能量路由器發展現狀及關鍵技術研究

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 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引 言

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

由于分布式發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，給電網帶來電壓波動、閃變和潮流倒送等問題，影響電網電能、電壓質量及電網安全。能源互聯網的核心設備能量路由器（Energy Router，ER）可以實現不同電壓等級、不同功率形式的能量互聯和雙向流動，可用于解決傳統電網節點關系不對等、不均衡、自治差、網絡拓撲不可調節等問題，提高電網和氣網的兼容性、經濟性以及穩定性，使得電能的生產者、經營者、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用前景。

1 能量路由器的定義、架構與功能

1.1 定 義

能量路由器可實現多電壓等級、多電壓形式、不同電源、不同負載的多端口輸入、輸出、轉換、存儲等功能，實現電、冷、熱、燃氣及其他形式能源等不同能量形式的互聯互補，生產與消費環節的有機貫通，實現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和基于電磁感應原理的電能變換技術相互結合，用來實現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，是一種集結構模塊化、接口標準化、控制智能化以及系統魯棒化等特性的能量轉換設備[1]。

1.2 架 構

能量路由器可以劃分為數據采集層、信息處理層、控制決策層以及能量傳輸層4個層次。其中，數據采集層主要負責接收調度指令和采集信息，信息處理層進行執行指令分析、狀態評估、預測分析等數據處理分析及通信傳輸功能，控制決策層執行調度指令的優化控制、安全控制與穩定控制，能量傳輸層用于能量傳輸。

相對應，能量路由器設備由傳感器單元、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備和電力信息，通信單元負責內、外部通信兩部分，控制單元負責對系統的信息數據處理和電能的控制調度，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、協調控制、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電、新能源發電、分布式發電等設備以及儲能裝置和功率負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。協調控制用于快速實現能量路由、潮流控制及能量調度等功能，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化的電網控制策略，提高電網的自愈性，提升電能質量。

2 發展歷程

能量路由器的電路結構經過以電子變壓器為主的高頻變壓、以固態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，具體發展歷程如圖1所示。

圖1 能量路由器發展歷程

從1968年開始，人們提出了一種高頻環節電力變壓器結構，該結構主要是在變壓器的兩側繞組增加兩個功率電子開關，通過控制電子開關實現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的交流變壓器結構，采用電力電子器件及其控制實現交流電壓的變化[2]。1996年，提出了一種雙向開關結構，采用兩個全控型電力電子功率開關器件和兩個二極管反向并聯及相位控制的方法，實現了功率因數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構[1]。2000年，提出了串入并出的電力電子變壓器結構，該結構在輸入級采用二極管整流橋疊加Boost升壓電路的級聯結構，隔離級采用多繞組變壓器結構，輸出端采用模塊并聯結構，實現高壓大容量場景的應用[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，可以實現電能變換、控制等功能[2]。能量路由器在各個發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展階段及主要特征和特點

3 基礎拓撲結構及關鍵技術

3.1 基礎拓撲結構

3.1.1 三級式結構

三級式電力電子變壓器結構包括輸入整流級、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撲來優化效率和體積，給電壓變換和不同電源接入等多種功能集成與系統性能優化提供了空間，進而可以實現中壓交流電（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，供直流電源或負荷的接入，是當前能量路由器使用最多的結構[4]。

圖2 三級式電力電子變壓器結構

3.1.2 雙主動全橋變換器

雙主動全橋變換器（Dual Active Bridge，DAB）拓撲結構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]。通過調節兩個高頻變壓器兩端變流器方波電壓之間的移相角，可實現能量的雙向流動。在DAB級聯形式中，交流發電單元接口電路主要為Boost電路，直流負載接口電路主要由Boost/Buck變流器組成，實現電氣隔離和電壓變換[6]。

圖3 雙主動全橋變換器拓撲結構

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）拓撲結構具有高壓直流母線，允許高壓直流形式電能的直接接入，如圖4所示[3]。該結構將模塊化多電平拓撲作為前級，使得電力電子變壓器具有高壓交流、高壓直流、低壓交流以及低壓直流等不同端口，提高了三級式電力電子變壓器在直流網絡的中的適用性，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中的應用[3]。

圖4 MMC型能量路由器主電路拓撲結構

能量路由器的拓撲結構主要有單相級聯型H橋（Cascaded H-Bridge Converter，CHBC）和模塊化多電平變換器兩種形式。CHBC結構可以提供直流端口，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，可滿足能源互聯網形成靈活的組網[3]。MMC結構具有高壓直流端口，可直接與柔性直流網絡相連，并且還具有網側和負載側電壓、電流以及功率靈活可調等特點，適用于高壓直流輸電等需要傳輸有功功率的場合，滿足微網智能接口需求[7,8]。

3.2 變換單元組合技術

變換單元組合技術是滿足能量路由器功能需求的最基本技術。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的組合進行解決。例如，在三相低壓應用場景中，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成不同類型的三相AC/AC變換器。在三相中高壓應用場景中，采用串聯拓撲結構增加承壓能力，利用器件串聯單元、二極管箝位多電平單元以及級聯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

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

3.4 協調控制技術

多端口多級聯變換器協調控制技術按照協調控制方式的不同，分為前饋控制和能量平衡控制。前饋控制技術是指測量傳輸過程中的干擾量通過控制器實現對被控量的控制，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鍵，分為電流調節器、電壓調節器以及能量調節器。

3.5 分級通信技術

分級通信技術是指根據能量路由器對內和對外的通信技術，包括內部通信技術和外部設備通信技術。內部通信技術要維持能量路由器內部電壓穩定、能量平衡以及系統安全等，具備高速、實時、容錯、準確的通信要求。外部設備通信技術要實現設備數據信息互聯和遠程調度等功能，具備數據進行高速、雙向、可靠傳輸等要求。采用先進的5G交互式通信技術，將使能量路由器應用響應速度快，提高動態時效性。

3.6 分層能量管理技術

分層能量管理技術是提高電網傳輸效率、裝置利用率、穩定性以及可靠性的重要手段。通過局域網和廣域網等多層能量管理控制，實現電網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 典型應用

能量路由器可用于開發區、工業園區、商業園區、住宅小區、學校校園、數據中心等離網供電、應急供電、交直流配網以及大能耗用電等場景。其中，氣電能源系統、智能微電網及大型數據中心等是常見的典型應用場景。

4.1 氣電能源系統

氣電能源系統中設備種類較多，可以分為供能設備、能量轉換設備、儲能設備以及能量路由器4種。其中，外部供能設備包括燃氣輪機和燃氣鍋爐等，電、熱、冷、氣耦合能量轉換設備包括電鍋爐和電制冷機等，儲能設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，當任意端口失去供電功能時，可由其他端口轉供，實現電能的靈活供應[2]。能量路由器在氣電型綜合能源網絡中的應用示意如圖5所示。

圖5 能量路由器在氣電型綜合能源網絡中的應用示意圖

4.2 智能微電網

依據智能微電網中現有配電網絡、負荷類型以及應用場景，能量路由器可分為雙端口、三端口、多端口形態結構等類型[9,10]。在智能微電網中，能量路由器可以實現提高分布式能源的自我消納、特殊供電以及應急供電。在區域微電網系統中，可以通過建立“能量路由器群組+配電網”系統，由內部的各種能源設備為區域供應交直流電和冷熱負荷[6]。

4.3 大型數據中心

大型數據中心供配電系統主要包括高壓變配電系統、后備柴油發電機系統、市電和備用電源自動轉換系統、低壓配電系統以及不間斷電源系統等模塊。能量路由器可以提供大容量的柔性直流，實現高可靠輸配電，減少電力變換環節，進而減少設備部署與投資[2]。

5 結 論

能量路由器結合先進的電力電子技術和網絡信息通信技術，可以綜合實現配網側和用電側多電壓等級端口的能量互聯以及功率雙向傳輸，解決了交直流電源與負荷之間高效、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、物理拓撲結構、電力電子設計、理論仿真分析、控制管理系統以及應用示范場景方面深入研究能量路由器，提高現代智能電網的穩定性、可靠性以及安全性。