清华大学电机系副教授袁立强：面向能源互联网的电能路由器

2017城市能源互联网发展（北京）论坛暨能源互联网示范项目建设与合作研讨会于2017年12月1日在北京举办。下午技术论坛环节，清华大学电机系副教授袁立强发表演讲，主题是：面向能源互联网的电能路由器。

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袁立强：

我今天的报告是面向能源互联网的电能路由器。我们从电力电子的角度谈一谈对电能路由器的理解。包括定义功能、发展历程、应用分析和关键技术来谈谈我一点点体会。在座想听关键技术，恐怕要失望了，我今天只是抛砖引玉讲一些故事。

我们对能源互联网和电能路由器的理解是这样，我们认为它俩是非常密切相关，都是从朴素的理念出发，我们用微信、手机分享很多信息，我们能不能创造一个能源互联网来分享能源，这是非常朴素的想法。基于这样的想法，我们来想能量路由器在能源互联网的作用就很简单了。比如在类互联网过程中，能源路由器跟能源互联网的作用就跟普通路由器跟普通互联网的作用是差不多，但是它俩有巨大差别，能量不可区分，不妨碍我们对重要性的理解。

从狭义能源互联网理解，传输的能量主要以电能为主，能源路由器在里面就非常有作用。

过去十年能源互联网和电能路由器。无论有能量路由器还是电能路由器有很多定义，什么是电能路由器？

两年前我们兄弟院校浙江大学有一个教授发文章阐述这样一个概念，电能路由器为电能提供变换、隔离和管理的作用。它是一种集成了信息技术和电力电子技术，实现分布式能量的高效利用和传输设备，这种概念很棒，没错，总感觉哪个地方地方没吃透，这是一个新概念，怎么办？今年，我们团队的一个教授，在电机工程学报发了一篇文章，从多个角度阐述这件事情，从电力系统角度看，就是一个面向主动配电网或者智能终端电力管理调节器，从互联网思维，今天上午和刚才很多人说得很清楚，就是一个物理系统和信息系统相互制约和管理的设备。从用户角度，你能为我实现什么，实现电压变换、谐波治理、即插即用等。从电力电子的角度，是多端口、多级联、多流向多、形态的电力电子变换器。这样的定义有什么功能？同样在这篇文章，我们团队的头阐述了五个基本功能。

第一，能够为新能言发电和分布式储能装置提供即插即用的交、直流接口。可以接入直流的微网也可以接入交流的微网也可以直接接入不同电压器和电流的负载，同时接入传统10千伏或者低压3.8伏的配给装置。

第二，能够实现电压变换电气隔离，能量流向可控，提升电能质量。我们现有很多的电气设备部分功能集中在一起，我们帮它理解成电能路由器。

第三，能够根据故障和系统需求，自主的与主网进行分离或者并网提供电网的自愈性，能独立运行可以和电网协同运行，并网同时上网，并网不上网，搞光伏的很多人了解这个概念，什么叫并网不上网等等。

第四，能够快速实施能量路由，保证各个线路所需快速匹配范围。在构建面向未来配电网过程中，核心的电力电子装置，电能路由器或者能量管理中心或者固态变压器也好都发挥了至关重要的作用，都是实现这样一个能量的快速路由的功能。

最后，能量路由器或者电能路由器，必须能够实施同步共享信息，实现信息流与能量流相互制约和管理。在这样一个图，能量流和信息流两个网络相互嵌套在一起。这样好用的功能是不是今天发明出来，其实不是，很早有人提过这个东西。早在1968年和80年左右美国就有案例，电子变压器，固态变压器，智能的，电力电子，能量管理中心、电能路由器等等，很早就有这样一个观念，无论从哪个方式来讲，从电路拓扑上，电气结构上不断迭代和发展，可以简单梳理，从这样一个时间轴来看。

从60年，主要是高频链变换器，80年代不隔离纯粹变换器，上个世纪末到直流到交流的变换。20世纪初到了三级式。前几年为了让变换器能量功率等级提升，模块化结构成为一个标准，最新非常热门多端口模块化的结构，为什么有这样一个流程？从这个流程中我们会看到一些比较有趣的故事，为什么有那么多名字？拓扑结构为什么这样发展。

最早，叫电子变压器。电力电子是50几年开始创立，这个东西好用，第一个想到改造变压器，提高变压器的频率，性能会有改革，最初最根本的想法把电子设备加入到传统的铜和铁。到了80年代固态的半导体材料全面替代了以前的，就叫固态变压器。到上个世纪末，很多新的技术和拓扑加入进来。首先引入了双向开关，加入了真正的第一个智能功能就是功率因素校正，让变压器带上一点智能的味道。后来不断把频率提高、功率提高，到上个世纪末，99年或者2000年，三级式的结构成为大家所欣赏的拓扑，让隔离级从前后级中间拖开，高频隔离是大家逐渐关注的特点。至于三级式的架构奠定了后续拓扑发展的基础，过去十几年，呈现了一个非常多元化的发展，包括矩阵式，模块化多点评、交叉并联，单输入单输出变成多端口，这样电力电子变压器过渡到电能路由器的时代。

其实从它的发展历程中我们基本上能够看到一些它的应用前途，现阶段我稍微梳理一下，这个东西电能路由器能拿来干吗用？我们逐层递进看看功能。

中间有一个标志性的事件，2010年美国能源部和自然基金委投资了6千万美金，后来在2014年重新追加了，为这个系统追加多少钱，我没查，为整个范畴增加1.4亿美金，建立了这样一个系统，我刚才提到未来可再生能源传输与分布系统。在这个系统中最核心的部件，电力电子变压器，被MIT评为前十大未来应用之一。

我们看它的应用，第一个性能提升，电力牵引和提升功率密度。先进行电力电子变换再加上电能路由器，让效率提升，让功率密度大大提高上来。

第二，功能升级。互联网发展了很多，互联网发展离不开数据中心，数据中心配电网络的改造是他们非常关注的一个事情。这个图上，左边这个已经是数据中心第一代和第二代的改造，将内部低压交流配线，变成低压直流配线，但现在远远满足不了需求，如果电能路由器能够渗入到数据中心，不但让性能提升，将新能源、其它网络，储能的形式跟它高度集成在一起。

第三，面向能量多功能，真正说是能源互联网，这里只是给了一个简单的框架，是两个交流的配电网带四个负载中心的情况。通过路由器交叉互联，让整个中心和配电网之间的能量完全进行共享这个才是真正实现能量路由的功能，这个架构基于35千伏或者10千伏的交流以及20千伏直流架构来实现。

这样的变换器这么好用，是不是好做？其实并不好做。因为这样的一个装置，包含电力电子很多前沿难点问题。我们用到最新的器件和最新的材料，宽禁带半导体器材，高频导磁材料。同时由于这种变换器的拓扑结构复杂、端口复杂，对于它的组合特性就带来新的挑战。当然控制上也成为问题。原来我们变换器面对都是简单应用，拓扑电机，储能，现在应用面临所有负载、储能、还要跟互联网相连，多形态问题就暴露出来。

如果从材料和元器件层面看，我们把变换器跳出来看是什么。其实就是导电、导磁，半导体和绝缘材料的综合应用，几个材料相互匹配、比例关系很有意思的事情。有人说铜和铁的价格会下降，不满足摩尔定律，我们做装置做应用来说这是很头疼的事情。我选择很多，多不等于好，如果有一种器件解决这个问题，我们就不用思考。技术考虑很难吗？实际上这里头不单纯是技术问题。大家做工程应用货实际研发，你做基础材料就要考虑相互的这些关系，上游和下游配套关系。下面几轮做变压器，是用5K还是500K，怎么跑铜耗和铁耗的问题，绝缘等级的问题，我相信很多变压器厂没搞明白，这是我们现在材料底层上技术上6一个难题。

变换单元组合技术。单一的模块和功率有限和系统功能和容量不断增加，多因素综合考虑，承压同流能力、损耗、成本、控制、复杂度、器件利用率，电气隔离、新能源高效接入，交直流混合微网的互联。

下一个是即插即用，这个东西到底是什么？到底怎么定义，我们只能从外围功能上进行描述，保证电路路由器接入源和荷的灵活性和实时性。

具有主动询问并接受各类负载、分布式新能源分布式储能接入系统的能力。

通过既定的握手协议等信息交互过程。

还有一个控制技术问题，电能路由器的控制比常规普通控制器的控制要复杂一些。电能路由器功能庞大，面临环境复杂，内部有高频开关速度，两个矛盾一叠加，还要让复杂变换器的控制性能比传统控制器性能要好，你要上新的策略，我们尝试能量控制平衡的行为，得到一些好的尝试。

除此之外，电能路由器需要分级通信、分级能量管理、快速仿真等等一大堆相关的辅助技术。

最后给大家一个案例，这是我们跟企业合作，在去年完成样机今年准备现场投用的三个端口的控制器。IsCH硅基器件，混合多电拓扑。

电能路由器是全新的电力电子装备的系统，在电气工程领域和电力电工行业，会带来一场全新的变革。我们团队有7位老师，打头是赵争鸣教授。其他的几个老师是组成。你们看七个人量子三各专业，包括电力系统、电力电子、包括柔输，这是搞电能路由器一个梦之队。

我的报告到这儿，谢谢大家！

（发言为现场速记整理，未经本人审核）