多能形式能源路由器的能量流动研究

李鹏飞张延迟张 倩宋悦琳

(上海电机学院电气学院,上海 闵行200240)

0 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础[1-2]。随着风能、太阳能等多种新型可再生能源占比不断提升,专家学者提出了能源互联网概念,这也被称为第三次工业革命核心之一。能源互联网主要包括能源路由器、电源、通信系统、变流装置以及负载等,而能源路由器是能源互联网的核心装置[3-5]。能源路由器是仿照信息互联网关键设备路由器,因此得名能源路由器,是完成能源互联网中能量与信息交互的主要设备[6-8]。为适应能源互联网发展的各项复杂要求,基于电力电子变换等技术的能源路由器也成为研究的重点。

2004年《经济学人》首次提出能源互联网的概念,提出建设一个相对自动化、智能化和自愈化的新型能源网络结构,以应对电网的复杂性,使能源互联网开始在世界范围内引起关注[9]。文献[10]介绍美国北卡罗莱纳州立大学启动“未来可再生电能传输与管理系统项目(the future renewable electric energy delivery and management,freedom)”,该项目主要研究智能化的配电系统以及分布式储能的并网等,提出AC/DC/AC三级结构能源路由器,内部采用级联形式,可支持多种电压等级,能够有效支撑高渗透率分布式可再生能源接入。文献[11]介绍德国联邦政府和技术部发起E-Energy项目,项目主要提出在双向能源系统应用信息与沟通技术,辅助能源的生产、转换、传输、应用和储存等,实现高效化、精确化与智能化的能源交互。但以上传统能源路由器主要以电能为主,能量传递形式单一,能量传递过程相对模糊。

考虑现代能源的多样性,本文给出多能形式能源路由器的结构,并将其划分为能量层、信息层和服务层进行分析,再拆分出最小形式的多能形式能源路由器,对最小多能形式能源路由器结构进行介绍,研究其能量流向及能量传递过程,最后通过仿真分析,研究运行的稳定性与传输效率等。

1 典型多能形式能源路由器

能源路由器是能源互联网发展的重要基础,是实现能源互联网中技术融合与能量管理的重要设备,将能量层、信息层和服务层连接到一起。多能形式能源路由器能够实现整个能源网络的广泛互联,包括传统集中式供电,如大型水电厂、火电厂、核电厂等;新型分布式能源,如风电场、光伏电站等,小型园区、楼宇、用户等的能源生产和消费;不同形式能源,如冷、热、气等能源生产与消耗。多能形式能源路可以使能源互联网中不同形式的能源进行交流互补,包括能源间的输入、输出、转换、存储等,有机结合能源的生产与消费环节,同时可以进行相互通信,实现能源管理控制的智能化。最终实现能源生产与消费的高度灵活性,使能源生产商、分布式发电、网络运营商及用户等的即时协作,使能源服务精准及时,极大满足现代社会的能源生产消费需求。

典型的多能形式能源路由器的结构如图1所示,多能形式能源路由器是能源互联网能量与信息交互的主要设备,可以实现多种能源与用户之间的能量和信息交换。以下对能源路由器涉及的能量层、信息层和服务层进行具体分析。

1.1 能量层

能量层主要指能源路由器应用过程中涉及的各种形式的能源及在能源应用过程中需要的设备等。以传统的热网、电网、天然气网络等为代表,以新型的波动式能源(光伏、风能等)为补充,涵盖整个能源网络;其次为能源应用的各种设备,包括气热电转换设备,气热转换设备、热电转换设备、气电转换设备及AC/DC、DC/DC、DC/AC、广义电能转换设备等;同时能源的使用也少不了储能设备的协助,储气设备、储热设备、储电设备也是能量层的重要组成,设备的使用与能量的转化同样需要控制系统的管理,能源路由器的内部管控系统也是能量层与信息层连接的基础。

1.2 信息层

图1 多能形式能源路由器结构图Fig.1 Multi-energy form energy router structure

信息层是整个能源路由器管控系统与提供服务的主要依据。能源路由器信息层主要包括外部数据与控制信号及能源路由器内部信息处理系统。外部数据与控制信号主要包括用户数据、远程控制信号、产能数据、能源网络数据等,这些外部数据是能源路由器分析能源转换和传递需求的主要参数;内部信息处理系统包括数据与分析处理中心、数据传输控制系统、数据储存系统及数据安全系统,通过数据处理系统实现能量快熟、准确、高效的传递与应用。

1.3 服务层

服务层是面向用户的最直接的应用层次,是整个能源路由器连接用户与能源网络的关键,服务的优劣程度极大影响用户对设备的需求度。能源路由器的服务层主要为能源路由器提供服务项目,包括能量优化、风险评估、需求侧管理、辅助分析决策及能源网路路径最优搜寻等,服务项目依据用户的需求提供最为优质的参考,服务层通过应用接口与外部连接,结合能量层的能量传递与信息层的数据分析,共同为用户提供最优质的服务。

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结构

多能形式能源路由器是能源互联网中各类能源交互的重要设备,电—热—气综合能源系统是现代能源互联网的重要组成部分,这类系统通常由一个区域内的电网系统、热网系统、气网系统及多形式能源转化设备构成,而这些多形式能源转化设备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设备构成：能源网络中气网(天然气、H2等)、热网、电网、波动式能源,能量转换设备中的混气室、气热电转换设备、气电转换设备(电解水装置)、热电转换装置(电锅炉)、电能转换设备(电力能源路由器),储能设备中的储气设备(天然气、氢气储存)、储热设备(保温水箱)、储电设备(储能)。将上述多能形式的能源路由器结构展开,可得到如图2的能源路由器及其端口展开图。其中,电力能源路由器作为整个能源路由器的核心器件,包括多个电端口、内部整流桥、n级固态变压器(solid state transformer,SST)、m级模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)。

2.2 电力路由器结构

由于各电路中使用较多的电力电子器件,为增加系统整体耐压性,电力能源路由器内部结构采用级联的形式,整体电路如图3所示。若为交流输入,电能由整流桥进入,整流成为直流电,经过SST的DC/DC变换,经MMC供给负载;直流输入可直接进入级联SST,再经过一系列变化供给负载,另外,整个电力路由器电路设计为双向型,即能量既可以正向流动,也可以反向流动,使电力路由器灵活便捷,充分满足各种类型的能源供应需求。

图2 最小多能形式能源路由器结构Fig.2 Minimum multi-energy form energy router structure

图3 电力能源路由器内部级联结构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

能源路由器的能量转化过程是能源路由器运行的重点,多能形式的能源路由器通过端口可进行内部能量变换及内外能量交换,能量交换过程中能量的流向是能源路由器运行的重要标准。

根据图2最小的多能形式的能源路由器结构图,多能形式能源路由器的能量主要包括：气体能量、电能、热能,电能主要包括ET1(气热电转换产生的电能)、ET2(电解水消耗电能)、ET3(电网电能)、ET4+i(波动式能源电能)、ET5+j(储能电能)。能量流动过程中即为各种类型的能源相互转化,能量相互传递的过程,能量流动过程涉及各种物理化学变化,其中所涉及的物理量及其表示符号如图2所示。根据图2,若以电网为基础约束条件,将能源路由器能量流向分为向电网供电和从电网购电两大类,对这两类情况下端口能量流向进行以下分析。

3.1 向电网供电时端口的能量流向

根据最小多能形式能源路由器结构及端口能量流动方向,可得到多能形式能源路由器向电网供电时能量流向的具体方式如表1所示。

表1 向电网供电时端口能量流向Table 1 Port energy flow when powering the grid

3.1.1 方式Ⅰ能量流向

采用方式Ⅰ时,首先为气体能量直接传递,其中气体焓值H为

式中：Uh为系统内能,kJ;p为计算焓值时气体对应压强,Pa;v为计算焓值时气体对应体积,m3。

工程中,空气的焓值是指空气中含有的总热量,通常以干空气的单位质量为基准,称作比焓,是指1 kg干空气的焓和与它相对应(1 kg干空气中含有)的水蒸气的焓的总和,则空气的比焓值h为

式中：t为空气温度,℃;d为空气的含湿量,kJ/kg[11]。

气热电转换燃烧室模型质能平衡模型如图4所示。

图4 质能平衡模型Fig.4 Mass energy balance model

根据质量平衡得

式中：Gcb-out为燃烧室出口燃气流量,kg/s;Gcb-in为燃烧室进口空气流量,kg/s;Gf为燃烧所需燃料流量,kg/s。

根据能量守恒定律,燃烧室输出能量Eg为

式中：h3为燃烧室出口空气比焓值,kJ/kg;h2为燃烧室进口空气比焓值,kJ/kg;hf为燃料本身比焓值,kJ/kg;eLHV为燃料的低位热值,k J/kg;ηb为燃料的燃烧效率。

燃烧室燃烧产生的能量可用于汽轮机的驱动,则汽轮机的输出功率为

式中：hst.c为汽轮机出口蒸气比焓值,kJ/kg;αrh为有再热情况下的再热蒸汽份额;Δhrh为再热蒸汽再热前后的焓差,kJ/kg;hst.j为第j级抽汽焓值,kJ/kg;αj第j级抽汽份额。

汽轮机产生的机械能可通过发电机转化为电能,发电机转化效率为η1,则气热电转换装置工作时ET1能量输入为

式中η1为发电机转化效率。

输入热网的能量

然后电力路由器将电能通过ET3输送到电网,传递效率为η3o,则传入电网的能量

联立式(2)—(8),可以得到方式Ⅰ能量传递方程。

3.1.2 方式Ⅱ—Ⅵ能量流向

采用方式Ⅱ—Ⅵ时,由气网到电力能源路由器内能量变换如方式Ⅰ,方式Ⅱ加入储能向能源路由器输入电能,输入效率为η4i,则传入电网的能量为

方式Ⅲ电力能源路由器向储能输出电能,输出效率为η4o,则传入电网的能量为

方式Ⅳ加入波动式能源向电力能源路由器输入电能,输入效率为η5,则传入电网的能量为

方式Ⅴ加入储能向能源路由器输入电能,同时波动式能源向电力能源路由器输入电能,则传入电网的能量为

方式Ⅵ电力能源路由器向储能输出电能,波动式能源向电力能源路由器输入电能,则传入电网的能量为

将式(2)—(7)分别与式(9)—(13)联立最终可得方式Ⅱ—Ⅵ的能量传递方程。

3.1.3 方式Ⅶ—Ⅹ能量流向

采用方式Ⅶ—Ⅹ时,去除气网经过气热电转换装置流向电网和热网的能量,其余能量流动方式与前面类似,因此去除所有热能传递过程及其方程,则可得到方式Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ的能量流动方程为式(8)(9)(10);方式Ⅹ只有波动式能源发电送到电网,因此其能量流动方程为

3.2 从电网用电时端口的能量流向

其次研究从电网用电时能源路由器端口能量流动,此时多能形式能源路由器所有端口能量流向如表2所示,从表2知,从电网用电时能源路由器端口能量流动方式有26种。

表2 从电网用电时端口能量流向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时,电网向电力路由器输入电能,输入效率为η3i,则电网输入电力路由器的能量为η3iEe3,电力路由器将电能输往电解水装置,输出效率为η2,则输往电解水的电能为

根据电势能与电荷的关系,可得该电能所含电荷量Q为

根据电解水法拉第效率公式,可得电解水产生H2的体积V为

式中：ηFE为法拉第效率;Vm为25℃下气体摩尔体积;n为析氢时反应方程式转移电子数,取值为2;F为法拉第常数,取值为96 485.3。

联立(15)—(17),得方式1电解水体积。

3.2.2 方式2—20能量流向

采用方式2—20时,其中方式2—10均不包含电网向热网输送能量,电能消耗主要用于电解水,用于电解水的能量取决于电网输入、波动式能源输入、储能输入或消耗,则其用于电解水的能量分别为：

将式(16)(17)分别与式(18)—(26)联立可得方式2—10的电解水体积。方式11—20电解水过程如方式1—10,另加入电网向热网能源传递,电锅炉转化效率为ηh,则电网热量为

与方式1—10方程联立可得方式11—20电解水体积及能量流动方程。

3.2.3 方式21—26能量流向

当为方式21—26时,电能不再作用于电解水,只用作储存或向热网供应,则对应的能量流动方程为：

然后对应加入向热网的能量传递方程式(27),可得方式22、24、26的能量传递方程。

4 仿真测试

为验证最小多能形式能源路由器的能量流动过程,通过搭建仿真系统来验证,仿真模型如图5所示。

图5 仿真测试模型Fig.5 Simulation test chart

为确保研究的通用性,以向电网供电时方式Ⅵ为例,能源路由器有以下两种形式的输入：(1)气热电转换热电联产设备将电能输入能源路由器;(2)波动式能源风力发电设备将电能输入能源路由器。

同时时能源路由器有两种形式的输出：(1)储能设备正在进行储能;(2)能源路由器将剩余的能量发往电网侧供给用户。各部分的功率如图6所示,则整体传递效率为：

式中：Pa、Pb、Pc、Pd分别为图6对应图片稳定时功率。

图6 各端口功率Fig.6 Port power

由图6可得出,能量内部流动的方式如下：气热电转换热电联产输入的功率,通过整流桥向后传递,同时加入了波动式能量,能量进入SST-MMC模块往后传递。随后一部分能量用于低压直流输出端口的储能设备充电,最后剩下的所有能量传递至电网侧。电网输送能量的整体传递效率高达98.85%,整个系统在0.08 s之后进入稳态,系统反应时间较快,符合实际的需要。

5 结论

本文将其划分为能量层、信息层和服务层三大块,分别对个层次所包含的内容进行详细介绍,再拆分出最小多能形式能源路由器,对其内部构成进行分析介绍,然后对最小多能形式能源路由器内部能量流动情况进行分析,给出详细能量流动方式,能源路由器中能量能够实现多向流动,最后对能源路由器的能量流进行相应测试,通过测试,能源路由器能量传递效率较高,稳定性较好。