能量路由器發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究

李 鐸，焦豐順，鮑重廷，周 浩，高維杰，張哲旭，張瑞鋒

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.清華大學(xué) 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引 言

單一集中式發(fā)電逐漸將向分布式發(fā)電、多能互補、靈活柔性、安全可控的能源互聯(lián)網(wǎng)新方向蓬勃發(fā)展，清潔化天然氣、大規(guī)模新能源、高滲透分布式發(fā)電、新能源汽車以及大規(guī)模儲能系統(tǒng)用電體系均需要接入電網(wǎng)。

由于分布式發(fā)電體系和用戶用電體系具有不可控性、波動性以及間隙性等特點，給電網(wǎng)帶來電壓波動、閃變和潮流倒送等問題，影響電網(wǎng)電能、電壓質(zhì)量及電網(wǎng)安全。能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備能量路由器（Energy Router，ER）可以實現(xiàn)不同電壓等級、不同功率形式的能量互聯(lián)和雙向流動，可用于解決傳統(tǒng)電網(wǎng)節(jié)點關(guān)系不對等、不均衡、自治差、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳豢烧{(diào)節(jié)等問題，提高電網(wǎng)和氣網(wǎng)的兼容性、經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性，使得電能的生產(chǎn)者、經(jīng)營者、使用者多方共贏，獲得更多的效益，具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。

1 能量路由器的定義、架構(gòu)與功能

1.1 定 義

能量路由器可實現(xiàn)多電壓等級、多電壓形式、不同電源、不同負(fù)載的多端口輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、存儲等功能，實現(xiàn)電、冷、熱、燃?xì)饧捌渌问侥茉吹炔煌芰啃问降幕ヂ?lián)互補，生產(chǎn)與消費環(huán)節(jié)的有機貫通，實現(xiàn)不同特征能量流的融合。

能量路由器是一種基于電力變壓原理的電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的電能變換技術(shù)相互結(jié)合，用來實現(xiàn)從一種電力特征能量變換為另一種電力特征能量的新型智能變壓器，是一種集結(jié)構(gòu)模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、控制智能化以及系統(tǒng)魯棒化等特性的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備[1]。

1.2 架 構(gòu)

能量路由器可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、信息處理層、控制決策層以及能量傳輸層4個層次。其中，數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)接收調(diào)度指令和采集信息，信息處理層進行執(zhí)行指令分析、狀態(tài)評估、預(yù)測分析等數(shù)據(jù)處理分析及通信傳輸功能，控制決策層執(zhí)行調(diào)度指令的優(yōu)化控制、安全控制與穩(wěn)定控制，能量傳輸層用于能量傳輸。

相對應(yīng)，能量路由器設(shè)備由傳感器單元、通信單元、控制單元以及功率單元4個功能模塊組成。傳感器單元用于采集能源設(shè)備和電力信息，通信單元負(fù)責(zé)內(nèi)、外部通信兩部分，控制單元負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)處理和電能的控制調(diào)度，功率單元由多級電力電子變換單元組合而成，用于能量（電力）切換、路由。

1.3 功 能

能量路由器主要功能包括即插即用、信息通信、協(xié)調(diào)控制、能量路由以及分層管理等。具體如下。

即插即用主要為天然氣發(fā)電、新能源發(fā)電、分布式發(fā)電等設(shè)備以及儲能裝置和功率負(fù)載等提供即插即用的交直流接口。信息通信主要用于共享信息，通過信息流控制能量流。協(xié)調(diào)控制用于快速實現(xiàn)能量路由、潮流控制及能量調(diào)度等功能，保證各線路電能需求的快速匹配。能量路由用于實現(xiàn)電壓變換、電氣隔離、電流變換、能量流向可控以及交直流混合供電等基本功能。分層管理用于提供更加優(yōu)化的電網(wǎng)控制策略，提高電網(wǎng)的自愈性，提升電能質(zhì)量。

2 發(fā)展歷程

能量路由器的電路結(jié)構(gòu)經(jīng)過以電子變壓器為主的高頻變壓、以固態(tài)變壓器為主全電子化變壓、以智能變壓器為主的智能高頻變壓、以電力電子變壓器為主高壓高頻變壓以及以能量路由器為主的多端口路由變壓等幾個階段，具體發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 能量路由器發(fā)展歷程

從1968年開始，人們提出了一種高頻環(huán)節(jié)電力變壓器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要是在變壓器的兩側(cè)繞組增加兩個功率電子開關(guān)，通過控制電子開關(guān)實現(xiàn)基本的交流電壓變換功能[1,2]。1980年，提出了一種全部基于功率電子開關(guān)的交流變壓器結(jié)構(gòu)，采用電力電子器件及其控制實現(xiàn)交流電壓的變化[2]。1996年，提出了一種雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)，采用兩個全控型電力電子功率開關(guān)器件和兩個二極管反向并聯(lián)及相位控制的方法，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正與電壓變換等功能。1999年，提出了由輸入整流級、中間隔離級以及輸出逆變級共同組成最典型的帶隔離變壓器的AC-DC-AC三級間接電力電子變壓器結(jié)構(gòu)[1]。2000年，提出了串入并出的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在輸入級采用二極管整流橋疊加Boost升壓電路的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，隔離級采用多繞組變壓器結(jié)構(gòu)，輸出端采用模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高壓大容量場景的應(yīng)用[1,3]。2016年以來，提出了多端口輸入輸出的電力電子變壓器，通過對電能傳輸路徑與流向的主動選擇和控制，可以實現(xiàn)電能變換、控制等功能[2]。能量路由器在各個發(fā)展階段的主要特征和特點如表1所示。

表1 能量路由器的各個發(fā)展階段及主要特征和特點

3 基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.1 三級式結(jié)構(gòu)

三級式電力電子變壓器結(jié)構(gòu)包括輸入整流級、中間隔離級以及輸出逆變級3部分，如圖2所示。該變壓器每一級均可以采用不同拓?fù)鋪韮?yōu)化效率和體積，給電壓變換和不同電源接入等多種功能集成與系統(tǒng)性能優(yōu)化提供了空間，進而可以實現(xiàn)中壓交流電（Medium Voltage Alternating Current，MVAC）到低壓交流電（Low Voltage Alternating Current，LVAC）的電壓變換，提供中壓直流電（Medium Voltage Direct Current，MVDC）或低壓直流電（Low Voltage Direct Current，LVDC）端口，供直流電源或負(fù)荷的接入，是當(dāng)前能量路由器使用最多的結(jié)構(gòu)[4]。

圖2 三級式電力電子變壓器結(jié)構(gòu)

3.1.2 雙主動全橋變換器

雙主動全橋變換器（Dual Active Bridge，DAB）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括兩個全橋變換器、兩個直流電容、1個高頻變壓器以及1個輔助電感組成，如圖3所示[5]。通過調(diào)節(jié)兩個高頻變壓器兩端變流器方波電壓之間的移相角，可實現(xiàn)能量的雙向流動。在DAB級聯(lián)形式中，交流發(fā)電單元接口電路主要為Boost電路，直流負(fù)載接口電路主要由Boost/Buck變流器組成，實現(xiàn)電氣隔離和電壓變換[6]。

圖3 雙主動全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.3 模塊化多電平變換器

模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高壓直流母線，允許高壓直流形式電能的直接接入，如圖4所示[3]。該結(jié)構(gòu)將模塊化多電平拓?fù)渥鳛榍凹墸沟秒娏﹄娮幼儔浩骶哂懈邏航涣鳌⒏邏褐绷鳌⒌蛪航涣饕约暗蛪褐绷鞯炔煌丝冢岣吡巳壥诫娏﹄娮幼儔浩髟谥绷骶W(wǎng)絡(luò)的中的適用性，可用于多種形式的電壓接入和輸出，有利于其在直流混合電網(wǎng)中的應(yīng)用[3]。

圖4 MMC型能量路由器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單相級聯(lián)型H橋（Cascaded H-Bridge Converter，CHBC）和模塊化多電平變換器兩種形式。CHBC結(jié)構(gòu)可以提供直流端口，又能滿足高壓大容量的需求，具備能量路由器所需的多端口的基本需求，可滿足能源互聯(lián)網(wǎng)形成靈活的組網(wǎng)[3]。MMC結(jié)構(gòu)具有高壓直流端口，可直接與柔性直流網(wǎng)絡(luò)相連，并且還具有網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)電壓、電流以及功率靈活可調(diào)等特點，適用于高壓直流輸電等需要傳輸有功功率的場合，滿足微網(wǎng)智能接口需求[7,8]。

3.2 變換單元組合技術(shù)

變換單元組合技術(shù)是滿足能量路由器功能需求的最基本技術(shù)。能量路由器中承壓通流能力、大容量、大功率、高效接入、電氣隔離、交直流互聯(lián)等電壓、電流、容量、功率以及功能等問題，可以通過采用不同變換單元技術(shù)的組合進行解決。例如，在三相低壓應(yīng)用場景中，可以利用直接矩陣變換單元、間接矩陣變換單元以及具有直流母線的背靠背變換單元3種單元之間的兩兩組合構(gòu)成不同類型的三相AC/AC變換器。在三相中高壓應(yīng)用場景中，采用串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加承壓能力，利用器件串聯(lián)單元、二極管箝位多電平單元以及級聯(lián)模塊多電平單元組合成不同的高壓AC/AC變換器。

3.3 端口即插即用技術(shù)

端口即插即用技術(shù)是指在能量路由器不斷電情況下可以實現(xiàn)包括能量和信息等兩方面的即插即用。在能量方面，實現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備以及負(fù)荷變流器等與能量路由器的開放端口即時插接和立刻應(yīng)用。在信息方面，實現(xiàn)快速識別所插入設(shè)備的類型和控制本地變換器的輸出類型。

3.4 協(xié)調(diào)控制技術(shù)

多端口多級聯(lián)變換器協(xié)調(diào)控制技術(shù)按照協(xié)調(diào)控制方式的不同，分為前饋控制和能量平衡控制。前饋控制技術(shù)是指測量傳輸過程中的干擾量通過控制器實現(xiàn)對被控量的控制，按照前饋量的不同，分為電流前饋、能量前饋以及功率前饋。能量平衡技術(shù)是指利用能量平衡原理建立各級變換器控制量之間的能量關(guān)鍵，分為電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器以及能量調(diào)節(jié)器。

3.5 分級通信技術(shù)

分級通信技術(shù)是指根據(jù)能量路由器對內(nèi)和對外的通信技術(shù)，包括內(nèi)部通信技術(shù)和外部設(shè)備通信技術(shù)。內(nèi)部通信技術(shù)要維持能量路由器內(nèi)部電壓穩(wěn)定、能量平衡以及系統(tǒng)安全等，具備高速、實時、容錯、準(zhǔn)確的通信要求。外部設(shè)備通信技術(shù)要實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)信息互聯(lián)和遠(yuǎn)程調(diào)度等功能，具備數(shù)據(jù)進行高速、雙向、可靠傳輸?shù)纫蟆２捎孟冗M的5G交互式通信技術(shù)，將使能量路由器應(yīng)用響應(yīng)速度快，提高動態(tài)時效性。

3.6 分層能量管理技術(shù)

分層能量管理技術(shù)是提高電網(wǎng)傳輸效率、裝置利用率、穩(wěn)定性以及可靠性的重要手段。通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)等多層能量管理控制，實現(xiàn)電網(wǎng)對支路電能的主動控制和合理分配，滿足能量的高效傳輸。

4 典型應(yīng)用

能量路由器可用于開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)、住宅小區(qū)、學(xué)校校園、數(shù)據(jù)中心等離網(wǎng)供電、應(yīng)急供電、交直流配網(wǎng)以及大能耗用電等場景。其中，氣電能源系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)及大型數(shù)據(jù)中心等是常見的典型應(yīng)用場景。

4.1 氣電能源系統(tǒng)

氣電能源系統(tǒng)中設(shè)備種類較多，可以分為供能設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲能設(shè)備以及能量路由器4種。其中，外部供能設(shè)備包括燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t等，電、熱、冷、氣耦合能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括電鍋爐和電制冷機等，儲能設(shè)備有儲能電池和蓄熱槽等，能量路由器包括中壓交流、低壓交流、中壓直流以及低壓直流4種類型電壓源換流裝置，當(dāng)任意端口失去供電功能時，可由其他端口轉(zhuǎn)供，實現(xiàn)電能的靈活供應(yīng)[2]。能量路由器在氣電型綜合能源網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用示意如圖5所示。

圖5 能量路由器在氣電型綜合能源網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用示意圖

4.2 智能微電網(wǎng)

依據(jù)智能微電網(wǎng)中現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷類型以及應(yīng)用場景，能量路由器可分為雙端口、三端口、多端口形態(tài)結(jié)構(gòu)等類型[9,10]。在智能微電網(wǎng)中，能量路由器可以實現(xiàn)提高分布式能源的自我消納、特殊供電以及應(yīng)急供電。在區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以通過建立“能量路由器群組+配電網(wǎng)”系統(tǒng)，由內(nèi)部的各種能源設(shè)備為區(qū)域供應(yīng)交直流電和冷熱負(fù)荷[6]。

4.3 大型數(shù)據(jù)中心

大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要包括高壓變配電系統(tǒng)、后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)、市電和備用電源自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)以及不間斷電源系統(tǒng)等模塊。能量路由器可以提供大容量的柔性直流，實現(xiàn)高可靠輸配電，減少電力變換環(huán)節(jié)，進而減少設(shè)備部署與投資[2]。

5 結(jié) 論

能量路由器結(jié)合先進的電力電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)，可以綜合實現(xiàn)配網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)多電壓等級端口的能量互聯(lián)以及功率雙向傳輸，解決了交直流電源與負(fù)荷之間高效、智能、柔性連接的問題，在氣電互補型綜合能源系統(tǒng)中將起到重要的作用。下一步，需要從核心功率元器件、物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電力電子設(shè)計、理論仿真分析、控制管理系統(tǒng)以及應(yīng)用示范場景方面深入研究能量路由器，提高現(xiàn)代智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性以及安全性。