未来的可再生能源电网！FREEDM 论文阅读

全文主旨【省时间快读】

• 背景：
  • 论文标题：The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) System: The Energy Internet
  • 这篇文章发表于 2010 年，已经被引 1544 次。
  • 避免能源危机，需要把新能源利用起来，所以 如何利用新能源呢？
• 能源互联网（Energy Internet）的愿景：
  • 在信息互联网中，每个人都利用数据 消费数据，每个人也都生产数据。
  • 被信息互联网 inspired，在可再生能源的愿景下，希望 每个人消耗能源的同时，每个人也生产可再生能源（如屋顶太阳能发电）、上传可再生能源给电网，电网负责灵活分配能源。
• FREEDM 系统的目标：
  • 实现 高度分布式的调度 / 控制，可扩展的结构，孤岛 / 并网的灵活切换。
  • 将 现有电力系统和 可再生发电结合，用户能源 能买能卖。
  • 更高效利用（可再生）能源。
• FREEDM 系统的构成：
  • 基本组成部件：
    • 设备节点：DRER 分布式可再生能源，DESD 分布式储能设备，loads 负载。
    • 连接以上节点：IEM 智能能源管理节点 + IFM 智能故障管理节点，内含：
      • low-level 微秒级控制：SST 固态变压器；
      • high-level 小时级控制：DGI 分布式电网智能。
      • （如后文，SST 类似路由器里 接收数据包的硬件，DGI 类似路由器里 智能转发数据包的软件。）
  • 模仿信息互联网的结构，从 low-level 到 high-level：
    • 即插即用（plug-and-play）接口，。
    • 路由器（router）：固态变压器 SST，负责电力的微秒级控制。
    • TCP / IP 协议：分布式电网智能 DGI。
  • IEM 的 3 个主要功能：
    • 动态识别 IEM 连接的各个设备节点：参数，需求（能源供电 / 存储的充放电 / 负载用电），控制方式（电压、充放电功率 等）。
    • 能源 / 电力的调度（多目标优化，如 成本最低、可再生能源利用率最高、高优先级任务完成率最高 等）。
    • 保证分布式通信 / 控制的一致性 consistency。
  • IFM 的主要功能：
    • 识别 + 定位 + 协调 + Reclosing 电网故障（可能类似于 大功率用电 电源跳闸）。
  • 单独说说 DGI：
    • DGI 内嵌在 ① IEM 智能能源管理，② IFM 智能故障管理 两种节点内，起到 计算机网络里 通信协议的作用。
    • 根据 DGI 的约定 / 操作步骤，IEM 完成 能源调度策略 + 一致性控制，IFM 完成智能故障管理。

常用名词（可能需要回来查）

缩写	英文	中文
DRER	Distributed renewable energy resource	分布式可再生能源
DESD	Distributed energy storage device	分布式储能设备
SST	Solid state transformer	固态变压器
IEM	Intelligent energy management	智能能源管理
IFM	Intelligent fault management	智能故障管理
DGI	Distributed grid intelligence	分布式电网智能？
FID	Fault Isolation Device	故障隔离设备

0 abstract

FREEDM：是一个 分布式可再生能源 + 分布式能源存储、即插即用 的 能源分配系统，支持灵活的能源共享。

关键词：分布式发电，自动化配电，微电网，可再生能源，智能电网。

1 intro

• 第一段 & 第二段：我们需要用可再生能源 + 怎么用可再生能源。

  • 美国现在用的能源很多，大部分是不可再生、不环保的能源，如煤炭、石油、天然气。所以，可能因为 1. 能源不安全（产油国比较动荡），2. 能源的不可再生，3. CO2 导致全球变暖，导致未来油价暴涨。

  • 可再生能源（风能、太阳能、潮汐能 等）可以满足＞50% 的能源需求。因此，多去用可再生能源，可以缓解该问题。

  • 所以我们要拥有 有效利用可再生能源 的能力，未来电网需要解决 1. 存储 2. 复杂控制 的问题。

  • 为了好好利用可再生能源，需要 1. 大规模的集中式装置（风能、太阳能发电站）2. 大规模 DRER（分布式可再生能源），重点在后者 目前集中式 → 未来分布式 的转变。

• 第三段：未来的可再生能源管理系统，FREEDM 愿景。

  • 在 FREEDM 愿景【图1】中，住宅用户的能源需求用 小的 模块化的 DRER 来 cover，通过标准化的即插即用接口（FREEDM 的可扩展性）。
  • 可以用 DESD（分布式储能设备）优化能源使用效率，如电池、氢能储存、flow batteries。
  • 基于 智能能源管理软件 的分析，用户可以把过剩能源卖给电网。

• 第四段：能源互联网 & 为什么 FREEDM 需要分布式结构。
  • 能源互联网（Energy Internet）的设想，被 20 世纪 80 90 年代 计算机领域的转变所 inspired，即 基于集中式计算设备 → 基于人手一个的分布式 client + 连接 client 的 internet。
  • 其中，人手一个的 client 是基础设施（infrastructure），它们消费着资源 也上传着数据。这样分布式的基础设施，导致 创新 经济发展 等等。
  • 相似的思想，为了利用可再生能源，是否可以让每个人 / 每个家庭，发挥 分布式基础设施 的作用呢？
  • 我们需要新的 电力分配基础设施 “能源互联网” 来连接每个家庭，需要新的 能源输送 + 管理方案 实现分布式管理，因为传统的集中式结构不适合这种场景。
• 第五段：全文结构。
  • 本文提出了一个新的能源输送基础设施 FREEDM 系统，所需关键技术 在发表时（2010年）还无。
  • 第二节：FREEDM 的几个关键元素。
  • 第三节：SST（固态变压器）FREEDM 里 能源路由器 的重要组成部分。
  • 第四节：构成 分布式控制系统 的 IEM（智能能源管理）IFM（智能故障管理）系统。
  • 第五节：FREEDM 中其他的 high-level 控制策略。

2 FREEDM 的具体架构

能源互联网与信息互联网的架构相似，有三个关键因素如下：

信息互联网（Information Internet）	能源互联网（Energy Internet）
即插即用的接口（plug-and-play interface，比如以太网接口）	供能 / 储能 / 负载设备 - IEM（智能能源管理装置）的接口，和 这些设备与 DGI（分布式电网智能）的通信接口。 接口示意图见【图 2.a】，以 DGI 为核心的 FREEDM 结构见【图 2.b】。
路由器（router），把每个数据包 送到该送的地方去。	能源路由器（即 IEM 智能能源管理装置）。 1. 监测所有设备的状态 + 数据，并给出控制信号；如对于 DESD 分布式储能设备，可能是充电 / 放电功率。 2. 本地电源管理功能。 3. 隔离初级电路的潜在故障。 4. 为用户 / 负载 配置 功率 / 电量。
开放标准的（open-standard）协议 / 操作系统 / 操作规程，如 TCP / IP 协议	FREEDM 的操作规程称为 DGI，DGI 被嵌入到所有 IEM 设备中，通过通信网络与 其他 IEM 进行协调。

misc：

• 当代计算机电源系统 已经具有 新能源系统愿景 的基本能力，但在计算机中的功率水平 要低几个数量级（例如 100W）。
• 交流总线：与传统电力基础设施共存，但可能难以智能控制。直流总线：扩展性好，但 IEM IFM 需要专门的开发工作（不能借鉴目前广泛应用的技术？）
• 考虑新模块进入 FREEDM 后的自适应配置，类别计算机的 USB 插拔，可能会引起系统的瞬态 / 不稳定。当然，计算机的解决方案已经很好了，而能源路由器还需要新技术。

3 固态变压器 SST

固态变压器 SST 是能源路由器的重要组成部分，本节主要讲了 SST 固态变压器 的 结构、特性、功能、性能指标 等。cs 出身的月出 并不了解这些硬核细节，所以基本上跳过啦。

• 能源路由器（IEM）连接大量 DESD、DRER、用户负载，IEM 实际上由 SST + DGI 软件 + 通信接口组成，功能为 执行物理（电力和能源）控制 + 降压功能，如【图 2.a】。
• SST 是一个电力电子器件，【图3】为 SST 功能图，功能远不止降压功能。
• )
• SST 通常包括
  1. 高压 交流 → 直流 的电源转换阶段，
  2. 高频 直流 → 直流转换器 以产生一个调节直流母线，
  3. 直流 → 交流 以产生低压调节交流母线。
• 因此，SST 的本质是一个三口电源交换器 + 能源路由器。（不知读者能否理解，反正月出是没看懂）
• 使用 SST 可以实现兼容性、灵活性：SST（或更准确的说，是 IEM 设备）可以实现 DRER DESD 负载 的即插即用。
  • SST可以转换、分配 这些来自不同子系统的电能，有些通过交流端口，有些通过直流端口。
  • SST 将电网侧的参数（电压、频率）与 DRER DESD 侧分开，这是 FREEDM 系统一个非常重要的能力，加强了系统的稳定性。
• 接下来就是技术细节了，此处省略。

4 故障隔离设备 FID

• 故障隔离设备 FID + 软件 + 通信 = IFM 智能故障管理设备。
• FID 用于快速隔离、重新配置故障设备，个人理解是 功率太大就跳闸。
• 接下来依旧是技术细节，月出也讲不清楚。
• 下一代 FID 依赖于大电流的 SiC 技术，与目前的硅基 FID 相比，损耗低得多 尺寸小得多。

5 FREEDM 的系统控制

FREEDM 有 4 层控制，如【图 12】。

level	描述	功能
1	user-level	部件的 接入 / 拔出 部件与 IEM 通信 部件通过电网 进行双向充放电
2	SST-level	AC / DC 输出电压 的 regulation SST 的各种功能…
3	FREEDM-level	能源分配 调度（IEM） 故障隔离 保护（IFM） 并网 / 孤岛模式的转换 【需要设计算法】
4	多个 FREEDM 的交互	暂不清楚，可能也是相似的优化 【需要设计算法】

本节重点关注 第三层 FREEDM-level，即 能源调度 + 故障管理，它是由 IEM IFM 节点的 DGI 软件实现的。

5.1 IEM 智能能源管理

IEM 负责实现时间不敏感的控制（时间敏感的底层控制 交给 SST）。

• 希望通过控制 IEM 连接的资源（DRER DESD 负载），实现能源的合理分配。
• 一般而言，这是个多目标优化问题，可以使用 Pareto 技术。

三个主要功能：

• 识别 + 整合 分布式资源（DRER DESD 负载）。
  • 对于 一连接 就主动汇报自己情况（参数 + 控制方式）的设备，无需识别。
  • 对于 不主动汇报（传统电网的）设备，我们需要通过它的行为 推断它是什么（听起来好难）。
• 通过控制本 IEM 连接的资源，进行电力 / 能源调度。
  • 在特定期望下（如 尽可能利用可再生能源、尽可能利用存储、尽可能减小成本、尽可能满足高优先级负载），使用特定策略，在各个资源间分配能源。
  • 比如，预测接下来能源不够用（比如有风暴），则尽量减少低优先级负载的能源消耗，同时多存储能源。
  • 协调者（coordinator）agent 出现在动态 DGI 中，当通信网络拓扑变化是，具有更完整信息的新 coordinator 可以无缝占据主导地位。（月出并没看懂……）
• 基于共识算法的分布式控制。
  • 意思可能是，考虑节点通信延迟、重复、错误、甚至恶意节点的情况下，达成控制的一致性（consistency，大家接收到同样的东西）。

5.2 IFM 智能故障隔离

IFM 也通过 IFM 节点内的 DGI 实现，功能大致为 找到故障 + 处理故障，如下：

• 智能故障识别 + 定位。
  • 基于电流上升率（而非电流幅度）的故障检测，是 IFM 故障检测的主要方法。
• 智能故障协调 + Reclosing。
  • 隔离故障，保护 FREEDM 系统，其中或许需要通信。
  • 因为一些技术细节，传统的故障协调可能不 work。

6 分布式电网智能 DGI 的实现

FREEDM 的主要挑战，是希望 DGI 能够分布式管理电网。

【图 15】是 DGI 框架图，左侧是 hierarchical 的需求，右上是 DGI 的 扁平 拓扑 分布式 结构，右下是 DGI 需要的功能。

他们的实验 我没看懂。

7 conclusion

• 本文描述了 FREEDM，高效、高度分布式、可扩展、将现有电力系统和可再生发电结合。
• 基于这样的信念：避免能源危机的关键，不一定是可再生能源本身，而是 开发 使用 管理 大规模分布式可再生能源的 基础设施。