基于电力电子变换的电能路由器研究现状与发展
发布时间：2021-12-11
摘要：随着可再生能源发电装置、储能设备及各种类型的电能负载的接入，传统的电力系统设备无法满足供电形式多样性和能量多向流动以及功率流的主动调控等要求，无法适应未来电力市场化的需要。基于电力电子变换技术构成的电能路由器，不但可为不同的新能源发电装置和不同类型负载提供灵活多样化的接口电气形式，还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。与信息技术的融合使电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对电力网络能量流的主动管理。文中首先将电能路由器和信息路由器对比，提出电能路由器的功能要求，并根据现有的电网结构，将电能路由器分类，分别阐释各类电能路由器的特点。然后介绍目前国内外在电能路由器领域的最新进展。进而从功率变换、信息技术两个角度分析电能路由器的技术要求，并给出实现电能路由器未来需要做的工作。最后，对电能路由器的发展进行了总结和展望。
关键词：能源互联网;电能路由器;功率变换;电力电子;信息技术;能量管理
0 引言
近年来，为了缓解能源危机、减小工业排放污染，大量的分布式可再生能源发电装置并入电网。但这些新能源发电方式往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性。为了减轻电网压力、增加可再生能源利用率，大量储能设备随之加入电网为波动的能量流提供缓冲[1]。因此，传统的单一集中式发电正逐渐向集中式、分布式并存的发电方式转变，电能的单向流动正变为多向流动方式。同时，以电动车为代表的新型不确定性的负载加入，使电能的流动和管理变得更加复杂。传统电力系统的配电运行方式很难胜任这样复杂的要求。
另外，随着电力改革和市场化的推进，未来电能交易将越来越自由灵活。电能的供给者不再只有原有的国有控股发电厂，民营小型发电厂、分布式能源发电站等新的电能提供者将逐渐出现，用户将有更多的选择空间;同时，由于新能源发电渗入配电终端，以往的终端用户可在负载和源之间切换，譬如当家庭光伏发电装置产生过多电量时，便可将这些电量出售给电网或其他电能需求者。因此对于每个电网终端，电能的流动将从传统的单向流动变为双向流动，甚至多向流动[2]。电力系统配电将从现在的“一对多”架构逐渐向“多对多”的形式转变，且每个终端可以在买方和卖方之间任意切换，电能流动的多样化大大增加。为了将电能定量、定点、定时地准确调度，电网的各个终端和节点均需要实现能量的主动调度管理，实现能量流的准确可控。而传统的电力系统和电力设备往往被动地调节功率平衡，对功率流的主动控制与分配较为困难。
为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联[3]。日本学者提出了数字电网概念，将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网，并通过数字电网路由器(digital grid router，DGR)进行能量调配和网络互联[4]。美国北卡罗来纳州州立大学 FREEDM 中心提出以能量路由器为核心的能量互联网，同样致力于提供更好的新能源接入方案[5。由此看出，集成了成熟的信息技术，基于电力电子变换的电能路由器能够实现能量的高效接入和利用，将成为未来电网的核心部件，正受到越来越多的学者的重视[6]。
电能路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。电力电子变换技术使电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。同时，由于电力电子装置的高可控性，配电网络内各节点的能量流方向和大小可按用户所需精确地控制，为电力市场化的实现提供技术基础。信息技术使电能路由器实现智能化，配电网在其控制下实行自律运行，上层电力调度中心只需向网内发送较长时间尺度的优化运行参数，以实现全网的优化运行。电能路由器可作为电力局域网与主干网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和能量管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。
信息路由器和电能路由器在各自网络中的位置如图 1 所示。信息路由器作为互联网的核心设备已经发展了四十余年，它将所有用户连接起来构成今天庞大的全球性互联网。作为广域网和局域网的接口，信息路由器承担着局域网中的终端设备互联以及终端与广域网的信息交换任务[7]。类似地，电能路由器将根据经济效益或用户自定义的优化目标定量、定点地传递能量。因此电能路由器可成为未来电力网络的枢纽，负责管理和控制子网内的能量流动以及子网和主干网之间的能量交换。
1 电能路由器的功能和要求
作为网络架构的基础和核心部件，电能路由器与互联网中的信息路由器有着相似的地位和功能，因此两者有相似的必备要素。
1)信息互联网建立在 TCP/IP 协议的基础上，路由器通过 RIP、OSFP、ISIS 等路由协议及时更新路由表，使数据包迅速、准确地在网络中定点传输。为了实现能量在节点之间精确地传递，电网中的设备同样需要标记 IP 地址，电能路由器需知道电网中所有节点的 IP 地址、实时变化的网络拓扑，这样在能量交换建立时得以迅速找到最佳的功率传递路径。如果能量在电力局域网内部交换或相邻局域网之间交换时，往往只需要一台电能路由器进行管理，通过源节点和负载节点的 IP 地址就能够推算出传递路径;当能量在不相邻局域网之间传递时，往往需要多个电能路由器共同参与，为了能迅速找到能量传递的最佳路径，路由协议变得尤为重要。
2)信息路由器同时处理多个用户的数据流，而电能路由器同样需要提供多个端口，与多个电气设备相连。为了满足不同设备所需的电气形式，电能路由器需提供多个电气形式的接口，如直流400V、直流 48V、交流单相 220V、交流三相 380V 等。其次，每个端口需具备能量的多向流动能力，使能量可以按需定点、定量地传输。电能路由器不但可以从主干配电网获取能量传递给终端用户，同时在子网的发电量过剩时，可将多余的能量回馈给主干网。此外，电能路由器还应具有局域网内部能量整合和协调分配的能力，即子网内的能量多向自由流动。然而，并非所有的端口都必须具备功率双向流动能力，专门与负载相连的接口，只需能量输出功能即可;对于专门的分布式能源接口，则只需要功率吸收能力，并且为了充分利用分布式能源，其接口还需具备最大功率跟踪(MPPT)功能;而对于连接储能设备的接口，往往需要能量双向流动能力。对于专门的电动汽车充电应用，电能路由器通常只需具备充电功能即可，无需电能回馈功能。
3)信息路由器拥有通用的即插即用数据接口，而电能路由器同样需要标准化的即插即用接口[8]。当电气设备插入电能路由器时，通过既定的握手协议等信息交互过程后，路由器可迅速识别电气终端的类型和状态，按终端的请求立即采取相应的电气形式进行能量交互，与此同时更新系统连接配置和状态。因此即插即用接口需同时包含功率端口和通信端口。由于连接到电能路由器的节点有不同的电气形式要求，包括直流、交流不同形式，不同电压、电流数值，是否接地等，功率端口很难完全统一。但对于相近电压或功率等级的端口，标准化仍然可以降低生产和安装成本。通信端包括有线通信或无线通信方式，无线通信无需物理接口，而有线通信方式的中长距离通信可采用以太网通信等，近距离通信可采用常规的现场控制总线，如 CAN， Profibus，Lonworks 等，因此通信端口均易于标准化。此外，为了进一步提高可靠性和便于安装，功率端口和有线通信端口可集成在一起。
4)可扩展性。由于配电网中的用户或节点在不断增加，电能路由器必须具有良好的扩展性，使新加入的设备较容易地通过电能路由器接入电网并参与调控。在电网不同位置的电能路由器往往被设计成不同的容量，在最大容量的限制内，电能路由器的硬件结构和软件设计均需要可扩展性，以降低后续投入成本。
此外，电能路由器与信息路由器相比也有很多不同之处。首先，由于电能路由器的核心功能是能量流的调控，电能路由器需提供各种电气形式的接口。其次，为保证电网及设备的可靠稳定运行，电能路由器还需具备主动故障隔离、电能质量改善、以及不间断电力提供等功能。另一方面，传统的信息路由器只有数据的传递功能，而电能路由器除了实现功率流的传递，更重要的是进行智能功率调控。因此电能路由器内部需嵌入智能决策和控制单元来执行特定的程序和调度算法，一方面监控电力局域网的状态，一方面根据上级调控中心的指令和当前网络状态进行主动功率调配[9]。表 1 列出了电能路由器与信息路由器的功能对比。
2 电能路由器分类
我国城市的配电网架构大致分为 3 层：10 kV 及以上城市主干网，380 V 三相终端配电，220 V 单相终端用户配电。因此配电网中的电能路由器可根据功率等级及在网络的位置分为 3 级：主干电能路由器、区域电能路由器以及家庭电能路由器。图 2 是 3 类电能路由器在电网中的位置。
2.1 主干电能路由器
主干电能路由器的功能和作用大致相当于当前的变电站，通常的电压变换为 10 kV 以上，需提供兆瓦级以上的容量[10]。主干路由器的功率较大，但是功能相对单一，能量流动方式简单。即使在具有小规模分布式能源发电的区域内，配网主干电能路由器的主要功能仍然是将主干配电网的电能分配给下一级用户，能量基本是单向流动的。而对于中大规模可再生能源集中发电区域，主干电能路由器的主要功能是将低压端的能量反馈给主干配电网。由于主干电能路由器的供电区域较大，其可靠性要求较高，因此在实际应用中可能需要冗余配备。
此外，主干电能路由器需具有故障隔离功能，在电力局域网出现故障时，电能路由器可将故障迅速隔离，防止向主干网扩散。由于区域里可能存在工厂等大功率非线性负载，主干电能路由器还需提供无功补偿、谐波改善和电压支撑等电能质量调节功能，并将较差的电能隔离在区域配网内部。而在主干网电能质量较差时，电能路由器也可对其予以支撑。这一功能相当于将当前的无功功率发生器 (static VAR generator，SVG)、统一潮流控制器 (unified power flow controller，UPFC)等电力电子装置进行智能化和网络化集成。
对于信息通信层面，区域电能路由器需要接受上层调度中心的调度指令，并将区域配网的用量情况以及实时电气参数汇报上一级调控中心，以用于实时能量管理。由于需要与上一级调度中心和主干配网上的其他电能路由器进行信息交互，主干电能路由器的通信距离一般较长，范围较大，通信安全性要求较高。
2.2 区域电能路由器
它主要用于较小地域范围或民用、商业楼宇等的能量管理，供电电压一般为三相 380 V，容量从几百千瓦到上兆瓦[11]。
为了适应分布式能源、储能设备的入网以及用户端的配电复杂性，电能路由器需提供各种类型的电气接口。由于光伏板、小型风机、柴油发电机等的电气参数已经相对标准化，电能路由器的接口特性和内部的电力电子变流装置也可以标准化，这样分布式发电的输出端无需加入单独的变流器，即可直接接入电能路由器。
针对电动汽车，电能路由器将成为未来理想的充电设备。一方面电能路由器可提供多个充电接口同时为多辆电动汽车充电，同时还可以连接充电站内的储能电池和光伏等新能源发电设备。在充电高峰时，释放电池的能量进行给电动车充电，缓解电网的压力;而在充电低谷时，利用电网的电量将电池充满，为下一次服务做好准备。因此电能路由器为功率波动提供了理想的削峰填谷功能。另一方面，电动汽车的电池和充电方式现在还缺乏统一的标准，充电站无法为每个车型或品牌提供特制的充电桩，这给电动汽车用户充电带来了不便。电能路由器可以很好地解决这个问题，其内部的电力电子变换装置可以提供普通充电、快速充电服务，以及直流、脉冲等多种充电方式，可满足各类电动汽车用户的需求;而且在与电动汽车连接后，电能路由器通过内嵌的通信系统可识别车型、电池型号和荷电状态(state of charge，SOC)，并根据用户要求提供所需的充电方式。
作为较小区域的电能管理中心，区域电能路由器需具备电能质量调节能力。配电网末端的电能质量往往不够理想，可能出现电压闪变、谐波含量过大、电压过低等问题。基于电力电子变换的电能路由器可将主干网和局域网隔离开，彻底改善子网的电能质量，并可以对上一级电网予以支撑。另外，电力局域网内可能存在敏感负荷用户，如银行、医院等。利用储能设备，电能路由器可实现个别用户的不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)的功能。在主电网故障时，采用孤岛运行模式，为负载持续供电，保证重要负荷的供电可靠性。
2.3 家庭电能路由器
作为配电网的终端，每个家庭用户在入网接口需要安装一个家庭电能路由器，负责住户的能量管理。其主要端口为输入单相 220 V 交流电，功率等级一般小于 20 kW。由于家用电器所需供电形式不一，家庭电能路由器的接口需要提供更丰富的电气形式，如液晶电视机的 19 V、数码设备 5 V 等的直流电，以及空调、冰箱等的交流电。家庭电能路由器的功率等级虽然较小，但功能和复杂性反而较高。未来的家庭将是分布式能源发电的参与者，屋顶光伏、微型风电设备和电动汽车电池等储能设备的加入，住户内的电网形成了一个家庭微网，并参与到配网的能量管理中。因此家庭微网的能量调度同样有 3 种情况，分别是从配网吸收能量，向配网反馈电能，以及脱离配网形成自给自足的孤岛系统。为了实现家庭微网内的各个发电装置、储能设备及负荷的能量管理可控，需在各个发电、用电器植入通信模块及控制器，并与电能路由器使用相同的通信协议。电能路由器将一方面接受用户的指令管理微网内部的能量，另一方面需要将将信息传给上层电能路由器并接受指令，实现全网的能量管理。
3 电能路由器的框架与功能实现
电力电子功率变换是电能路由器的基础，它负责将主干网和局域网中的各个终端连接起来，实现功率流的定向、定量流动，同时为各种类型的电气设备提供不同的电气形式接口。国内外机构正在研究应用于电能路由器的各种功率变换架构。
3.1 主干电能路由器的架构
图 3 为美国北卡州立大学的 FREEDM 中心研制的第 1 代固态变压器(solid state transformer，SST) 结构[12]。其输入是单相交流 7.2 kV 中压配电网，输出电压为单相 240 V/120 V 交流电和 400 V 直流电。高压侧采用了 6.5 kV 的 Si IGBT，整流级由多个全桥模块级联而成。中间级是隔离型 DC/DC 变换器，将 3.8kV 直流电压转换成 400 V 直流母线。最后一级的电压源型逆变器生成 240 V/120 V 低压交流母线。由于器件限制，高压整流测的开关频率只有 1 080 Hz，DC/DC 级的开关频率为 3.6 kHz，低压侧也仅为 10.8 kHz。较低的开关频率不但限制了动态性能，还导致系统体积和重量庞大，运行噪音巨大。
相关期刊推荐：《中国电机工程学报》(旬刊)是中国电力行业的一流学术期刊，国家一级学报，全国中文核心期刊，国内外公开发行。1964年创刊，中国科协主管，中国电机工程学会主办，中国电科院协办。主要报道电力系统及其自动化、发电及动力工程、电工电机领域的新理论、新方法、新技术、新成果。
为了提高整机效率、动态性能和减小体积， FREEDM 中心正在研制基于 SiC MOSFET 的第 2 代 SST，如图 4[6]。由于使用了 15kV SiC MOSFET，整体结构大大简化，整流级和 DC/DC 级只由单个模块构成，开关频率增加到 20 kHz。这样体积大幅缩小，整体性能也有较大提升。该系统同时提供了交、直流低压母线，为传统负载和可再生能源的接入提供了便利。能量在 3 个端口之间实现多向自由流动，提供了灵活的能量传输方式。另外，该系统具有高、低压交流侧的电能质量调节功能，包括谐波改善、无功补偿和电压支撑等。因此，FREEDM 研制的 SST 架构较适于主干电能路由器的设计要求。
瑞士苏黎世理工大学(ETH Zurich)为智能电网设计了 1 MVA 固态变压器，其容量已基本满足了主干电能路由器的要求。系统的输入端与中压配电网相连，输出 400 V 低压三相交流母线。其系统架构和功能与 FREEDM 第 1 代 SST 类似，模块的拓扑如图 5 所示[13]。相比之下，开关频率提高到 20 kHz，模块的整流级和 DC/DC 级均采用二极管钳位三电平结构，提高了模块输入侧耐压，减少了模块数。
英国 Nottingham 大学和意大利 Rome Tor Vergata 大学联合为欧洲 UNIFLEX-PM 系统研制的背靠背多电平变换器单相结构如图 6 所示[14-15]，其输入高压侧为交流 3.3 kV，输出为 3.3 kV 和 415 V 交流电。开关频率为 2 kHz。中频变压器的磁芯材料为非晶合金，采用油浸方式绝缘。输出逆变级与中间级交错相连，实现能量三相均衡，并最终提供了中压和低压两个交流母线。该系统同样可实现功率多向流动、电能质量调节等功能，不过未提供直流母线，不利于分布式能源及储能设备的接入。
图7为2009年美国电科院(EPRI)为替代传统变压器研制的 Intelligent universal transformer (IUT)的结构[16-17]仍然是级联 H 桥结构，中间级 DC/DC 级采用串联谐振变换器，副边采用 SiC 二极管整流桥产生 400V 低压 DC 母线，后级用全桥逆变电路产生单相交流低压母线。该项目采用硅 super gate turn-off thyristor (SGTO)器件[18]，开关频率最高可至 50 kHz，单个模块的功率可以达到 25 kVA。该系统实现了高、低压转换，提供了直、交流端口，在容量和功能上基本可满足区域电能路由器的要求。但由于采用了二极管整流器，功率无法从低压侧传递到高压侧，限制了能量的灵活流动。
另外，通用电气为智能变电站设计了一个固态变压器[19]。高压侧选用了 10 kV/120 A 的 SiC MOSFET 构成 H 桥模块，并且采用串联结构降低电压应力。工作频率选在 20 kHz，高频变压器采用了纳米晶材料以降低磁损。
3.2 家庭电能路由器方案
京都大学在 2010 年为家庭能量管理提供了能量包(energy packet)方案[20]，如图 8 所示。该电能路由器方案采用时分复用(time division multiplexing， TDM)的方式，将多个不同电压的电源的能量调制到一条传输线上，由网络内的电能路由器将包含多种电压形式的能量解调，根据 IP 地址分配给相应的负载。不过，时分复用的方式限制了网络的可扩展性。由于断续的能量传递方式，在负载的输入侧需加入较大的电容或电感等储能元件，以保证对负载的持续供电。
6 结论
本文将基于电力电子变换的电能路由器与互联网中的信息路由器作对比，阐述了其在未来电网中需要满足的功能和要求，包括提供丰富的接口电气形式，实现功率多向流动能力及对能量的主动准确控制等。然后，参考现有的配电网架构，对未来电能路由器的类型进行了探讨，并对不同类型的电能路由器的功能和要求进行了详细阐释。最后，在分析国内外现有研究成果的基础上，在功率变换和信息技术两个层面给出了电能路由器的技术要求和面临的挑战。——论文作者：宗升，何湘宁，吴建德，李武华，赵荣祥
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