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清华大学信息技术研究院北京智中能源互联网研究院曹军威 2019.4.24 能源路由器在综合能源系统中的应用清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 2 能源互联网能量路由器提纲关键技术示范工程背景清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会我国面临能源革命 3 我国能源资源相对缺乏我国已成为世界第一能源消费国如继续以年平均 8.9的增速，到 2020 年能源消耗将达到 79亿吨标煤，占目前世界能源消耗的一半。如此发展难以长期持续习近平 2014年 6月 13日主持召开中央财经领导小组第六次会议，研究我国能源安全战略。习近平发表重要讲话强调，能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，保障国家能源安全，必须推动能源生产和消费革命。推动能源生产和消费革命是长期战略，必须从当前做起，加快实施重点任务和重大举措。曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会 1960 1970 2000 2011 专用 · 电子网计算机局网 DARPA-Net IP 体系结构 TCP 协议 1980 1990 全球通用互联网（ Internet 互联网应用（ Web等）分布式能源 /可再生能源 /储能能源微网与区域综合能源系统全球能源互联网能源互联网应用能源互联网 2015 能源互联网的发展曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 4 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会 2017.6 能源互联网发展成为主流趋势曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 5 国家能源局公布首批 55个 “互联网 ”智慧能源（能源互联网）示范项目。国家电网公司提出综合能源服务、客户为中心等，并提出建设世界一流能源互联网企业的发展目标。 2017.12 当今能源互联网示范工程进入落地实施阶段，关键技术的应用（如储能等）前景开始显现，区域综合能源服务兴起。信息能源基础设施一体化直流交流数据中心传感器传感器变电站数据中心云平台能源路由器清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 7 FREEDM期望借助于功率电子技术的发展成熟解决小型分布式可再生能源的接入空置问题。 “软性”可再生能源接入美国 FREEDM - Energy Internet 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会美国 FREEDM - Energy Router 固态变压器控制信号决策生成单元电压频率远程控制管理中心控制器分布式管理系统保护控制 S S T 控制器能源路由器链路 / 物理传输 / 网络能源控制能源传输线路通信线路链路 / 物理传输 / 网络能源控制 ① ② 信息交换模块能源控制模块 P L C P L C E t h e r n e t E t h e r n e t E - r o u t e r 1 E - r o u t e r 2 能源路由器装置用层次角度看能源路由器曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 8 Imagine a device that automatically detects demand for power and delivers processed electricity in the required form AC or DC at the correct voltage and frequency. Energy routers, analogous to the familiar data and communications routers, could improve reliability, efficiency, and safety at every level of the electrical power system. From http//www.ece.vt.edu/news/ar07/highpower.html 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会日本数字电网联盟推进电力路由器曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 9 电力路由器使现有的电网接入互联网，通过相当于互联网上地址的“ IP 地址”进行电源或者发电站、所的识别，由此进行诸如“区域 A的风力发电向区域 B的电力路由器传输”等控制。发生灾害时，如果来自电力系统的电力供给中断，电力路由器之间通过流通蓄电池储备的电力，就能防止区域停电。服务的提供是由相当于互联网接入服务提供商的电力版 “ 能源服务提供商 ”来负责。数字电网电力路由器清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会国家电网公司提出三站合一的建设思路曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 10 通过将能源、业务、数据等各类资源进行整合规划，新建变电站满足用户用能需求，物理上与大数据中心相邻，能源站提供高品质能源，储能站提供电网辅助服务及备用电源，数据站提供数据服务，打造 “三站合一”枢纽站，提升国网公司构建能源流、业务流、数据流 “三流合一”能源互联网的能力。清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 11 电力电子技术发展电力系统的电力电子化“补丁”式 -集成化清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会借鉴网络路由器设计能量路由器通信网络接口能源网络接口智能处理数据中心控制电力电子缓存储能信息能源业务应用接口曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 12 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能源路由、底层通讯和上层应用管理的紧密结合，实现能源流的双向对等有效传输。应用层传输层物理层能源路由器关键技术能源路由器分层架构电力调度策略管理评估系统、历史数据库电能质量调节 W i f i / A d H o c , E t h e r n e t , SD N / C C N 电力电子控制、固态变压器电能流动、存储计算机、通讯设备、数据中心电力接口、通讯接口、传输介质负荷、分布式能源、储能电池能源（电力）切换能源（电力）路由开关路由电能质量调节波形变化大数据应用数据中心曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 13 能量路由器方案设计清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会 B A T T E RI E S S S T 电网发电 AC / DC DC / DC DC / AC 电网输入风电输入光伏输入微网输入通讯接口 A 通讯接口 B 电网输出微网输出负载输出电力电子控制 D A T A BA S E 电缆组防火墙路由器网络通讯风力发电光伏发电微网路由输入用户路由输出电网并网输出电力保障 W A N L A N 多个服务器数据、网络通信控制本地用电通讯、传输、接口及相关协议的标准化是能源路由器发展的关键环节，有很多具体工作有待完成。能量路由器输入输出曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 14 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会交流母线 vs. 直流母线 15 A C B U S D C / A C A C / D C 风电 D C / A C A C / D C 市电交流负荷 D C / A C D C / D C 光伏 D C / A C D C / D C 储能 D C / A C D C / D C 直流负荷 D C B U S A C / D C 风电 A C / D C 市电交流负荷 D C / D C 光伏 D C / D C 储能 D C / D C 直流负荷 D C / A C 曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会总线型（直流微网） vs. 星型（能量路由器） 16 交流负载 D C A C 直流负载 D C D C 风力发电机交流系统 1 ± 2 0 0 V M 旋转电机 D C A C 非线性负载线性负载 D C D C 直流变压器 D C A C 交流系统 2 A C D C 线性负载线路线路光伏电池组 D C D C ± 5 0 0 V ± 5 0 0 V D C A C 储能设备 D C D C D C D C 线性负载 D C D C 功率放大器 R T - L A B 试验接口线路线路线路 F A C T S 设备试验接口未来新开发设备试验接口测试用流断路器接口线路线路 A C D C 曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 储能 3 8 0 V 接口直流接口 1 直流接口 2 电网能源路由器 N N 3 8 0 V 接口 N D C / D C A C / D C D C / D C D C / A C D C / A C D C / D C M 永磁同步发电机 M 异步电动机变频器 3 8 0 V 永磁同步发电机模拟装置电阻负载光伏阵列负荷 3 8 0 V 接口 N A C / D C 直流接口 N 单点集中、易于维护多点互联、薄弱点分散清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会交流输出端口交流输入端口直流输入端口直流 / 单相交流输出端口滤波器控制程序直直变换输出端口 P W M 调制交流变直流斩波（ P W M ）低通滤波直流变交流输出斩波（ P W M ）直流变直流 P W M 调制低通滤波交流变交流直通功能选择输入通用功率模块设计曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 17 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能源网络侧设备接入能源消费设备接入能源模块连接线路通信模块连接线路能源模块连接线路通信模块连接线路远程控制开关插头 C P 脉冲触发按钮插头能源供应开关能源互联网用户设备即插即用能源互联网能量路由器能源端口连接线路通信端口连接线路远程控制开关接口能源用户设备接入端口即插即用即插即用设计曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 18 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会软件定义设计 19曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能源路由器层次化架构骨干能源路由器区域能源路由器曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 20 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会区域能源路由器曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 21 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 骨干能源路由器 22 1 2 3 5 6 7 Cooling Transformers Con/inverters Switches Storage Controller PC cluster 1 2 3 4 5 6 7 4 2 Converters/Inverters Energy storages 4 Transformers 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能源路由器中控局域内网 Internet 控制器 PLC 工控机能源路由器智能监控系统设计曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 23 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能源互联网大数据分析实测潮流 →数据云库 →能量管理 →能量交易曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 24 数据清理数据集成数据库数据仓库选择与变换数据挖掘模式评估通过直接量测和算法处理，得到在线实时动态潮流，从而得到各节点和线路的 Ut、 It、 Pt、 Qt以及它们的派生量，如 dUt/dt、 dQt/dt、 dQt/dut 等特征了量的时间变化，对它们进行大数据分析，由此构建大数据分析应用。清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会能量路由器技术特征 25曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 多端口、可扩展；标准接口、即插即用；硬件通用化（光伏逆变器、储能 PCS）；软件定制化（ SDN）；替代变电站变压器或为现有变电站变压器备用；电能质量调节（ SVG、 APF 等）；储能对间歇式能源进行平衡的功能；信息物理融合能量管理的执行终端；能量交易的计量终端；数据中心的信息服务；与能源站多种能源（热电冷）相互转换相结合。清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会序号专利号申请日期专利名称发明人 1 2017109766772 2017-10-19一种基于 SDN的能量路由器和电能传输方法曹军威 ,谢挺 ,明阳阳 ,胡俊峰 ,梅东升 ,陈裕兴 ,郭明星 2 2017109762593 2017-10-19一种交直流通用端口设备及转换方法曹军威 ,陈裕兴 ,梅东升 ,谢挺 ,胡俊峰 ,明阳阳 ,郭明星 3 2017108999879 2017-09-28一种负载功率预测方法及系统秦钰超 ,华昊辰 ,胡俊峰 ,曹军威 ,陈裕兴 ,梅东升 ,郭明星 ,谢挺 4 2017108225149 2017-09-13一种能源互联网用户设备即插即用的方法及装置曹军威 ,胡俊峰 ,郭明星 ,陈裕兴 ,梅东升 ,谢挺 ,明阳阳 5 2017108220855 2017-09-13一种能量路由器即插即用的控制方法明阳阳 ,郭明星 ,梅东升 ,曹军威 ,谢挺 ,胡俊峰 ,陈裕兴 6 2017108217759 2017-09-13能量路由器明阳阳 ,曹军威 ,谢挺 ,郭明星 ,胡俊峰 ,陈裕兴 ,梅东升 7 2017107864982 2017-09-04一种广域能源互联网的区域划分方法和系统杨刚 ,华昊辰 ,谢挺 ,郭明星 ,梅东升 ,陈裕兴 ,曹军威 ,胡俊峰 8 2017106188234 2017-07-26能量路由器及基于该能量路由器的发电控制方法曹军威 ,胡俊峰 ,郭明星 ,陈裕兴 ,梅东升 ,谢挺 ,郝传统 9 2017106026564 2017-07-21一种光伏发电功率预测的方法和装置曹军威 ,秦钰超 ,胡俊峰 ,陈裕兴 ,梅东升 ,郭明星 ,谢挺 ,华昊辰 10 2017105030539 2017-06-27能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法曹军威 ,谢挺 ,梅东升 ,陈裕兴 ,郭明星 ,胡俊峰 ,华昊辰 11 2017104719370 2017-06-20微网运行成本最小化的控制处理方法与装置秦钰超 ,曹军威 ,胡俊峰 ,谢挺 ,郭明星 ,陈裕兴 ,梅东升 ,华昊辰 12 201710318603X 2017-05-08一种微电网系统直流母线电压稳定性控制处理方法及装置曹军威 ,胡俊峰 ,郭明星 ,陈裕兴 ,梅东升 ,谢挺 ,华昊辰 13 2017102895325 2017-04-27一种能量路由器抗干扰控制器的形成方法及装置华昊辰 ,曹军威 ,陈裕兴 ,梅东升 ,郭明星 ,胡俊峰 ,谢挺 14 2017101752593 2017-03-22一种电网故障类型确定方法及装置赵兵兵 ,曹军威 ,陈裕兴 ,胡俊峰 ,梅东升 ,郭明星申请专利曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 26 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会北京市科技计划课题结题验收自治微网能源路由器研制与示范应用低压用户侧小容量样机研制曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 27 清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会通过第三方认证，验证了我们完成装置研制与调试，电压等级 380V，系统容量实测为 213KVA，响应时间为 8.8ms，接入电源种类有四种电网、风电、光伏、储能。负荷种类四类交流电阻、交流电抗、电子负载、直流负载、储能（充电）。能量路由器具有潮流调节模式（有功调节、无功调节；稳定功率因数达到 95以上）。具有电能质量调节模式，暂态电压补偿能力超过 30，电流谐波含量小于 5。第三方检验报告清华大学 | 智中能研 2019第九届中国国际储能大会入选国家能源局首批国家级能源互联网示范工程项目，示范范围为海淀北部地区的翠湖组团和永丰组团，建筑面积 2682万平方米，其中，翠湖组团建筑面积为 1366万平方米，永丰组团建筑面积为 1316万平方米。京能海淀北区能源互联网示范工程曹军威 | jcaotsinghua.edu.cn 29