面向能源互联网的电能路由器应用研究

冯高辉，赵争鸣，袁立强

(1.清华大学能源互联网创新研究院，北京 100085；2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学 电机工程与应用电子技术系)，北京 100084)

随着大规模化石能源为主的发电环节对环境的破坏作用日益明显，在电力系统的发电环节开始引入更多清洁的、可再生的新能源发电系统，在配电和用电环节，通过采用更多交互的多维传输网络和双向储能设施，实现电能的高效、智能流通和储存，即整体着眼于可再生能源的开源和节流。遵循这个发展思路，电力行业先后提出了坚强电网[1]和智能电网的概念[2]。考虑深度融合信息化、智能化的因素，电力网络逐步向能源互联网[3]、泛在电力物联网[4]等更高等级过渡。这些设想对现有的电力输、配电网络和其中的电力设备都提出了新的要求，即从电能供应可靠性到智能化程度的逐步提高，再到融合可再生能源和电能存储的各类型设备，最后达到对整个电网各个环节的智能调节，逐步从对电网可靠性要求(坚强电网)过渡到对电网中电能的精细管理(能源互联网)。

综合能源服务追求的是能源系统的协同优化，不同的能源形式在不同应用场合承担不同角色，主导能源会随着场景需求的不同而不同。举例来说，长距离的大容量传输，可以是电力网络也可以是天然气网络；储能环节的选择则更多，可以是电储能、天然气储能、冷/热储能等；可以根据应用环境的不同，采用单一的能源或者几种能源的组合进行面向用户的供能服务。而能源互联网的初衷是实现更大范围的多种能源传输、转换、储能和应用，从这个角度来看，综合能源服务是能源互联网在用户侧的集中体现。如何在当前能源互联网迅速发展的前提下，将能源互联网的优势和综合能源服务的优势紧密结合起来，将电能在综合能源服务中的应用优势发挥到最大，进而形成以电能为主体的综合能源服务，是本文研究的主要目的。为实现这个目标，需要在能源互联网中布置智能的电能管理装置和配套能源管理系统，即电能路由器。

1 电能路由器的应用需求

电能路由器作为能源互联网的关键节点设备，在信息和能量2个方面高度统一和互动，信息控制能量，能量反制信息，在多源多荷的复杂电力网络系统，通过电能路由器可以实时对各条线路的能流主动管理，各个节点的信息实时共享。

在目前的电网中，存在大量运行的新能源发电设备和储能设备，它们大部分以相对独立的形式存在，与电网的交互只限制在某一个局部。

在发电侧，通常会根据场地条件布置集中式的光伏和风电发电系统，同时根据需要配置一定的储能系统，这几部分通常会直接并联到中压交流电网中，各部分之间是交流耦合，互相之间的信息不透明，按照各自的设定目标执行，如光伏、风电按照最大发电功率执行，储能根据需求进行移峰填谷或者与常规发电机组联合进行快速调频，应用模式如图1所示。这种应用模式可以看作是电能路由应用的初级阶段，电能在各部分之间是自发流动的，路由器的结构是松散的。

在电网侧，现有的一些电能路由器应用方式是利用储能对调频、调峰需求较大的主干路电网进行补偿，这种应用不多，基本上可以看作是电能双向流动的路由行为。

图1 发电侧新能源和储能应用模式Fig.1 Application of new energy and energy storage at generation side

在用户侧，目前分别是以交流母线耦合和直流母线耦合为2种主要形式的松散型电能路由方案。目前园区微电网大部分是以交流母线耦合为主，利用现有的各种电能并网设备，如光伏并网、风电并网和储能并网等设备，构建分散式的电能汇集和自发分配的电能管理系统。在这种分布式微电网中的各种并网设备和用电设备共同构成的电能路由系统，主要特点是各个电能端口之间通过开放的公共交流母线进行电能互联。如图2所示，其中各部分并网设备按照各自设定的目标执行，互相之间没有通信，需要加装信息采集和传输装置实现各自部分信息的上送，由于各部分设备没有开放控制权限，因此微电网中的控制器主要起到系统线路保护和监视各部分装置的作用。

图2 基于公共交流母线的松散型电能路由器Fig.2 Loose electric energy router based on common AC bus

这种形式的电能路由本质是一种被动路由，只在微电网内分布式设备的信息层面实现了路由，而在能源层面是被动路由。如果要进行主动路由，需要在微电网中各个分布式设备的层面增加代理设备，该设备能够起到采集信息和控制指令下发给微电网内部各个设备的作用[5]，如图3所示，由此带来的是设备成本和通信复杂程度的增加。

图3 基于代理机制的能源互联网微电网Fig.3 Energy internet based on energy LAN agent

第二类是将分布式的直流变换器通过直流母线耦合在一起，形成基于直流母线的电能路由方案，如图4所示。与交流微电网不同的是，由于涉及直流母线电压的本地控制，连接到直流微电网上的变换器通常采用下垂控制，将直流母线电压稳定在某个范围内，上层控制器对各个分散的变换器进行状态监控和直流微电网系统的能量管理[6]。

图4 基于直流母线的松散型电能路由器Fig.4 Loose electric energy router based on common DC bus

由于连接到直流微电网中的变换器不是全部集中控制，而是按照各自设定的控制目标运行，相互之间的通信受限，所以这类微电网内部的电能路由也是被动进行的。

综合来看，不管是在发电侧、电网侧还是用户侧，由分散式设备构成的系统内的被动电能路由行为，都由于缺乏集中的能量管理系统，导致系统内能量容易出现不平衡，进而造成系统内局部不稳定，需要容量更大的上层网络作支撑；而当电网系统中用户侧的各个微电网系统数量增多后，各个微电网系统之间的通信和电能管理更是难以实时互联互通，容易影响配电网系统或者更大范围的网络不稳定。

因此，需要集中式电能路由器从配电网底层直接进行能量管理和电能质量治理，即同时满足对电能的灵活路由要求和对用户的电能变换要求[7-8]。特别是随着新能源的高渗透率接入后，通过安装集中式电能路由器，配合储能就能够在用户侧直接进行能量管理和就地消纳，在更高电压等级的配电网中应用不同接口和功能类型的电能路由器进行组网运行[9-10]，实现能源互联网在配电网和用户侧微电网层面的预定目标。同时，结合用户侧和发电侧对有源滤波、无功补偿、低电压穿越等功能的需求，在集中式电能路由器这样的多端口设备中，并网端口可以兼顾这些需求，与现有的交流或直流母线的耦合方案相比，实现了更多功能的集中。各个端口承担的功能明确，互相耦合的状态加强，可以实现更多单体设备组网运行时不具备的功能，如集群运行、分层运行等。

2 电能路由器的研究路线和功能

电能路由器作为综合电能变换与信息处理的底层支撑设备，对其相关研究从2011年左右开始，并且持续活跃至今[11-13]。最开始是从能源互联网的角度展开研究，提出电能路由器的概念，然后从电能路由器的装置角度出发展开多方面的研究，如拓扑形态、控制策略、能量管理和启动控制等[14-22]，进一步针对装置在户用场所[23-25]、电网故障情况[26]、电能质量控制[27]、灵活配电系统[28]等各类场景中的应用进行了专门研究，重点研究了微电网应用中的组网模式[29-32]、潮流控制[33-34]、优化控制[35]、能量管理[36-37]等；同时，针对电能路由器涉及的信息层面，在信息通信、信息能量接口方面也进行了一定的研究[38-39]，并且专门针对网络中实现路由功能，对不同优化目标的路由算法进行了研究[40-41]。

从上述过程来看，不同专业领域的人员对电能路由器的认识和研究是不同的，归纳如下：

a)从电网的角度看，电能路由器是一种面向主动配电网和多源终端的电能管理调节设备。

b)从信息角度看，电能路由器是状态感知和信息处理的网络信息传输节点设备。

c)从电力电子学科的角度看，电能路由器是一种多端口、多流向、多功能形态的电力电子变换器，在其中实现信息流与能量流的相互控制和制约。

d)从装置构成材料的角度看，电能路由器是由半导体、铜、铁、磁、绝缘和冷却等材料和器件构成的电磁能量变换装置。

本文从电力电子学科的角度展开，逐步面向能源互联网中的应用进行研讨。

电能路由器拓扑结构起源于电力电子变压器，研制电力电子变压器的初衷是用可控的半导体开关器件与高频变压器组合，替代体积和重量都比较大的工频电力变压器，用于对体积和重量要求比较高的场合，如机车、舰船等。它首先是一个两端口的装置，除了具备传统变压器的变压、电气隔离等功能外，还可以控制传输功率，包括抑制和改善谐波等。由于加入可控开关元件和控制单元，实现了较大的可控性。在此基础上，随着新能源和储能的接入需求越来越多，如光伏、风电并网和储能的削峰填谷等应用，在电力电子变压器的连接母线上通过交流或直流变换器接入这些新能源，使得装置由两端口变成多端口的电力电子变压器。多端口的特性使得装置所处的网络节点具备了传输路径的多选性，继续将这些多端口设备互联互通后，就形成了以这些多端口设备为节点的电能传输和存储网络，类比于信息互联网，把这样的电能网络称为电力能源互联网，中间的这些多端口设备称为电能路由器。不同类型的电能路由器组网应用示例如图5所示，其中按照配电网接入端口的电压等级可以分为中压电能路由器(medium-voltage electric energy router，MV_EER)和低压电能路由器(low-voltage electric energy router，LV_EER)。

图5 电能路由器的组网应用示例Fig.5 Networking application of electric energy router

举例来说，图5中左下方的1号负荷所需的电能既可以由与1号LV_EER就近连接的1号储能提供，也可以通过1号MV_EER由上方的1号电网和1号光伏提供，还可以通过2号MV_EER由右下方的2号电网和2号光伏提供，即为这个负荷提供了多条电能供应的流通路径，配合网络优化目标和约束条件形成的路由规则，就确定了网络中各级电能路由器的具体执行目标。

各级电能路由器的功能具体表现在2个层面。在单个装置层面：①具备电能变换能力；②具备信息收发和处理能力；③具备对外通信能力；④具备电能互联互通能力。在装置集群层面：①具备集群网络内部各条线路的功率传输调节能力；②具备重要负荷的供电可靠性及故障容错和功能互补；③可实现集群网络内部的自动优化和调度，减少了人工干预的程度；④具备集群内数据分析和自动上传能力。电能路由器装置的功能构成如图6所示。

图6 电能路由器装置的功能框图Fig.6 Functional block of electric energy router

电能路由器装置内部分为电能变换单元、信息收发单元、数据处理单元和通信接口。电能变换单元主要由电力电子变换电路构成，完成电能的变换、传输、隔离以及电能质量治理和其他功能，各个变换端口提供电能路由所需的多端口物理基础；信息收发单元主要由传感器和信号处理电路构成，完成对端口外部和内部状态信息的采集和控制；数据处理单元主要由处理器和数据存储芯片构成，完成装置的本地自治和生成上报数据；通信接口则是由符合装置内部、上层和云端数据传输要求的电路构成，分为内部通信和外部通信。内部通信是指电能路由器内部各部分之间的通信，相对而言是短时间尺度的，进行快速响应和动作；外部通信主要包括与平级设备、继保设备和上级设备间的通信，如其他电能路由器、上级能量管理调度设备或者云端设备。

上述依托电能路由器形成的微电网平台，在技术推进上涉及以下几个方面：

a)首先是依托电力电子技术实现基本的电能变换功能和改进电能质量的功能，这是电能路由器区别于常规变压器的根本。这其中又包括采用新型的半导体器件和不同电压等级下带来的一系列问题，需要研究新的功率半导体器件和高电压等级下的装置绝缘、耐压等问题。

b)其次是不同时间尺度、不同通信规约的通信系统带来的挑战，其中大致包括装置内部各个部分之间的高速通信、装置集群之间的通信、装置与能量管理系统之间的通信、微电网平台与云平台等其他上层设备的通信，需要制订相应的通信标准和协议。

c)集群组网后，还需要开发微电网内部以及各层级网络的能量管理调度系统，涉及到电力系统中的网络效率优化、继电保护、供电可靠裕度等方面的技术发展。这部分是电能路由器未来应用中需要重点研究和解决的技术难题，比如：在双向可控的多支路潮流中如何优化；现有继保装置如何与电力电子装置的保护装置配合；新增用户场景中，交、直流源、荷的比例如何分配。

3 集中式电能路由器在微电网和配电网中的应用结构

区别于用公共母线(交流和直流)耦合构成的松散型电能路由方案，本文提出以多端口电力电子变压器为基础拓扑的集中式电能路由器的应用结构。该集中式电能路由器结构紧凑，将多级变换器集中控制，对外可以提供多个不同容量的电能端口，所提供的端口兼容高压、中压和低压，交流和直流，可用于高、低压交、直流混合微电网和配电网之间，而且可以兼容如谐波治理、无功补偿、低电压穿越等功能。采用集中控制器能够带来各个端口之间电能的快速响应，不受外部通信条件的制约，能够兼顾长、短时间尺度内的电能路由行为。

集中式电能路由器布置在增量配电网之间或者配电网中的微电网相应节点位置，根据微电网情况选择合适的端口类型和容量。当应用于混合微电网时，在现场条件没有明确要求各个端口之间两两电气隔离的情况下，或者是拓扑只有两端口的情况下，拓扑内部可以采用共直流汇集的形式。其中，直流母线可以根据所连接的直流源或负载进行电压等级的设置，结构如图7所示。该结构在能源层面，通过在装置内部设置高压和低压的直流母线，并且设置与外部装置匹配的接口变换器，实现各个部分的电能主动路由。与松散型电能路由方案相比，集中式体现在并网装置的容量复用和短时间尺度的控制策略上，同时集合了局域网信息代理功能，实现信息传输和控制指令的远程收发。

图7 基于直流母线电力电子变压器的集中式电能路由器Fig.7 Centralized electric energy router based on power electronic transformer with DC bus

当应用于多条配电网线路之间时，要求各个端口之间两两电气隔离，此时拓扑内部需要采用多端口的高频隔离变换器或者共高频母线的结构，如图8表示连接4条中压配电网线路的集中式电能路由器，每条线路与电能路由器的1个中压端口连接，实现相互间的电能路由。

图8 基于高频母线多端口电力电子变压器的集中式电能路由器Fig.8 Centralized electric energy router based on multi-port power electronic transformer with high frequency bus

基于直流母线的拓扑结构由于内部有直流环节，系统各端口变换器之间耦合度比基于高频母线拓扑的各端口变换器的耦合度更低，系统整体惯性更大，瞬态控制相对容易，目前更多地应用于集中式电能路由器的结构中。

4 电能路由器在能源互联网中的应用

本节考虑电能路由器在能源互联网中的应用场景，以配电网内能量管理以及配电网间潮流控制为目标，每种类型的应用场景可以通过不同类型接口和不同功率等级的电能路由器单个或集群组合，来实现存量配电网改造和增量配电网应用。

4.1 工业生活园区的应用

配电网内部典型的应用场景是工业、生活园区，其配电网间利用中压大功率的多端口电能路由器进行配电网线路间的柔性连接。

工业园区内部，包括传统的制造加工集群的工业园区和以提供数据服务为主的园区，特点都是耗电量很大，负荷以非线性和脉冲型负荷为主，这些场所除了可以利用分布式光伏外，还经常配置一些超级电容、飞轮储能等，以保证重要负荷不断电。同时充分利用储能设备进行削峰填谷，降低电费开支。生活园区中负荷主要是空调类电动机负荷、热水器和充电桩等，同时园区内可以因地制宜地布局一些分布式光伏和储能设施，负荷变化相对平缓。园区微电网的能量管理方面：一是可以利用光、储配合提高经济性；二是可以对负荷进行需求管理(如电动汽车的V2G)，同时利用发电机组对重要负荷进行保障。

典型组网应用如图9所示，由MV_EER和LV_EER这2类电能路由器串联组成。MV_EER布置于变电站内，提供交流和直流2路中压电压接入端口：1路400 V交流母线与发电机组互联，作为孤岛运行的备用；1路750 V直流母线与各个用户侧的LV_EER互联。LV_EER布置在园区适当位置的配电室内，就近连接光、储设备等，然后通过配电系统接到负荷端。所有线路的节点信息通过LV_EER处理后，上送变电站内的MV_EER，其能量管理系统通过两级电能路由器和配电系统进行负荷主动管理、园区微电网能量管理和重要信息上送。根据园区的发展建设，可以并联或集群使用MV_EER，提供更多的端口数量和更大的功率等级，而LV_EER的拓扑可以根据具体场景演变为两端口的储能DC/DC或者三端口的光储一体DC/DC等。当处于孤岛运行状态时，能量管理系统需要进行新能源发电、储能管理、发电机组的协调运行和负载的主动管理。由于没有电网的支撑，各个底层的LV_EER需要及时上送信息，便于MV_EER及时进行负荷管理和发电机组启停操作。

4.2 数据中心园区的应用

还有一些新型场合的应用，比如将变电站建设改造与储能站和数据中心站结合，其中储能站和数据中心除了可以为变电站自身服务，更多地可以为变电站后端的业务需求提供服务。变电站内的典型组网应用如图10所示，2路MV_EER通过不同的10 kV线路引入变电站内，通过之间的互联互相备用，通过2路独立LV_EER提供400 V交流变压功能和分布式设备的接入功能，与园区中的LV_EER应用类似；同时通过2路并联使用的LV_EER为数据中心提供低压直流双线供电，为保证足够的供电可靠性，接入超级电容等功率型储能装置。最终所有底层设备信息通过计算处理后上送至主MV_EER，用于变电站内新场景应用的能量管理。

图9 工业生活园区配电网内电能路由器组网应用案例Fig.9 Networking application of electric energy router in distribution network in industrial and living area

图10 变电站中电能路由器组网应用案例Fig.10 Networking application of electric energy router in distribution network in transformer substation

4.3 配电网之间的应用

在电网传输线路中，多个独立的配电网可以通过电能路由器进行互联，实现在能源互联网中配电网间电能路由的目标。

目前在城市地区，中压配电网通常采用环形网络结构，一般以开环运行为主。如图11所示为一种典型双环网组网方式，其中：1号、2号配电网线路构成单环网，通过QF1连接；3号、4号配电网线路构成单环网，通过QF2连接；正常运行时QF1和QF2均断开，系统开环运行。当需要合环运行时，由于不同供电分区的电源电压幅值、相位均可能存在偏差，合环运行可能导致环流过大，引发线路保护。由于10 kV母线采用单联络的接线方式，线路上会有许多备用和冗余设备，使得在新建变电站和线路时，站址通道选址困难；同时为保证系统“N-1”的裕度，每条线路的最大负载率均为50%。

图11 传统的双环网组网应用案例Fig.11 Traditional double ring distribution networking application

为此，考虑将几个独立运行的配电网线路，通过电能路由器柔性连接，实现多条线路潮流的快速分配，达到不停电转移负荷，同时提高电网设备利用率的目的[42]。采用四端口中压电能路由器将4条10 kV配电线路互联后，组网方式如图12所示。各条线路正常工作时，各个端口传输功率均为零，当某条线路远端出现故障时，其他3条线路可以通过MV_EER快速输出功率。由于采用电力电子技术，功率的暂态冲击和转移过程可控，还可以根据各端口需要提供相应的无功。

图12 基于电能路由器的配电网互联方式Fig.12 Distribution networking connection mode based on electric energy router

4.4 能源互联网中的集群应用

利用不同类型的电能路由器集群，形成在10 kV配电网内部的多维交互网络化，电能具有多条潮流途径，在此基础上处于各位置的电能路由器各司其职，底层路由器进行信息收发和电能路由，上层路由器进行边缘计算和信息上报。以10 kV配电网系统作为能源互联网的基本单元，这些基本单元之间通过中压电能路由器互联，实现基本单元之间的路由执行功能。一种基于电能路由器集群的能源互联网模型如图13所示，多个基本单元(10 kV配电网)通过多端口MV_EER连接，然后与更高电压等级的输电网连接。

5 结束语

本文介绍了电能路由器作为能源互联网的关键感知设备和路由设备，通过不断拓展、完善其功能并广泛推广应用，能够满足能源互联网预想的各种需求。随着电能路由器的不断发展和大量应用，会一定程度地改变现有电力网络的运行规则和其他电网设备，实现电能在更大范围内的智能安全运行。

图13 基于电能路由器集群的能源互联网模型Fig.13 Energy Internet model based on cluster application of electric energy router