能量路由器发展现状及关键技术研究

李 铎，焦丰顺，鲍重廷，周 浩，高维杰，张哲旭，张瑞锋

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.清华大学 深圳国际研究生院，广东 深圳 518055）

0 引 言

单一集中式发电逐渐将向分布式发电、多能互补、灵活柔性、安全可控的能源互联网新方向蓬勃发展，清洁化天然气、大规模新能源、高渗透分布式发电、新能源汽车以及大规模储能系统用电体系均需要接入电网。

由于分布式发电体系和用户用电体系具有不可控性、波动性以及间隙性等特点，给电网带来电压波动、闪变和潮流倒送等问题，影响电网电能、电压质量及电网安全。能源互联网的核心设备能量路由器（Energy Router，ER）可以实现不同电压等级、不同功率形式的能量互联和双向流动，可用于解决传统电网节点关系不对等、不均衡、自治差、网络拓扑不可调节等问题，提高电网和气网的兼容性、经济性以及稳定性，使得电能的生产者、经营者、使用者多方共赢，获得更多的效益，具有重要的研究意义和应用前景。

1 能量路由器的定义、架构与功能

1.1 定 义

能量路由器可实现多电压等级、多电压形式、不同电源、不同负载的多端口输入、输出、转换、存储等功能，实现电、冷、热、燃气及其他形式能源等不同能量形式的互联互补，生产与消费环节的有机贯通，实现不同特征能量流的融合。

能量路由器是一种基于电力变压原理的电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相互结合，用来实现从一种电力特征能量变换为另一种电力特征能量的新型智能变压器，是一种集结构模块化、接口标准化、控制智能化以及系统鲁棒化等特性的能量转换设备[1]。

1.2 架 构

能量路由器可以划分为数据采集层、信息处理层、控制决策层以及能量传输层4个层次。其中，数据采集层主要负责接收调度指令和采集信息，信息处理层进行执行指令分析、状态评估、预测分析等数据处理分析及通信传输功能，控制决策层执行调度指令的优化控制、安全控制与稳定控制，能量传输层用于能量传输。

相对应，能量路由器设备由传感器单元、通信单元、控制单元以及功率单元4个功能模块组成。传感器单元用于采集能源设备和电力信息，通信单元负责内、外部通信两部分，控制单元负责对系统的信息数据处理和电能的控制调度，功率单元由多级电力电子变换单元组合而成，用于能量（电力）切换、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、协调控制、能量路由以及分层管理等。具体如下。

即插即用主要为天然气发电、新能源发电、分布式发电等设备以及储能装置和功率负载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，通过信息流控制能量流。协调控制用于快速实现能量路由、潮流控制及能量调度等功能，保证各线路电能需求的快速匹配。能量路由用于实现电压变换、电气隔离、电流变换、能量流向可控以及交直流混合供电等基本功能。分层管理用于提供更加优化的电网控制策略，提高电网的自愈性，提升电能质量。

2 发展历程

能量路由器的电路结构经过以电子变压器为主的高频变压、以固态变压器为主全电子化变压、以智能变压器为主的智能高频变压、以电力电子变压器为主高压高频变压以及以能量路由器为主的多端口路由变压等几个阶段，具体发展历程如图1所示。

图1 能量路由器发展历程

从1968年开始，人们提出了一种高频环节电力变压器结构，该结构主要是在变压器的两侧绕组增加两个功率电子开关，通过控制电子开关实现基本的交流电压变换功能[1,2]。1980年，提出了一种全部基于功率电子开关的交流变压器结构，采用电力电子器件及其控制实现交流电压的变化[2]。1996年，提出了一种双向开关结构，采用两个全控型电力电子功率开关器件和两个二极管反向并联及相位控制的方法，实现了功率因数校正与电压变换等功能。1999年，提出了由输入整流级、中间隔离级以及输出逆变级共同组成最典型的带隔离变压器的AC-DC-AC三级间接电力电子变压器结构[1]。2000年，提出了串入并出的电力电子变压器结构，该结构在输入级采用二极管整流桥叠加Boost升压电路的级联结构，隔离级采用多绕组变压器结构，输出端采用模块并联结构，实现高压大容量场景的应用[1,3]。2016年以来，提出了多端口输入输出的电力电子变压器，通过对电能传输路径与流向的主动选择和控制，可以实现电能变换、控制等功能[2]。能量路由器在各个发展阶段的主要特征和特点如表1所示。

表1 能量路由器的各个发展阶段及主要特征和特点

3 基础拓扑结构及关键技术

3.1 基础拓扑结构

3.1.1 三级式结构

三级式电力电子变压器结构包括输入整流级、中间隔离级以及输出逆变级3部分，如图2所示。该变压器每一级均可以采用不同拓扑来优化效率和体积，给电压变换和不同电源接入等多种功能集成与系统性能优化提供了空间，进而可以实现中压交流电（Medium Voltage Alternating Current，MVAC）到低压交流电（Low Voltage Alternating Current，LVAC）的电压变换，提供中压直流电（Medium Voltage Direct Current，MVDC）或低压直流电（Low Voltage Direct Current，LVDC）端口，供直流电源或负荷的接入，是当前能量路由器使用最多的结构[4]。

图2 三级式电力电子变压器结构

3.1.2 双主动全桥变换器

双主动全桥变换器（Dual Active Bridge，DAB）拓扑结构主要包括两个全桥变换器、两个直流电容、1个高频变压器以及1个辅助电感组成，如图3所示[5]。通过调节两个高频变压器两端变流器方波电压之间的移相角，可实现能量的双向流动。在DAB级联形式中，交流发电单元接口电路主要为Boost电路，直流负载接口电路主要由Boost/Buck变流器组成，实现电气隔离和电压变换[6]。

图3 双主动全桥变换器拓扑结构

3.1.3 模块化多电平变换器

模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓扑结构具有高压直流母线，允许高压直流形式电能的直接接入，如图4所示[3]。该结构将模块化多电平拓扑作为前级，使得电力电子变压器具有高压交流、高压直流、低压交流以及低压直流等不同端口，提高了三级式电力电子变压器在直流网络的中的适用性，可用于多种形式的电压接入和输出，有利于其在直流混合电网中的应用[3]。

图4 MMC型能量路由器主电路拓扑结构

能量路由器的拓扑结构主要有单相级联型H桥（Cascaded H-Bridge Converter，CHBC）和模块化多电平变换器两种形式。CHBC结构可以提供直流端口，又能满足高压大容量的需求，具备能量路由器所需的多端口的基本需求，可满足能源互联网形成灵活的组网[3]。MMC结构具有高压直流端口，可直接与柔性直流网络相连，并且还具有网侧和负载侧电压、电流以及功率灵活可调等特点，适用于高压直流输电等需要传输有功功率的场合，满足微网智能接口需求[7,8]。

3.2 变换单元组合技术

变换单元组合技术是满足能量路由器功能需求的最基本技术。能量路由器中承压通流能力、大容量、大功率、高效接入、电气隔离、交直流互联等电压、电流、容量、功率以及功能等问题，可以通过采用不同变换单元技术的组合进行解决。例如，在三相低压应用场景中，可以利用直接矩阵变换单元、间接矩阵变换单元以及具有直流母线的背靠背变换单元3种单元之间的两两组合构成不同类型的三相AC/AC变换器。在三相中高压应用场景中，采用串联拓扑结构增加承压能力，利用器件串联单元、二极管箝位多电平单元以及级联模块多电平单元组合成不同的高压AC/AC变换器。

3.3 端口即插即用技术

端口即插即用技术是指在能量路由器不断电情况下可以实现包括能量和信息等两方面的即插即用。在能量方面，实现新能源发电设备、储能设备以及负荷变流器等与能量路由器的开放端口即时插接和立刻应用。在信息方面，实现快速识别所插入设备的类型和控制本地变换器的输出类型。

3.4 协调控制技术

多端口多级联变换器协调控制技术按照协调控制方式的不同，分为前馈控制和能量平衡控制。前馈控制技术是指测量传输过程中的干扰量通过控制器实现对被控量的控制，按照前馈量的不同，分为电流前馈、能量前馈以及功率前馈。能量平衡技术是指利用能量平衡原理建立各级变换器控制量之间的能量关键，分为电流调节器、电压调节器以及能量调节器。

3.5 分级通信技术

分级通信技术是指根据能量路由器对内和对外的通信技术，包括内部通信技术和外部设备通信技术。内部通信技术要维持能量路由器内部电压稳定、能量平衡以及系统安全等，具备高速、实时、容错、准确的通信要求。外部设备通信技术要实现设备数据信息互联和远程调度等功能，具备数据进行高速、双向、可靠传输等要求。采用先进的5G交互式通信技术，将使能量路由器应用响应速度快，提高动态时效性。

3.6 分层能量管理技术

分层能量管理技术是提高电网传输效率、装置利用率、稳定性以及可靠性的重要手段。通过局域网和广域网等多层能量管理控制，实现电网对支路电能的主动控制和合理分配，满足能量的高效传输。

4 典型应用

能量路由器可用于开发区、工业园区、商业园区、住宅小区、学校校园、数据中心等离网供电、应急供电、交直流配网以及大能耗用电等场景。其中，气电能源系统、智能微电网及大型数据中心等是常见的典型应用场景。

4.1 气电能源系统

气电能源系统中设备种类较多，可以分为供能设备、能量转换设备、储能设备以及能量路由器4种。其中，外部供能设备包括燃气轮机和燃气锅炉等，电、热、冷、气耦合能量转换设备包括电锅炉和电制冷机等，储能设备有储能电池和蓄热槽等，能量路由器包括中压交流、低压交流、中压直流以及低压直流4种类型电压源换流装置，当任意端口失去供电功能时，可由其他端口转供，实现电能的灵活供应[2]。能量路由器在气电型综合能源网络中的应用示意如图5所示。

图5 能量路由器在气电型综合能源网络中的应用示意图

4.2 智能微电网

依据智能微电网中现有配电网络、负荷类型以及应用场景，能量路由器可分为双端口、三端口、多端口形态结构等类型[9,10]。在智能微电网中，能量路由器可以实现提高分布式能源的自我消纳、特殊供电以及应急供电。在区域微电网系统中，可以通过建立“能量路由器群组+配电网”系统，由内部的各种能源设备为区域供应交直流电和冷热负荷[6]。

4.3 大型数据中心

大型数据中心供配电系统主要包括高压变配电系统、后备柴油发电机系统、市电和备用电源自动转换系统、低压配电系统以及不间断电源系统等模块。能量路由器可以提供大容量的柔性直流，实现高可靠输配电，减少电力变换环节，进而减少设备部署与投资[2]。

5 结 论

能量路由器结合先进的电力电子技术和网络信息通信技术，可以综合实现配网侧和用电侧多电压等级端口的能量互联以及功率双向传输，解决了交直流电源与负荷之间高效、智能、柔性连接的问题，在气电互补型综合能源系统中将起到重要的作用。下一步，需要从核心功率元器件、物理拓扑结构、电力电子设计、理论仿真分析、控制管理系统以及应用示范场景方面深入研究能量路由器，提高现代智能电网的稳定性、可靠性以及安全性。