能量路由器在泛在电力物联网配网侧的应用研究
西安西电高压开关有限责任公司的研究人员曾林翠、金猛、王莉、安乐、董瑞，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，随着能源结构的调整与转型，互联网技术和数字化技术的迅猛发展，国家电网提出“三型两网、世界一流”的战略目标。其中，以电力建设为平台应用实践泛在电力物联网，成为打破行业壁垒，走向共享、共赢和开放的战略之举。
新能源（电力）、水、气在电力系统中配电侧需求量的比重加大，电力系统是整个能源链的核心环节，长期以来依靠上下游支撑，保持平稳运行。所以，研究如何将现有配网侧负荷需求和发电管理等融入泛在电力物联网建设是当前工作的重中之重。能量路由器通过智能识别源端（电网侧、用户侧）、负荷端的发电、用电需求，具备能量流双向流动，优化电源端与负荷端电力需求，充分满足了国家电网对泛在电力物联网配网侧的需求，具有重大的现实意义。
泛在电力物联网就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。而以电力系统为核心的能源链的配电网侧当前接入设备主要有不可控负荷、可控负荷、新能源发电设备（光伏发电、风力发电等）、柴油发电机、电动汽车等。
传统的被动应对式的配电网和传统形式的电力设备、技术已不能满足负荷侧多种能源和多种负荷发配电需求以及人们对高品质电能的需求。为了实现多种属性能源与多种属性负荷可以灵活、协调、统一、高效地与主电网连接，研究如何高效、主动、智能、柔性、深度感知、全面解析主网络与配网侧设备的能量互联、信息互通的解决方法或者智能设备具有重大的现实意义。
能量路由器是以电力电子技术和自动控制技术为关键技术，联合能源互联网技术衍生出来的核心装备。能量路由器又叫直流变压器、电力电子变压器、固态变压器，是一种将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结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。
它不仅具有常规变压器变压、隔离、能量传递等功能，而且具备电压可调节、功率流可灵活控制的特点，以实现电能的主动控制和分配，还具备电能质量监测与调节等常规变压器不具备的功能。能量路由器相对于常规变压器的应用场景也更加广泛，如交直流混合微电网、新型数据中心、电力机车供电系统和制动能量回馈系统、多端柔性直流配电网侧等应用场景。
1 能量路由器电压等级及形态结构
目前，能量路由器主要应用于10kV及以下中压配电网侧。中压配电网处于系统电网下游，是连接终端电力用户和大电网的桥梁，直接关系到用户用电的电能质量和供电可靠性。在配网规划、设计中，电网网架结构的选择直接决定工程的经济性和电网供电的可靠性。能量路由器依据现有配电网络、新旧负荷类型和应用场景，分为双端口形态结构、三端口形态结构和多端口形态结构等类型。
双端口型能量路由器一般分为AC 10kV～AC 380V、AC 10kV～DC ±375V、DC ±10kV～AC 380V、DC ±10kV～DC ±375V四种电压等级和四种形态结构；三端口型能量路由器一般分为AC 10kV～AC 380V～DC ±375V、DC ±10kV～±375V三种电压等级和两种形态结构；多端口型能量路由器当前有AC 10kV～DC ±10kV～AC 380V～DC ±375V四种电压等级一种形态结构。
对于一般形式的配电网络而言，双端口型能量路由器和三端口型能量路由器完全够用，只有在特定场合或者特定用电区域，多端口、多形态结构根据现场情况可以灵活配置。以上几种电压等级和形态结构的能量路由器在不同的中低压配电站依据现场布置和配置方式择优选取，但是都必须满足现有泛在电力物联网配电网侧高效、主动、智能、柔性、深度感知、全面解析主网络与配网侧设备的能量互联、信息互通等新一代配电网络的发展需求。
2 能量路由器在智能微电网中的应用
微电网技术尤其是交直流混合微电网技术随着分布式能源的大量应用而成为未来电网技术的终极发展方向；交直流混合微电网不仅兼顾了传统交流和新兴电力中直流分布式能源与交直流负荷的接入问题，而且解决了交直流用电设备多重AC/DC或者DC/AC变换器带来的谐波、损耗等问题。
但是，微电网中分布式电源受地理条件、环境因素、时间维度、空间尺度等制约，往往还存在一些问题，比如，分布式电源对的随机性可能导致接入点电压过高，或者引起交流并网点三相不平衡，或者并网点电能质量较差，或者并网点同时存在双向功率流等等问题。
当前为了实现智能微电网与大电网协同接入、和谐交互，通常将分布式电源通过逆变器逆变为交流电接入系统交流母线，电池单元也经过双向变流器逆变为交流电接入系统交流母线，逆变器等并网设备虽然在技术层面一定程度上解决了分布式电源接入难的问题，但是大量的逆变装置和智能微电网控制器会带来大量谐波电流，并使系统功耗增加，引起配电、监控、保护等方面的问题，这无疑增加了其建设成本和建设周期，增加了维护成本。
为了实现微电网与大电网的柔性接入与智能管理，多端口能量路由器兼具能量管理、柔性接入、深度感知、调节电能质量、全网络信息互联互通等优势，合理解决了微电网与大电网之间电网络互联、信息互联互通等问题。
能量路由器在智能微电网中的应用系统图如图1所示。
图1 能量路由器在智能微电网中的应用系统图
3 能量路由器在大型数据中心的应用
随着各种行业数字化转型进入加速期，全球进入数字经济时代，支持数字经济发展的新技术也在不断涌现。云计算、人工智能、区块链、物联网、边缘计算与5G都将深刻影响未来产业的发展。信息系统的市场应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,大型数据中心的电力扩容需求日益增加,对大型数据中心供配电稳定性的要求也不断提高。
目前，大型数据中心供配电系统架构主要由市电（10kV、110kV）、高压变配电系统、后备柴油发电机系统（10kV、400V发电机组）、市电/备用电源自动转换系统（中压切换、低压切换）、低压配电系统（低压配电、楼层配电单元）、不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）系统（UPS、240V、48V系统等）等模块组成，图2所示为当前大型数据中心变配电系统图。
图2 大型数据中心变配电系统图
大型数据中心变配电系统前端基本全部采用交流输电、交流配电方式，其在最终用电设备侧需要配置AC/DC装置将市电（包括备用UPS）逆变为DC 240V或者DC 24V或者DC 12V供数据中心核心设备使用，这样无疑增加了投资成本和电力传输损耗，而且在大型数据中心分布式引入多种AC/DC逆变装置，给供配电系统运行维护也带来诸多不利因素。
再者，随着新型数据中心的要求不断提高，信息设备功能越来越强，功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台，提高到3kVA/台、4kVA/台，甚至更高；机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。数据中心用电负荷的统计应分为两个层次，即UPS供电系统负荷（输出）和市电供电系统负荷。
当前,为解决以上问题：①大型数据中心核心设备正在积极采用新型供电方式,进一步降低供电损耗；②由于高/中压直流输电、供电系统在投资成本、系统效率、占地空间等方面,较交流供配电和交流备用UPS具有更大的优势,必将得到较大规模的推广和应用。基于以上考虑，能量路由器不仅可以为大型数据中心供配电系统提供大容量的柔性直流输配电方案，而且可提供高可靠的配电方案，减少原有交流输配电供电系统的诸多电力变换环节，减少设备部署与投资，具有较大优势。图3所示为新型大型数据中心变配电系统图。
图3 新型大型数据中心变配电系统图
4 能量路由器在轨道交通领域的应用
城市轨道交通供配电系统是一个高度集成化和自动化的系统，独立供轨道交通使用，其典型供配电结构如图4所示。图4中显示，当前轨道交通变配电所中低压侧采用DC1500V和AC380V两种电压等级，分别为轨道交通牵引变和普通生活供用电。随着国家提出智能交通和绿色交通的概念，传统的轨道交通变配电所已不能满足新型轨道交通发展理念，难以实现对系统合理用能的精准分析。
目前，在传统轨道交通变配电所加入能量回馈装置，是一种新型能量回收装置，可以将列车制动过程中的能量反向送回电网侧，这种方案技术上可行，但是不够经济。运用新型能量路由器一方面可有效解决轨道交通变配电所繁琐的多级变电问题，另一方面可以有效解决轨道交通制动过程中的能量回收问题。
如图5所示，轨道交通用多端口能量路由器AC 35kV～AC 380V～DC 1500V典型主接线（或者AC 10kV～AC 380V～DC 1500V），直接输出DC 1500V供轨道交通牵引变使用，AC 380V直接供生活配电用，而且，能量路由器具备电能的多方向流动，可方便轨道交通制动过程的能量回收，无需另外增加其他能量回馈装置。
图4 轨道交通典型供配电结构图
图5 轨道交通用多端口能量路由器
5 能量路由器在柔性直流配电网中的应用
随着经济和社会的飞速发展，除了传统模式的发电方式之外，可再生能源、储能、新型负荷和新兴电力设施等技术也得到了快速发展。多种新的发电和用电形式并存，使现有配电网络出现了大量的电力转换问题。伴随着大量新型发电和新兴用电设备的接入，传统配电网络呈现出不足之处，对配电网的创新刻不容缓。
由于多数新型发电源和新兴用电设备都是直流形式，所以中低压直流配电网在城市配电网领域受到越来越多的关注，比如：在直流配电网中，源端的分布式直流电源（光伏、储能等）可以不用逆变高效灵活接入直流配电网络，直流传输网络的高可靠性、高可控性和低损耗使得直流输电得到人们的青睐，直流负荷端的电能质量和经济性能也更优越。
当前，在主电网为交流配电的形势下，应用多端口能量路由器不仅解决了新型发电和新兴用电设备的柔性接入问题，还可以满足直流配电网络与交流配电网的电力能量交互问题，为直流配网中直流电源及直流负荷提供了多种形式接口,具备直流故障穿越能力,能够显著减少网络中换流器的数量,提高供电可靠性。能量路由器兼顾多种电源点和多种负荷的特性，柔性互联、智能配电、深度解析各种设备，符合直流配电柔性能量互联、海量信息互通等新一代直流配电网络的发展需求。
6 结论
本文主要概述了能量路由器在泛在电力物联网配电网侧几种应用场景的典型应用技术与方法，从现有配电系统技术和未来新兴电力技术等层面分析了能量路由器作为连接主配电网络和发展未来配电系统的重要技术方向。
能量路由器技术的发展彻底终结了交直流配电系统之争，解决了交直流电源和负荷的连接问题，满足泛在电力物联网配电网侧高效、主动、智能、柔性、深度感知、全面解析主网络与配网侧设备的能量互联、信息互通等新一代配电网络的发展需求，具有重大的现实意义。