣義電能轉(zhuǎn)換設(shè)備等;同時能源的使用也少不了儲能設(shè)備的協(xié)助,儲氣設(shè)備、儲熱設(shè)備、儲電設(shè)備也是能量層的重要組成,設(shè)備的使用與能量的轉(zhuǎn)化同樣需要控制系統(tǒng)的管理,能源路由器的內(nèi)部管控系統(tǒng)也是能量層與信息層連接的基礎(chǔ)。

1.2 信息層

圖1 多能形式能源路由器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Multi-energy form energy router structure

信息層是整個能源路由器管控系統(tǒng)與提供服務(wù)的主要依據(jù)。能源路由器信息層主要包括外部數(shù)據(jù)與控制信號及能源路由器內(nèi)部信息處理系統(tǒng)。外部數(shù)據(jù)與控制信號主要包括用戶數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制信號、產(chǎn)能數(shù)據(jù)、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等,這些外部數(shù)據(jù)是能源路由器分析能源轉(zhuǎn)換和傳遞需求的主要參數(shù);內(nèi)部信息處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)與分析處理中心、數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)及數(shù)據(jù)安全系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)能量快熟、準(zhǔn)確、高效的傳遞與應(yīng)用。

1.3 服務(wù)層

服務(wù)層是面向用戶的最直接的應(yīng)用層次,是整個能源路由器連接用戶與能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,服務(wù)的優(yōu)劣程度極大影響用戶對設(shè)備的需求度。能源路由器的服務(wù)層主要為能源路由器提供服務(wù)項目,包括能量優(yōu)化、風(fēng)險評估、需求側(cè)管理、輔助分析決策及能源網(wǎng)路路徑最優(yōu)搜尋等,服務(wù)項目依據(jù)用戶的需求提供最為優(yōu)質(zhì)的參考,服務(wù)層通過應(yīng)用接口與外部連接,結(jié)合能量層的能量傳遞與信息層的數(shù)據(jù)分析,共同為用戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2 最小多能形式能源路由器

2.1 最小多能形式能源路由器結(jié)構(gòu)

多能形式能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)中各類能源交互的重要設(shè)備,電—熱—氣綜合能源系統(tǒng)是現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,這類系統(tǒng)通常由一個區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)、熱網(wǎng)系統(tǒng)、氣網(wǎng)系統(tǒng)及多形式能源轉(zhuǎn)化設(shè)備構(gòu)成,而這些多形式能源轉(zhuǎn)化設(shè)備就是最小的多能形式能源路由器。

最小的多能形式能源路由器由以下設(shè)備構(gòu)成：能源網(wǎng)絡(luò)中氣網(wǎng)(天然氣、H2等)、熱網(wǎng)、電網(wǎng)、波動式能源,能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中的混氣室、氣熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備、氣電轉(zhuǎn)換設(shè)備(電解水裝置)、熱電轉(zhuǎn)換裝置(電鍋爐)、電能轉(zhuǎn)換設(shè)備(電力能源路由器),儲能設(shè)備中的儲氣設(shè)備(天然氣、氫氣儲存)、儲熱設(shè)備(保溫水箱)、儲電設(shè)備(儲能)。將上述多能形式的能源路由器結(jié)構(gòu)展開,可得到如圖2的能源路由器及其端口展開圖。其中,電力能源路由器作為整個能源路由器的核心器件,包括多個電端口、內(nèi)部整流橋、n級固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)、m級模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)。

2.2 電力路由器結(jié)構(gòu)

由于各電路中使用較多的電力電子器件,為增加系統(tǒng)整體耐壓性,電力能源路由器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用級聯(lián)的形式,整體電路如圖3所示。若為交流輸入,電能由整流橋進(jìn)入,整流成為直流電,經(jīng)過SST的DC/DC變換,經(jīng)MMC供給負(fù)載;直流輸入可直接進(jìn)入級聯(lián)SST,再經(jīng)過一系列變化供給負(fù)載,另外,整個電力路由器電路設(shè)計為雙向型,即能量既可以正向流動,也可以反向流動,使電力路由器靈活便捷,充分滿足各種類型的能源供應(yīng)需求。

圖2 最小多能形式能源路由器結(jié)構(gòu)Fig.2 Minimum multi-energy form energy router structure

圖3 電力能源路由器內(nèi)部級聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal cascade structure of power energy router

3 最小多能形式能源路由器能量流向

能源路由器的能量轉(zhuǎn)化過程是能源路由器運行的重點,多能形式的能源路由器通過端口可進(jìn)行內(nèi)部能量變換及內(nèi)外能量交換,能量交換過程中能量的流向是能源路由器運行的重要標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖2最小的多能形式的能源路由器結(jié)構(gòu)圖,多能形式能源路由器的能量主要包括：氣體能量、電能、熱能,電能主要包括ET1(氣熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能)、ET2(電解水消耗電能)、ET3(電網(wǎng)電能)、ET4+i(波動式能源電能)、ET5+j(儲能電能)。能量流動過程中即為各種類型的能源相互轉(zhuǎn)化,能量相互傳遞的過程,能量流動過程涉及各種物理化學(xué)變化,其中所涉及的物理量及其表示符號如圖2所示。根據(jù)圖2,若以電網(wǎng)為基礎(chǔ)約束條件,將能源路由器能量流向分為向電網(wǎng)供電和從電網(wǎng)購電兩大類,對這兩類情況下端口能量流向進(jìn)行以下分析。

3.1 向電網(wǎng)供電時端口的能量流向

根據(jù)最小多能形式能源路由器結(jié)構(gòu)及端口能量流動方向,可得到多能形式能源路由器向電網(wǎng)供電時能量流向的具體方式如表1所示。

表1 向電網(wǎng)供電時端口能量流向Table 1 Port energy flow when powering the grid

3.1.1 方式Ⅰ能量流向

采用方式Ⅰ時,首先為氣體能量直接傳遞,其中氣體焓值H為

式中：Uh為系統(tǒng)內(nèi)能,kJ;p為計算焓值時氣體對應(yīng)壓強(qiáng),Pa;v為計算焓值時氣體對應(yīng)體積,m3。

工程中,空氣的焓值是指空氣中含有的總熱量,通常以干空氣的單位質(zhì)量為基準(zhǔn),稱作比焓,是指1 kg干空氣的焓和與它相對應(yīng)(1 kg干空氣中含有)的水蒸氣的焓的總和,則空氣的比焓值h為

式中：t為空氣溫度,℃;d為空氣的含濕量,kJ/kg[11]。

氣熱電轉(zhuǎn)換燃燒室模型質(zhì)能平衡模型如圖4所示。

圖4 質(zhì)能平衡模型Fig.4 Mass energy balance model

根據(jù)質(zhì)量平衡得

式中：Gcb-out為燃燒室出口燃?xì)饬髁?kg/s;Gcb-in為燃燒室進(jìn)口空氣流量,kg/s;Gf為燃燒所需燃料流量,kg/s。

根據(jù)能量守恒定律,燃燒室輸出能量Eg為

式中：h3為燃燒室出口空氣比焓值,kJ/kg;h2為燃燒室進(jìn)口空氣比焓值,kJ/kg;hf為燃料本身比焓值,kJ/kg;eLHV為燃料的低位熱值,k J/kg;ηb為燃料的燃燒效率。

燃燒室燃燒產(chǎn)生的能量可用于汽輪機(jī)的驅(qū)動,則汽輪機(jī)的輸出功率為

式中：hst.c為汽輪機(jī)出口蒸氣比焓值,kJ/kg;αrh為有再熱情況下的再熱蒸汽份額;Δhrh為再熱蒸汽再熱前后的焓差,kJ/kg;hst.j為第j級抽汽焓值,kJ/kg;αj第j級抽汽份額。

汽輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能可通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率為η1,則氣熱電轉(zhuǎn)換裝置工作時ET1能量輸入為

式中η1為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率。

輸入熱網(wǎng)的能量

然后電力路由器將電能通過ET3輸送到電網(wǎng),傳遞效率為η3o,則傳入電網(wǎng)的能量

聯(lián)立式(2)—(8),可以得到方式Ⅰ能量傳遞方程。

3.1.2 方式Ⅱ—Ⅵ能量流向

采用方式Ⅱ—Ⅵ時,由氣網(wǎng)到電力能源路由器內(nèi)能量變換如方式Ⅰ,方式Ⅱ加入儲能向能源路由器輸入電能,輸入效率為η4i,則傳入電網(wǎng)的能量為

方式Ⅲ電力能源路由器向儲能輸出電能,輸出效率為η4o,則傳入電網(wǎng)的能量為

方式Ⅳ加入波動式能源向電力能源路由器輸入電能,輸入效率為η5,則傳入電網(wǎng)的能量為

方式Ⅴ加入儲能向能源路由器輸入電能,同時波動式能源向電力能源路由器輸入電能,則傳入電網(wǎng)的能量為

方式Ⅵ電力能源路由器向儲能輸出電能,波動式能源向電力能源路由器輸入電能,則傳入電網(wǎng)的能量為

將式(2)—(7)分別與式(9)—(13)聯(lián)立最終可得方式Ⅱ—Ⅵ的能量傳遞方程。

3.1.3 方式Ⅶ—Ⅹ能量流向

采用方式Ⅶ—Ⅹ時,去除氣網(wǎng)經(jīng)過氣熱電轉(zhuǎn)換裝置流向電網(wǎng)和熱網(wǎng)的能量,其余能量流動方式與前面類似,因此去除所有熱能傳遞過程及其方程,則可得到方式Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ的能量流動方程為式(8)(9)(10);方式Ⅹ只有波動式能源發(fā)電送到電網(wǎng),因此其能量流動方程為

3.2 從電網(wǎng)用電時端口的能量流向

其次研究從電網(wǎng)用電時能源路由器端口能量流動,此時多能形式能源路由器所有端口能量流向如表2所示,從表2知,從電網(wǎng)用電時能源路由器端口能量流動方式有26種。

表2 從電網(wǎng)用電時端口能量流向Table 2 Port energy flow when using electricity from the grid

3.2.1 方式1能量流向

采用方式1時,電網(wǎng)向電力路由器輸入電能,輸入效率為η3i,則電網(wǎng)輸入電力路由器的能量為η3iEe3,電力路由器將電能輸往電解水裝置,輸出效率為η2,則輸往電解水的電能為

根據(jù)電勢能與電荷的關(guān)系,可得該電能所含電荷量Q為

根據(jù)電解水法拉第效率公式,可得電解水產(chǎn)生H2的體積V為

式中：ηFE為法拉第效率;Vm為25℃下氣體摩爾體積;n為析氫時反應(yīng)方程式轉(zhuǎn)移電子數(shù),取值為2;F為法拉第常數(shù),取值為96 485.3。

聯(lián)立(15)—(17),得方式1電解水體積。

3.2.2 方式2—20能量流向

采用方式2—20時,其中方式2—10均不包含電網(wǎng)向熱網(wǎng)輸送能量,電能消耗主要用于電解水,用于電解水的能量取決于電網(wǎng)輸入、波動式能源輸入、儲能輸入或消耗,則其用于電解水的能量分別為：

將式(16)(17)分別與式(18)—(26)聯(lián)立可得方式2—10的電解水體積。方式11—20電解水過程如方式1—10,另加入電網(wǎng)向熱網(wǎng)能源傳遞,電鍋爐轉(zhuǎn)化效率為ηh,則電網(wǎng)熱量為

與方式1—10方程聯(lián)立可得方式11—20電解水體積及能量流動方程。

3.2.3 方式21—26能量流向

當(dāng)為方式21—26時,電能不再作用于電解水,只用作儲存或向熱網(wǎng)供應(yīng),則對應(yīng)的能量流動方程為：

然后對應(yīng)加入向熱網(wǎng)的能量傳遞方程式(27),可得方式22、24、26的能量傳遞方程。

4 仿真測試

為驗證最小多能形式能源路由器的能量流動過程,通過搭建仿真系統(tǒng)來驗證,仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真測試模型Fig.5 Simulation test chart

為確保研究的通用性,以向電網(wǎng)供電時方式Ⅵ為例,能源路由器有以下兩種形式的輸入：(1)氣熱電轉(zhuǎn)換熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備將電能輸入能源路由器;(2)波動式能源風(fēng)力發(fā)電設(shè)備將電能輸入能源路由器。

同時時能源路由器有兩種形式的輸出：(1)儲能設(shè)備正在進(jìn)行儲能;(2)能源路由器將剩余的能量發(fā)往電網(wǎng)側(cè)供給用戶。各部分的功率如圖6所示,則整體傳遞效率為：

式中：Pa、Pb、Pc、Pd分別為圖6對應(yīng)圖片穩(wěn)定時功率。

圖6 各端口功率Fig.6 Port power

由圖6可得出,能量內(nèi)部流動的方式如下：氣熱電轉(zhuǎn)換熱電聯(lián)產(chǎn)輸入的功率,通過整流橋向后傳遞,同時加入了波動式能量,能量進(jìn)入SST-MMC模塊往后傳遞。隨后一部分能量用于低壓直流輸出端口的儲能設(shè)備充電,最后剩下的所有能量傳遞至電網(wǎng)側(cè)。電網(wǎng)輸送能量的整體傳遞效率高達(dá)98.85%,整個系統(tǒng)在0.08 s之后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)反應(yīng)時間較快,符合實際的需要。

5 結(jié)論

本文將其劃分為能量層、信息層和服務(wù)層三大塊,分別對個層次所包含的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹,再拆分出最小多能形式能源路由器,對其內(nèi)部構(gòu)成進(jìn)行分析介紹,然后對最小多能形式能源路由器內(nèi)部能量流動情況進(jìn)行分析,給出詳細(xì)能量流動方式,能源路由器中能量能夠?qū)崿F(xiàn)多向流動,最后對能源路由器的能量流進(jìn)行相應(yīng)測試,通過測試,能源路由器能量傳遞效率較高,穩(wěn)定性較好。