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【须弥论道】赵争鸣:能源互联网中的电能路由器及其发展

原标题:【须弥论道】赵争鸣:能源互联网中的电能路由器及其发展

三千大千世界,论道须弥山。2019年3月30日,第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心(以下简称“国创能源”)主办,星星充电承办。会议围绕“智慧能源,电动时代”展开主旨探讨,与会嘉宾涵盖政产学研媒融八百多人。

清华大学教授、IEEE Fellow赵争鸣带来题为“能源互联网中的电能路由器及其发展”的演讲。

内容实录如下:

各位来宾,大家下午好:非常荣幸有机会参加这个大会。下面我介绍一下关于能源互联网以及电能路由器的发展,也借此机会与大家交流一下。

我主要讲五件事情。其实就是两个主题,环境和能源,现在大家都讲新能源。电力系统首当其冲,要尽量应用新能源。在新能源应用过程中一个最重要特点就是必须应用电力电子技术,上午我们院士专家已经做了有关报告。

实际上,现在电力电子技术已经大量用在我们电力系统里面了,包括我们的用户终端。这里展现的一个图叫做所谓的智慧能源,也叫智能电网,大家看到里面有很多电力电子装置,总的来讲电力电子技术已经是当代电力系统支撑性技术之一。这个发展非常快,从谷歌搜索可以看到,电力电子装置包括电力电子变压器这几年成指数的在增长,发展非常迅猛。

同时在我们国家,所谓柔性输电的交直流输电都在快速发展,大家看看这几个图,包括南澳三端口网络等,很多柔性输电系统正在不断发展。在此背景下,2015年由我们清华大学电机系提议,科技部专门召开一个关于“能源互联网”的香山会议,即是我国的最高科技会议,都涉及到国家的重大需求主题。

这个主题就是讲能源互联网的前沿科学问题和关键技术,会议集中讨论了能源互联网的概念。到底什么是能源互联网?还是有争论的,不管它什么样,最重要的是大量新能源要入网,大量的新能源汽车也要入网,这张图即为它的一个概念图(能源互联网由什么构成)。

它的来源主要是由于新能源的大量介入。我们终端配电网已经不是原来的单向流动了,而是双向或者多向流动了。能源互联网到底最关键的设备是什么?就是所谓的能源路由器,现在有一点改变,还是把它再定义准确一点,叫做电能路由器。这大概就是一个所谓的能源互联网形态图,包括风电、太阳能、甚至包括电动汽车都在这个网里面,联立在一起运行。

昨天在开幕式上,邵总讲到智慧充电,讲到两个万亿市场的能源产生和能源应用,中间是这么一个智慧充电,非常有魄力。我说这不够,充电只是其一,真正要把能源互联网全部运转起来应该还包含了更多的功能,具备这些功能的关键装备就是这个电能路由器,智慧充电是其中重要功能之一。什么叫电能路由器?大家知道有网络路由器,各终端只要一接上它就能工作。电能路由器就是借用了这个概念。目前对电能路由器的概念还没有定型,本身还在发展之中。

这几个典型的说法:美国北卡大学未来能源中心认为电能路由器类似人类大脑,利用它把各个电网中的源荷连接起来,由它来对能量走向进行分配。最小可以安装在每个家庭,最大可以到安装到输电网,它们之间通过电网络连接,构成这么一个互联网络。

有人认为电能路由器好比一个能量控制中心,利用它把有关能源进行交互,然后进行分配。还有人认为它是一个能量计算机,信号计算机可以做各种各样的数值运算,电能路由器可以对电能量进行计算,这个大概就是人们对它的认知。

不管电能路由器是什么定义,都有几个共同特征,如:即插即用,新能源分布式电源插进去就能用。包括我们的充电器也是这样,插进去就能用。这个概念内涵很深,不是说随便什么插进去就能用,里面有很多科学和技术问题,第二个它包含很多功能,如交直流电压变化,输入输出隔离,电能质量提升,无功补偿,控制电能量流动等等。它把电网一下变成了完全可控的东西,这个是很大变化,另外就是有治愈性。看看今天李教授上午讲的,每个都有高频变压器,它都可以隔离,其他地方继续运行,同时它可以将整个网络电能进行调度。

电能路由器的定义还是在发展之中,每个角度看都是不一样的。从电力系统看,它就是一个电力调节器,相当于输电系统的调度中心一样,配电网原来是没有调度的,因为原来没有新能源,电力流动是单方向的;现在有了新能源,电脑那个流动是多方向的,所以需要一个智能化的电力管理系统。从互联网系统来讲,它就是把物理系统和信息系统深度的融合在一起的一个网络节点装置,不仅仅是信号,包括能源,现在很多IT行业都参与到这个里面来了。从电力电子角度来看,它就是一个电力电子变换器,但跟原来设备不一样了,它是一个多端口、多级联、多流向、多形态的电力电子变换器。

这个东西从电力电子角度来看也是经过了一个发展过程的。从上个世纪七十年代就开始,人们把电力变压器两边用半导体器件一接,两段就变成可控的,那个时候叫做高频链链式变换器;经过几十年的演变,慢慢发展到了今天这个样子。

但目前这个东西还不是很成熟,还是概念上讲的更多一些,人们正在做一些示范工程。在2011年,ABB就尝试了做这个东西,当时称之为叫固态变压器。现在固态变压器、智能变压器其实都是讲的这一个东西。但是称为变压器,其最大特点还是一个单输入/单输出变换装置,现在讲电能路由器则是讲的多输入/多输出变换装置,这两个概念很大的差别了。ABB当时在一个机车上面研制了一台2兆伏安的固态变压器,也就做了那么一个,后来也没看到再有了。但这个理念非常重要,所以在MIT在2011年将固态变压器列为当年的新兴技术之一,称之为智能变压器。

我们实验室从2013年就开始研制电能路由器了,先后做了不同的试验样机,一直在探索之中。2017年和2018年分别实现了低压小容量的和高压大容量电能路由器的试验样机,现在正在做示范工程。

这个东西实际上跟我们的智能充电是密切相关的。它的交流端口和直流端口都可以接我们充电桩。最后使充电具有智能化和网络化,则一定通过这个电能路由器。当然应该是逐步实现的:第一步我们可以先做单个网络化,然后再与网络相连,包括V2G,最后走到电能路由器。

这是我们在做无线电能传输的试验样机。黄教授等一下也要讲这个事情。我们从2010年就开始做起,做了五代样机。无线电能传输的单个装置发展已经很快了,像这个样机,采用全碳化硅器件,单个系统5000瓦可以做到95.4%的效率了,2015年就装车试用了。价格也不贵,3000-5000,整个装置就可以下来。

它跟电流路由器一结合,形成了一个非常好的智能网络系统,自然就将电网和其他终端用户连接起来了。但这个东西还是一个理念,到现在为止还是一个示范工程,谈不上真正的产品应用。还存在很多的技术挑战,都在研究之中。

第一个挑战就是它跟系统结构到底是什么关系?怎么个连法?实际上,昨天李教授也说了,搞智能充电,搞能量路由器,一定要跟电力系统相联系,因为它是一个系统问题,即系统结构和电流路由器如何组合?到现在为止还没有一个定论,还在发展之中。这里面有很多难点,就是他们哪一种结构是最好的,各有各的说法。

第二个挑战就是变换模块组合。因为它已经超越了原来我们单个变换器的概念,刚才讲它是四多:多端口,多级联,多流向,多形态,怎么组合?这是它的一个很大问题。大家知道我们现在有MMC等等各种拓扑结构,但是电能路由器不是单输入/单输出,怎么组合现在也是一个难点,也还在研究之中。

第三个挑战就是半导体器件组合。因为电能路由器要接到电网,最高电压可以直接接到几万伏以上,最低接到我们家庭。那么这个半导体器件本身现在单个器件耐压还是很有限的,也不可能要那么大,大了也用不了,大家知道dv/dt很大,器件根本受不了。所以怎么组合?组合以后呈现一个什么组合特性?到现在为止还没有搞清楚。所以我们有一个观点,电力电子器件发展是有一条路径,而电力电子装置发展目标还有点不一样,这个以后有机会我们再细谈。

第四个挑战就是仿真,器件越来越多,拓扑越来越复杂,到现在为止还没有一个商业软件能把这样一个电能路由器整个装置仿真出来,尤其要仿真瞬态过程,基本是不可能的,目前是一个很大的挑战。

第五个挑战就是对它的保护。因为这个保护非常复杂。以往都将开关器件认为是一个理想开关,变换装置是一个理想装置,其实都不理想,即使是同样的器件放在一起都有不一致性,从而产生很多的问题。所以到现在为止电力电子装置最大的问题就是可靠性问题,包括EMI的问题。今天我们李教授也讲了这个,现在是一个非常大的难题。今后充电桩用量上去了,如果功能都可以了,性能也不错,但是可靠性有可能就成为今后智能充电可持续发展中最致命的一个问题。因为到现在为止它很多地方还没搞清楚。

第六个挑战就是多台电能路由器集群运行形成网络系统以后,它们怎么进行协调控制,到目前也没有一个说法。

这些都构成对能源互联网及其其中的电能路由器的严重挑战,当然这也是一个机遇。从电力电子角度来看,其最大的挑战,我列了这么三个:

第一个提升电能变化能力;

第二个系统优化的设计;

第三个可靠性的问题。

电力电子技术发展很快,并且带来了很多的变化和进步,尤其是可控性。但是到现在为止,我一直讲相比于电力系统,电力电子还是一个初中一年级的水平。电力系统已经100多年的历史了,比较成熟了;而我们电力电子才多少年?上个世纪60年代开始,还是一个初中生,很多问题并没有完全解决。但是随着应用的需求,对电力电子技术的要求越来越高。

这些挑战追溯到电力电子技术的底层,就是我们讲的三项关键技术难题,一个是半导体功率器件失效机理和瞬态模型的建立。大家做电力电子装置的都知道,一般都将开关器件看成为理想模型,开通和关断过程是不管的,但是往往器件的失效都发生在这个时候。

第二个问题涉及到拓扑结构,这个做电力电子装置的人都有感觉,di/dt一充上去,冲击电压和电流非常高,进而制约了装置能力的提高。

第三个问题就是控制。现在都是研究DSP里面的PWM控制,真正到了器件上一测试,发现与PWM信号相差很远,有延迟,有畸变,完全是两码事。所以这些事情就使我们对这个东西有一个反思,到底什么是电力电子的本质呢?

以往我们认为电力电子技术是由三大要素构成,即电子、电力和控制构成了现在的电力电子技术。所以我们现在在学校上课都叫电力电子技术,并没有讲电力电子科学。这三个学科领域的东西拿过来凑在一起构成了我们的电力电子技术。但是从现在的大容量电力电子装置和系统的应用来看,仅靠这三者简单地组合起来似乎不够了,满足不了应用的需求。那么,电力电子科学到底是一个什么东西?我们正好在过去的五年里面承担了一个国家自然科学基金的重大项目,就是研究电力电子科学和技术的底层问题。通过这五年的探索,我们大概有这么一个认识:电力电子学更应该是一门基于功率半导体器件开关组合模式的电磁能量高效变换的科学。

原来电力电子学主要是涉及半导体器件里面的载流子运动科学,主要是搞半导体和材料的人在研究,器件很重要,但并不是全部。所以我们提炼出这么一个再认识概念。在这个概念下面就做了一些研究工作,今天因为来不急介绍,我只大概说一下。

在这样的认识下面,我们把功率开关器件的电磁瞬态过程作为研究对象,做了一些比较深入的研究。提出了有效的器件开关电磁瞬态模型,提出了基于状态离散事件驱动的仿真计算方法,提出了基于驱动电路的主动控制方法,可以做开关过程的无盲区控制,提出了基于能量平衡的系统控制方法。总的来讲,就是处理好器件与装置、控制与主回路,集中参数和分布参数之间的关系。这个工作还在进行之中。

通过这些工作,希望为我们的智能充电,以及新能源的应用,也包括智慧能源的发展提供有效的底层技术支持。希望在技术层面,将原来传统的“理想开关、集中参数和信号PWM调制”这样一种技术把它逐步演变为“非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制”的电力电子技术。

更进一步采用新的电力电子器件,研制面向我们现代电网的一代新的电能路由器,特别面向智慧充电,包括充电器,提高能力,提高可靠性,做好底层技术准备和技术研究。谢谢大家!返回搜狐,查看更多

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