摘要

近年来，大量的可再生能源和直流负载的出现成为未来电网的研究热点，也被称为能源互联网。为了实现这种对新能源范式的根本性创新，许多设备将被设计、制造和评估。在本文中，我们描述了一种基于固态变压器的能量路由器，它可以将输入的能量流量转换和路由到输出的能量流量。特别是，我们专注于这种路由器的架构设计，以及能源局域网络(ELAN)的能源存储设备、发电机和负载模型。该能源路由器具有即插即用的多输入多输出(MIMO)特性和定制化操作系统，为能源路由器的优化设计和性能分析提供了系统级建模。

1.INTRODUCE

根据美国能源情报署的数据，美国的总电能消耗约为11万亿千瓦时[1]。大部分电能由不可再生和非环保的化石燃料产生，造成的二氧化碳排放量约占全球温室气体排放量的22%至24%[2]。近年来，越来越多的住宅级可再生能源和直流负载，如LED (lightemitdiode)灯和电动汽车(EV)连接到电力系统，以节约能源和减少二氧化碳排放[3]。因此，分布式可再生能源(DRERS)、分布式能源存储设备(DESDS)和新兴直流负载的大规模集成，需要从传统电网向智能电网进行革命性的范式转变。因此，受信息互联网发展的启发，未来可再生电力能源交付与管理(FREEDM)中心提出了“能源互联网”概念，可能最终将电力和能源行业从目前的集中式主机转变为基于客户的分布式电力基础设施，如容纳无数的个体用户和新兴的直流负载，进一步允许客户自由、可靠地交换能源[1]、[4]、[5]。

从广义上讲，目前针对能源互联网(又称“智能电网”)的研究工作主要分为三大类:

1)硅基固态变压器(SST)的设计与开发;

2)微网控制策略之实用连接模式或孤岛模式;

3)标准化变电站[6]、[7]的标准化软件和通信平台。

大部分工作都集中在第一代硅基固态变压器的设计和研制上，由FREEDM系统中心[8]-[13]进行讨论。随着高压、高频SiC MOSFET和IGBT器件的实现，设想的SST原型可以提供双向的能量流控制能力和完善的电能质量，进一步成为分布式可再生资源与电网的接口。利用传统的电力自动控制理论，对微电网的控制技术和运行仿真进行了大量的研究。然而，这些技术缺乏灵活性，因为它们没有考虑到潜在的可再生能源资源和能源管理政策。最近，根据IEC 61499标准和IEC 61850提出了一种用于[18]变电站分布式和嵌入式应用的通信平台，该平台用于实现FREEDM系统中的分布式电网智能，可以被视为未来能源互联网的能源广域网(EWAN)的原型。在通往能源互联网的道路上，FREEDM系统中心专注于革命性的系统理论发展，使能信息和通信技术的应用，以及先进电力半导体和电子产品的开发，以及电池技术。具体而言，我们的目标是实现能源互联网的以下目标:

一，设计和实现一种革命性的能源路由器架构，使它们可以接入多种能源资源和负载，并向未来的能源互联网互连。

二，开发基于开放标准的即插即用接口规范，以适应多种接入技术，包括WiFi、ZigBee、以太网和3G蜂窝系统。

三，为能源路由器设计一种新的轻量级操作系统，结合了功率转换控制技术和能源管理策略。

能源互联网的预期目标转移到能源路由器的相同愿望。拟建能源路由器的预期功能如下:

i)整合多个分布式可再生能源，解决传统能源短缺、能源需求增加甚至环境问题加剧带来的能源危机;

ii)是充分提高电网效率通过智能能源路由器实现可再生能源的利用和DRERS、desd和负荷的优化管理;

iii)为未来电力和可再生能源的开放市场提供灵活的能源互联网。

虽然基于固态变压器的微电网[19]、[20]以及智能微电网分布式操作系统[21]的架构已经取得了很大的进展，但对于基于固态变压器(SST)的能源路由器却鲜有人关注。因此，在本文中我们着重探讨了三个具体问题，这也可以看作是我们的贡献。首先，我们以信息技术为类比，建立构建能源互联网的能源路由器的定义和假设，以及输入资源和输出负载。其次，我们提出了一个能源路由器的架构，在能源路由器和即插即用的输入和输出之间有特定的通信架构，这也被称为通用的最终用户，在整个论文中，因为每个用户可能是一个能源输入，或输出，甚至两者都是。最后，对不同终端用户的潜在能源流量进行建模，为未来能源路由器性能和优化设计的研究奠定基础。本文的其余部分组织如下。在第二节中，我们从信息技术的角度描述了能源互联网和能源路由器的定义。在第三部分中，我们提出了一种未来的能源路由器架构，并讨论了设计问题。为了进一步分析能源路由器的性能，我们在第四节基于三种资源和负载的测量数据推导出了最终用户的通用流量模型。最后在第五节对本文进行总结。

2.能源互联网和路由器的定义

能源互联网可能是单一的、全球性的网络能源网络，通过能源路由器与其他网络能源网络互联，终端用户可以在网络能源网络中灵活地交换能源。能源互联网有两个关键的、前所未有的元素:

1)终端用户，即一台可以通过编程来操纵电能的产生、储存或消耗，并与他人就能源交换进行沟通的机器;

2)能源路由器，这是一种基于sst的新型机器，通过即插即用界面实现智能能源设备的能量交换，简化和通用操作，以及一个开放标准的分布式电网智能(DGI)操作系统，优化能源管理。

终端用户(这一块还需了解)

智能终端用户分为DRERS、DESDS和负载三种类型。具体来说，DRERS终端用户可以快速、精确和可靠地执行复杂和重复的能源产生和转换程序。另一方面，负荷终端用户可以执行复杂的和定制的能源消耗，因为消费者将能够优化他们的使用，包括远程控制电子电器和可再生能源的交易。此外，DESDS终端用户可以进行复杂和周期性的能量储存和发电。

能源路由器

能源路由器作为最重要的部件之一，必须能够实现即插即用的通信协议，高质量、高可靠性的任意调节潮流，控制功率均衡，实现能源管理应用软件和通信功能。

能源互联网

回顾网络与信息技术研究与发展(NITRD)计划中对“互联网”的定义，我们对“能源互联网”的定义进行了解释，它指的是全球能源系统，即:

(i)基于能源协议(EP)或其后续扩展/后续，由全球唯一的地址空间逻辑连接在一起;

(ii)能够使用特定的能源传输控制协议(ETCP)/能源协议(ETCP/EP)套件和/或其他与EP兼容的协议支持能源和信息通信;

(iii)能够提供或使公众或私人获得基于本文所述通信和相关基础设施分层的高水平能源服务。

与互联网(提供计算机之间的连接的全球数据通信系统)类似，能源互联网有望成为一个全球能源系统，在DRERS、DESDS和负载之间提供能源连接。因此，能源互联网异质性极强，具有多样化的延时要求、电压和功率特性，才能提供实时、可靠的能源交付。与TCP/IP类似，能量传输控制协议将能量转换成特定的格式，并在更高一层的能源互联网上传输。较低层的能源协议处理能源互联网设备的地址部分。不幸的是，目前的电力和电子技术不能像信息包那样将电力转换到特定负载。因此，在设想的能源路由器中，电力是通过稳定的共享总线交换的。

在能源互联网的核心，能源路由器是一种电力网络设备，它可以与所连接的多个终端用户(如DRERS、DESDS、负载)和其他对等点进行通信，以有效地交换正确频率的电能电流和电压，无论是直流电(DC)或交流电(AC)。如图1所示，由一个能源路由器和它所连接的多个终端用户组成的网络被称为能源局域网络(ELAN)。此外，多个ELAN可以配置为一个能源广域网(EWAN)，能源路由器可以通过能源互联网在ELAN中连接的终端用户之间交换能源。

此外，能源路由器预计具有以下功能:

1)通过设计实现多个终端用户之间的双向高质量电能转换;

2)即插即用接口使用能源通用即插即用(UPnP)，由于转换器[8]的大输入控制带宽，终端用户可以通过共享的400V直流或120V交流母线无缝连接到电网;

3)在ELAN, EWAN，甚至能源互联网上的最佳能源管理。

为了实现这些目标，能源路由器不仅需要提供通信和能量流动路径，还需要对潮流进行必要的转换和路由，使最终用户之间可以通过共享的400V DC或120V AC母线进行能量交换。此外，能源路由器可以以这样的方式运行:接收来自一个终端用户的业务请求，搜索需求与供应表中列出的实时业务伙伴，然后通知该业务伙伴，为他们建立电力流连接。此外，他们还需要以完善的电能质量和稳定性来维持交易，并在业务关闭后清除潮流连接[22]。交易过程可以是能量转换或转发，或者两者兼而有之。

设想的能源路由器也有三种工作模式:并网模式、EWAN隔离模式和ELAN隔离模式。更重要的是，它可以通过执行不同的控制策略[1]、[19]、[20]，在三种运行模式之间提供平滑、不间断的切换

值得注意的是，与能源互联网类似但不同的概念是微电网，它被定义为一组本地化的电源和负载，通常与传统的中央电网(宏观电网)连接并同步运行，但可以根据物理和/或经济条件[23]断开并自主运行。微网和能源互联网的目标都是将DERES和DESDS整合到传统电网中，它们的运行和控制是确保电网安全稳定的关键。显然，能源路由器及其附属终端用户可以被视为一个微电网，然而，基于SST的能源路由器的特定通信基础设施和单片设计提供了更灵活和高效的能源管理场所。

3.能源路由器的架构设计

在本节中，我们分别对能源路由器和终端用户提出了独特的设计要求。然后我们描述了能源路由器的架构和不同的终端用户。并对这种设计进行了讨论。

3.1 能源路由器的设计要求

如前一节所述，能源互联网引出了几个基本的设计要求，如下:

1)能源路由器可接入电力系统配电级的7.2kV交直流配电母线，通过调节交直流低压母线、高压侧电压凹陷穿越、功率因数校正、谐波消除、负荷侧故障限流[1]等电能转换和管理功能，提供调节后的400V直流母线或120V交流母线，或同时提供调节后的接近完美电能质量的母线。（电力电子技术）

2)能源路由器还提供双向电力流，这样来自可再生资源的能源可以卖回给公用事业公司或其他客户。（能源交易技术）

3)能源路由器配备辅助供电结构。能源路由器必须作为一个独立的单元运行，它必须能够从12kV的交流/直流配电总线或作为源端的400V直流电源启动，因为我们认为基于sst的能源路由器可以部署在能源互联网上，既可以是独立的，也可以是互联的。

4)能源路由器具有多个可识别即插即用接口，可使用400V直流总线或120V交流总线，一旦连接到能源互联网，任何终端用户都可以立即识别，并自动进行通信。这些物理电源接口应该是通用的和标准化的。(通信技术，我要做的)

5)能源路由器拥有一个轻量级的基于开放标准的操作系统，能够支持高质量的实时功率转换、能源路由器之间的通信、即插即用接口管理、状态采集、ELAN内部的功率均衡管理、故障检测以及通过共识分布式控制算法与其他能源路由器进行能量优化管理。（操作系统，我要做的）

6)终端用户还应该托管一个自定义的微操作系统，就像手机一样，能够识别插拔操作，并向能源路由器报告其实时状态信息，并自动接收能源路由器的调度要求。（终端部分操作系统）

3.2 体系结构描述（重点）

基于上述设计需求，我们提出了针对能源路由器和不同终端用户的架构，如图2所示。在这样的架构中，一般的终端用户需要具有控制和通信双重功能的控制器、相应的功率变换器和能源设备(如发电、消费或存储设备)。另一方面，能源路由器由系统控制器、电网适配模型、400V直流稳压母线和由插座和断路器组成的多个基于标准的接口四部分组成。这种架构设计具有高质量的电源转换，即插即用的MIMO接口，以及单片定制操作系统。

下面，我们将从用户界面到系统控制器描述能源路由器的架构。首先，多个基于标准的接口和断路器。其额定电压可达400V DC，最大电流可达400V

DC，甚至还有插座和断路器的制造规格。其次，采用400V直流稳压母线连接终端用户。有一个电容来维持400V电压水平。第三，首先将能源路由器接入电网，使其存在电网自适应模块，将7.2kV交流电源转换为400V直流稳压母线。自适应并网模块由高压传感器、7.2kV交-10kV直流整流器、10kV DC- 400v直流变换器和辅助供电系统组成。该模块具有独立能源路由器设备供电和其他ELAN连接接口的双重功能。在该模块中，7.2k交流到10k直流整流具有高压、高频工作、双向功率转换、单位功率因数等特点。15kV SiC MOSFET和IGBT的研制将使高压高频10kV DCto-400V直流双向变换器具有稳定的400V直流母线，大大减小10kV DCto-400V直流变换器的体积。辅助电源模块由7.2kV交流、400V直流转换为24V直流，为能源路由器单独供电。需要注意的是，FREEDM的研究人员在固态变压器的研制上投入了大量精力，一旦15kV SiC MOSFET和IGBT研制成功，将达到前三项设计要求。

事实上，能源路由器和终端用户的体系结构设计在很大程度上依赖于它们之间的通信体系结构，用于对能源的时变转换和调度进行监控和控制终端用户。所提出的通信体系结构不仅要求系统控制器托管一个新的操作系统，该操作系统能够支持由电力运行的时间敏感特性驱动的实时监控功能。此外，它还可以作为通用即插即用的控制器，从而与所连接的终端用户进行通信。特别是通过WiFi、ZigBee、光纤等通信技术，对所连接的终端用户进行功率平衡管理，并与其他能源路由器进行电能交换。

c .讨论

能量路由器的设计原则在于三个方面:

a)瞬时功率平衡，

b)稳定性，

c)运行约束。

由于ELAN中的许多应用(如监控、控制和继电保护)都是面向延迟的，且有严格的时序要求，因此延迟应该是ELAN通信体系结构设计的主要性能指标。与现有的通信控制双板框架[24]、[25]相比，能量路由器的单片设计结合了对功率器件、通信功能的物理控制，并通过特定的操作系统进一步优化能量，减少了消息传递过程，显著提高了延迟性能。从而进一步保证了时刻功率平衡运行。

请注意，在这样的架构设计中，DESDS终端用户是必要的，也是非常关键的，它的能力决定了平滑模式转换。具体来说，在lan隔离模式下，DESDS负责维护400V的稳定性直流总线通过D-Q控制策略[26]。在其他两种模式下，电网自适应模型负责维持400V直流母线的稳定。UPnP和针对能源路由器和终端用户的定制操作系统的特点极大地简化了能源路线的操作。

从传统的集中控制电力系统的角度来看，以往的微电网结构分为三种:直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。传统的交流电力系统已经使用了100多年，因为它能在不同的电压水平和长距离上有效地转换交流电力，以及化石能源驱动的旋转机器[3]的固有特性。为了解决能源和环境问题，开发了大量的可再生直流发电和负载，并要求有效地融入现有的交流电网，这引领了直流微电网的发展。AC/DC混合微电网[3]已被提出，以减少单个电网中多次DC-AC-DC或AC-DC-AC转换的过程，以便于将各种可再生的AC和DC源及负载连接到电力系统中。因此，为了解决可再生直流能源资源的高渗透率和LED照明的人口数量问题，设想的能源路由器将与附加的终端用户结合，组成具有更普遍特征的概念微电网，属于直流型微电网。

4.能源路由器输入与输出能量的建模

这部分不是我关注的方向。暂时略过，主要是说建立了能源路由器的基本MIMO模型，

5.结论与展望在本文中

我们介绍了能源互联网的架构、组件和协议，类似于信息互联网。明确了能源路由器的功能和设计要求，在此基础上提出了能源路由器的4个模块架构:承载新型操作系统的系统控制器、网格自适应模块、400V直流稳压母线和基于标准的即插即用接口。通过对实际测量数据的分析，推导出了三种终端用户的通用数学模型，并建立了能源路由器的基本MIMO模型，用于进一步的性能分析。要分析设想的能源路由器的性能指标，还有很多工作要做。最后，我们的下一步工作可分为以下两个方向:1)确定能源路由器和终端用户操作系统实现的详细功能模型;2)进一步细化能源路由器的流量模型，并对能源路由器作为MIMO能源系统的性能进行分析。本文总结了我们在能源路由器设计和实现方面的进展，希望本文的工作能够促进我们对能源互联网和能源路由器架构的理解。

6.致谢

我们要感谢未来可再生电力公司•能源交付与管理(FREEDM)系统中心赞助这项研究工作。

7.PEFERENCES