大云網(wǎng) 新技術(shù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng) 正文

清華大學(xué)電機(jī)系副教授袁立強(qiáng)：面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電能路由器

2017-12-02 20:16:27 電力頭條APP　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

2017城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展（北京）論壇暨能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)與合作研討會(huì)于2017年12月1日在北京舉辦。下午技術(shù)論壇環(huán)節(jié)，清華大學(xué)電機(jī)系副教授袁立強(qiáng)發(fā)表演講，主題是：面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電能路由器。下面為您帶

下面為您帶來(lái)袁立強(qiáng)的精彩演講

袁立強(qiáng)：

我今天的報(bào)告是面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電能路由器。我們從電力電子的角度談一談對(duì)電能路由器的理解。包括定義功能、發(fā)展歷程、應(yīng)用分析和關(guān)鍵技術(shù)來(lái)談?wù)勎乙稽c(diǎn)點(diǎn)體會(huì)。在座想聽(tīng)關(guān)鍵技術(shù)，恐怕要失望了，我今天只是拋磚引玉講一些故事。

我們對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)和電能路由器的理解是這樣，我們認(rèn)為它倆是非常密切相關(guān)，都是從樸素的理念出發(fā)，我們用微信、手機(jī)分享很多信息，我們能不能創(chuàng)造一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)分享能源，這是非常樸素的想法。基于這樣的想法，我們來(lái)想能量路由器在能源互聯(lián)網(wǎng)的作用就很簡(jiǎn)單了。比如在類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中，能源路由器跟能源互聯(lián)網(wǎng)的作用就跟普通路由器跟普通互聯(lián)網(wǎng)的作用是差不多，但是它倆有巨大差別，能量不可區(qū)分，不妨礙我們對(duì)重要性的理解。

從狹義能源互聯(lián)網(wǎng)理解，傳輸?shù)哪芰恐饕噪娔転橹鳎茉绰酚善髟诶锩婢头浅Ｓ凶饔谩?/span>

過(guò)去十年能源互聯(lián)網(wǎng)和電能路由器。無(wú)論有能量路由器還是電能路由器有很多定義，什么是電能路由器？

兩年前我們兄弟院校浙江大學(xué)有一個(gè)教授發(fā)文章闡述這樣一個(gè)概念，電能路由器為電能提供變換、隔離和管理的作用。它是一種集成了信息技術(shù)和電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式能量的高效利用和傳輸設(shè)備，這種概念很棒，沒(méi)錯(cuò)，總感覺(jué)哪個(gè)地方地方?jīng)]吃透，這是一個(gè)新概念，怎么辦？今年，我們團(tuán)隊(duì)的一個(gè)教授，在電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)了一篇文章，從多個(gè)角度闡述這件事情，從電力系統(tǒng)角度看，就是一個(gè)面向主動(dòng)配電網(wǎng)或者智能終端電力管理調(diào)節(jié)器，從互聯(lián)網(wǎng)思維，今天上午和剛才很多人說(shuō)得很清楚，就是一個(gè)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)相互制約和管理的設(shè)備。從用戶角度，你能為我實(shí)現(xiàn)什么，實(shí)現(xiàn)電壓變換、諧波治理、即插即用等。從電力電子的角度，是多端口、多級(jí)聯(lián)、多流向多、形態(tài)的電力電子變換器。這樣的定義有什么功能？同樣在這篇文章，我們團(tuán)隊(duì)的頭闡述了五個(gè)基本功能。

第一，能夠?yàn)樾履苎园l(fā)電和分布式儲(chǔ)能裝置提供即插即用的交、直流接口。可以接入直流的微網(wǎng)也可以接入交流的微網(wǎng)也可以直接接入不同電壓器和電流的負(fù)載，同時(shí)接入傳統(tǒng)10千伏或者低壓3.8伏的配給裝置。

第二，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓變換電氣隔離，能量流向可控，提升電能質(zhì)量。我們現(xiàn)有很多的電氣設(shè)備部分功能集中在一起，我們幫它理解成電能路由器。

第三，能夠根據(jù)故障和系統(tǒng)需求，自主的與主網(wǎng)進(jìn)行分離或者并網(wǎng)提供電網(wǎng)的自愈性，能獨(dú)立運(yùn)行可以和電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行，并網(wǎng)同時(shí)上網(wǎng)，并網(wǎng)不上網(wǎng)，搞光伏的很多人了解這個(gè)概念，什么叫并網(wǎng)不上網(wǎng)等等。

第四，能夠快速實(shí)施能量路由，保證各個(gè)線路所需快速匹配范圍。在構(gòu)建面向未來(lái)配電網(wǎng)過(guò)程中，核心的電力電子裝置，電能路由器或者能量管理中心或者固態(tài)變壓器也好都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，都是實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)能量的快速路由的功能。

最后，能量路由器或者電能路由器，必須能夠?qū)嵤┩焦蚕硇畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)信息流與能量流相互制約和管理。在這樣一個(gè)圖，能量流和信息流兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相互嵌套在一起。這樣好用的功能是不是今天發(fā)明出來(lái)，其實(shí)不是，很早有人提過(guò)這個(gè)東西。早在1968年和80年左右美國(guó)就有案例，電子變壓器，固態(tài)變壓器，智能的，電力電子，能量管理中心、電能路由器等等，很早就有這樣一個(gè)觀念，無(wú)論從哪個(gè)方式來(lái)講，從電路拓?fù)渖希姎饨Y(jié)構(gòu)上不斷迭代和發(fā)展，可以簡(jiǎn)單梳理，從這樣一個(gè)時(shí)間軸來(lái)看。

從60年，主要是高頻鏈變換器，80年代不隔離純粹變換器，上個(gè)世紀(jì)末到直流到交流的變換。20世紀(jì)初到了三級(jí)式。前幾年為了讓變換器能量功率等級(jí)提升，模塊化結(jié)構(gòu)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，最新非常熱門(mén)多端口模塊化的結(jié)構(gòu)，為什么有這樣一個(gè)流程？從這個(gè)流程中我們會(huì)看到一些比較有趣的故事，為什么有那么多名字？拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為什么這樣發(fā)展。

最早，叫電子變壓器。電力電子是50幾年開(kāi)始創(chuàng)立，這個(gè)東西好用，第一個(gè)想到改造變壓器，提高變壓器的頻率，性能會(huì)有改革，最初最根本的想法把電子設(shè)備加入到傳統(tǒng)的銅和鐵。到了80年代固態(tài)的半導(dǎo)體材料全面替代了以前的，就叫固態(tài)變壓器。到上個(gè)世紀(jì)末，很多新的技術(shù)和拓?fù)浼尤脒M(jìn)來(lái)。首先引入了雙向開(kāi)關(guān)，加入了真正的第一個(gè)智能功能就是功率因素校正，讓變壓器帶上一點(diǎn)智能的味道。后來(lái)不斷把頻率提高、功率提高，到上個(gè)世紀(jì)末，99年或者2000年，三級(jí)式的結(jié)構(gòu)成為大家所欣賞的拓?fù)洌尭綦x級(jí)從前后級(jí)中間拖開(kāi)，高頻隔離是大家逐漸關(guān)注的特點(diǎn)。至于三級(jí)式的架構(gòu)奠定了后續(xù)拓?fù)浒l(fā)展的基礎(chǔ)，過(guò)去十幾年，呈現(xiàn)了一個(gè)非常多元化的發(fā)展，包括矩陣式，模塊化多點(diǎn)評(píng)、交叉并聯(lián)，單輸入單輸出變成多端口，這樣電力電子變壓器過(guò)渡到電能路由器的時(shí)代。

其實(shí)從它的發(fā)展歷程中我們基本上能夠看到一些它的應(yīng)用前途，現(xiàn)階段我稍微梳理一下，這個(gè)東西電能路由器能拿來(lái)干嗎用？我們逐層遞進(jìn)看看功能。

中間有一個(gè)標(biāo)志性的事件，2010年美國(guó)能源部和自然基金委投資了6千萬(wàn)美金，后來(lái)在2014年重新追加了，為這個(gè)系統(tǒng)追加多少錢(qián)，我沒(méi)查，為整個(gè)范疇增加1.4億美金，建立了這樣一個(gè)系統(tǒng)，我剛才提到未來(lái)可再生能源傳輸與分布系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中最核心的部件，電力電子變壓器，被MIT評(píng)為前十大未來(lái)應(yīng)用之一。

我們看它的應(yīng)用，第一個(gè)性能提升，電力牽引和提升功率密度。先進(jìn)行電力電子變換再加上電能路由器，讓效率提升，讓功率密度大大提高上來(lái)。

第二，功能升級(jí)。互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展了很多，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展離不開(kāi)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心配電網(wǎng)絡(luò)的改造是他們非常關(guān)注的一個(gè)事情。這個(gè)圖上，左邊這個(gè)已經(jīng)是數(shù)據(jù)中心第一代和第二代的改造，將內(nèi)部低壓交流配線，變成低壓直流配線，但現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求，如果電能路由器能夠滲入到數(shù)據(jù)中心，不但讓性能提升，將新能源、其它網(wǎng)絡(luò)，儲(chǔ)能的形式跟它高度集成在一起。

第三，面向能量多功能，真正說(shuō)是能源互聯(lián)網(wǎng)，這里只是給了一個(gè)簡(jiǎn)單的框架，是兩個(gè)交流的配電網(wǎng)帶四個(gè)負(fù)載中心的情況。通過(guò)路由器交叉互聯(lián)，讓整個(gè)中心和配電網(wǎng)之間的能量完全進(jìn)行共享這個(gè)才是真正實(shí)現(xiàn)能量路由的功能，這個(gè)架構(gòu)基于35千伏或者10千伏的交流以及20千伏直流架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這樣的變換器這么好用，是不是好做？其實(shí)并不好做。因?yàn)檫@樣的一個(gè)裝置，包含電力電子很多前沿難點(diǎn)問(wèn)題。我們用到最新的器件和最新的材料，寬禁帶半導(dǎo)體器材，高頻導(dǎo)磁材料。同時(shí)由于這種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、端口復(fù)雜，對(duì)于它的組合特性就帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。當(dāng)然控制上也成為問(wèn)題。原來(lái)我們變換器面對(duì)都是簡(jiǎn)單應(yīng)用，拓?fù)潆姍C(jī)，儲(chǔ)能，現(xiàn)在應(yīng)用面臨所有負(fù)載、儲(chǔ)能、還要跟互聯(lián)網(wǎng)相連，多形態(tài)問(wèn)題就暴露出來(lái)。

如果從材料和元器件層面看，我們把變換器跳出來(lái)看是什么。其實(shí)就是導(dǎo)電、導(dǎo)磁，半導(dǎo)體和絕緣材料的綜合應(yīng)用，幾個(gè)材料相互匹配、比例關(guān)系很有意思的事情。有人說(shuō)銅和鐵的價(jià)格會(huì)下降，不滿足摩爾定律，我們做裝置做應(yīng)用來(lái)說(shuō)這是很頭疼的事情。我選擇很多，多不等于好，如果有一種器件解決這個(gè)問(wèn)題，我們就不用思考。技術(shù)考慮很難嗎？實(shí)際上這里頭不單純是技術(shù)問(wèn)題。大家做工程應(yīng)用貨實(shí)際研發(fā)，你做基礎(chǔ)材料就要考慮相互的這些關(guān)系，上游和下游配套關(guān)系。下面幾輪做變壓器，是用5K還是500K，怎么跑銅耗和鐵耗的問(wèn)題，絕緣等級(jí)的問(wèn)題，我相信很多變壓器廠沒(méi)搞明白，這是我們現(xiàn)在材料底層上技術(shù)上6一個(gè)難題。

變換單元組合技術(shù)。單一的模塊和功率有限和系統(tǒng)功能和容量不斷增加，多因素綜合考慮，承壓同流能力、損耗、成本、控制、復(fù)雜度、器件利用率，電氣隔離、新能源高效接入，交直流混合微網(wǎng)的互聯(lián)。

下一個(gè)是即插即用，這個(gè)東西到底是什么？到底怎么定義，我們只能從外圍功能上進(jìn)行描述，保證電路路由器接入源和荷的靈活性和實(shí)時(shí)性。

具有主動(dòng)詢問(wèn)并接受各類(lèi)負(fù)載、分布式新能源分布式儲(chǔ)能接入系統(tǒng)的能力。

通過(guò)既定的握手協(xié)議等信息交互過(guò)程。

還有一個(gè)控制技術(shù)問(wèn)題，電能路由器的控制比常規(guī)普通控制器的控制要復(fù)雜一些。電能路由器功能龐大，面臨環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部有高頻開(kāi)關(guān)速度，兩個(gè)矛盾一疊加，還要讓復(fù)雜變換器的控制性能比傳統(tǒng)控制器性能要好，你要上新的策略，我們嘗試能量控制平衡的行為，得到一些好的嘗試。

除此之外，電能路由器需要分級(jí)通信、分級(jí)能量管理、快速仿真等等一大堆相關(guān)的輔助技術(shù)。

最后給大家一個(gè)案例，這是我們跟企業(yè)合作，在去年完成樣機(jī)今年準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)投用的三個(gè)端口的控制器。IsCH硅基器件，混合多電拓?fù)洹?/span>

電能路由器是全新的電力電子裝備的系統(tǒng)，在電氣工程領(lǐng)域和電力電工行業(yè)，會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)全新的變革。我們團(tuán)隊(duì)有7位老師，打頭是趙爭(zhēng)鳴教授。其他的幾個(gè)老師是組成。你們看七個(gè)人量子三各專(zhuān)業(yè)，包括電力系統(tǒng)、電力電子、包括柔輸，這是搞電能路由器一個(gè)夢(mèng)之隊(duì)。

我的報(bào)告到這兒，謝謝大家！

（發(fā)言為現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)本人審核）

責(zé)任編輯：lixin

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