三千大千世界，論道須彌山。2019年3月30日，第二屆須彌山大會在江蘇常州舉行。會議由江蘇省新能源汽車智慧能源裝備創(chuàng)新中心（以下簡稱"國創(chuàng)能源"）主辦，星星充電承辦。會議圍繞"智慧能源，電動時代"展開主旨探討，與會嘉賓涵蓋政產(chǎn)學(xué)研媒融八百多人。
清華大學(xué)教授、IEEE Fellow趙爭鳴帶來題為"能源互聯(lián)網(wǎng)中的電能路由器及其發(fā)展"的演講。內(nèi)容實錄如下：
各位來賓，大家下午好：非常榮幸有機會參加這個大會。下面我介紹一下關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)以及電能路由器的發(fā)展，也借此機會與大家交流一下。
我主要講五件事情。其實就是兩個主題，環(huán)境和能源，現(xiàn)在大家都講新能源。電力系統(tǒng)首當其沖，要盡量應(yīng)用新能源。在新能源應(yīng)用過程中一個最重要特點就是必須應(yīng)用電力電子技術(shù)，上午我們院士專家已經(jīng)做了有關(guān)報告。
實際上，現(xiàn)在電力電子技術(shù)已經(jīng)大量用在我們電力系統(tǒng)里面了，包括我們的用戶終端。這里展現(xiàn)的一個圖叫做所謂的智慧能源，也叫智能電網(wǎng)，大家看到里面有很多電力電子裝置，總的來講電力電子技術(shù)已經(jīng)是當代電力系統(tǒng)支撐性技術(shù)之一。這個發(fā)展非?？欤瑥墓雀杷阉骺梢钥吹?，電力電子裝置包括電力電子變壓器這幾年成指數(shù)的在增長，發(fā)展非常迅猛。
同時在我們國家，所謂柔性輸電的交直流輸電都在快速發(fā)展，大家看看這幾個圖，包括南澳三端口網(wǎng)絡(luò)等，很多柔性輸電系統(tǒng)正在不斷發(fā)展。在此背景下，2015年由我們清華大學(xué)電機系提議，科技部專門召開一個關(guān)于"能源互聯(lián)網(wǎng)"的香山會議，即是我國的最高科技會議，都涉及到國家的重大需求主題。
這個主題就是講能源互聯(lián)網(wǎng)的前沿科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，會議集中討論了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。到底什么是能源互聯(lián)網(wǎng)？還是有爭論的，不管它什么樣，最重要的是大量新能源要入網(wǎng)，大量的新能源汽車也要入網(wǎng)，這張圖即為它的一個概念圖（能源互聯(lián)網(wǎng)由什么構(gòu)成）。
它的來源主要是由于新能源的大量介入。我們終端配電網(wǎng)已經(jīng)不是原來的單向流動了，而是雙向或者多向流動了。能源互聯(lián)網(wǎng)到底最關(guān)鍵的設(shè)備是什么？就是所謂的能源路由器，現(xiàn)在有一點改變，還是把它再定義準確一點，叫做電能路由器。這大概就是一個所謂的能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)圖，包括風(fēng)電、太陽能、甚至包括電動汽車都在這個網(wǎng)里面，聯(lián)立在一起運行。
昨天在開幕式上，邵總講到智慧充電，講到兩個萬億市場的能源產(chǎn)生和能源應(yīng)用，中間是這么一個智慧充電，非常有魄力。我說這不夠，充電只是其一，真正要把能源互聯(lián)網(wǎng)全部運轉(zhuǎn)起來應(yīng)該還包含了更多的功能，具備這些功能的關(guān)鍵裝備就是這個電能路由器，智慧充電是其中重要功能之一。什么叫電能路由器？大家知道有網(wǎng)絡(luò)路由器，各終端只要一接上它就能工作。電能路由器就是借用了這個概念。目前對電能路由器的概念還沒有定型，本身還在發(fā)展之中。
這幾個典型的說法：美國北卡大學(xué)未來能源中心認為電能路由器類似人類大腦，利用它把各個電網(wǎng)中的源荷連接起來，由它來對能量走向進行分配。最小可以安裝在每個家庭，最大可以到安裝到輸電網(wǎng)，它們之間通過電網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成這么一個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
有人認為電能路由器好比一個能量控制中心，利用它把有關(guān)能源進行交互，然后進行分配。還有人認為它是一個能量計算機，信號計算機可以做各種各樣的數(shù)值運算，電能路由器可以對電能量進行計算，這個大概就是人們對它的認知。
不管電能路由器是什么定義，都有幾個共同特征，如：即插即用，新能源分布式電源插進去就能用。包括我們的充電器也是這樣，插進去就能用。這個概念內(nèi)涵很深，不是說隨便什么插進去就能用，里面有很多科學(xué)和技術(shù)問題，第二個它包含很多功能，如交直流電壓變化，輸入輸出隔離，電能質(zhì)量提升，無功補償，控制電能量流動等等。它把電網(wǎng)一下變成了完全可控的東西，這個是很大變化，另外就是有治愈性。看看今天李教授上午講的，每個都有高頻變壓器，它都可以隔離，其他地方繼續(xù)運行，同時它可以將整個網(wǎng)絡(luò)電能進行調(diào)度。
電能路由器的定義還是在發(fā)展之中，每個角度看都是不一樣的。從電力系統(tǒng)看，它就是一個電力調(diào)節(jié)器，相當于輸電系統(tǒng)的調(diào)度中心一樣，配電網(wǎng)原來是沒有調(diào)度的，因為原來沒有新能源，電力流動是單方向的；現(xiàn)在有了新能源，電腦那個流動是多方向的，所以需要一個智能化的電力管理系統(tǒng)。從互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來講，它就是把物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)深度的融合在一起的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，不僅僅是信號，包括能源，現(xiàn)在很多IT行業(yè)都參與到這個里面來了。從電力電子角度來看，它就是一個電力電子變換器，但跟原來設(shè)備不一樣了，它是一個多端口、多級聯(lián)、多流向、多形態(tài)的電力電子變換器。
這個東西從電力電子角度來看也是經(jīng)過了一個發(fā)展過程的。從上個世紀七十年代就開始，人們把電力變壓器兩邊用半導(dǎo)體器件一接，兩段就變成可控的，那個時候叫做高頻鏈鏈式變換器；經(jīng)過幾十年的演變，慢慢發(fā)展到了今天這個樣子。
但目前這個東西還不是很成熟，還是概念上講的更多一些，人們正在做一些示范工程。在2011年，ABB就嘗試了做這個東西，當時稱之為叫固態(tài)變壓器。現(xiàn)在固態(tài)變壓器、智能變壓器其實都是講的這一個東西。但是稱為變壓器，其最大特點還是一個單輸入/單輸出變換裝置，現(xiàn)在講電能路由器則是講的多輸入/多輸出變換裝置，這兩個概念很大的差別了。ABB當時在一個機車上面研制了一臺2兆伏安的固態(tài)變壓器，也就做了那么一個，后來也沒看到再有了。但這個理念非常重要，所以在MIT在2011年將固態(tài)變壓器列為當年的新興技術(shù)之一，稱之為智能變壓器。
我們實驗室從2013年就開始研制電能路由器了，先后做了不同的試驗樣機，一直在探索之中。2017年和2018年分別實現(xiàn)了低壓小容量的和高壓大容量電能路由器的試驗樣機，現(xiàn)在正在做示范工程。
這個東西實際上跟我們的智能充電是密切相關(guān)的。它的交流端口和直流端口都可以接我們充電樁。最后使充電具有智能化和網(wǎng)絡(luò)化，則一定通過這個電能路由器。當然應(yīng)該是逐步實現(xiàn)的：第一步我們可以先做單個網(wǎng)絡(luò)化，然后再與網(wǎng)絡(luò)相連，包括V2G，最后走到電能路由器。
這是我們在做無線電能傳輸?shù)脑囼灅訖C。黃教授等一下也要講這個事情。我們從2010年就開始做起，做了五代樣機。無線電能傳輸?shù)膯蝹€裝置發(fā)展已經(jīng)很快了，像這個樣機，采用全碳化硅器件，單個系統(tǒng)5000瓦可以做到95.4%的效率了，2015年就裝車試用了。價格也不貴，3000-5000，整個裝置就可以下來。
它跟電流路由器一結(jié)合，形成了一個非常好的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，自然就將電網(wǎng)和其他終端用戶連接起來了。但這個東西還是一個理念，到現(xiàn)在為止還是一個示范工程，談不上真正的產(chǎn)品應(yīng)用。還存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn)，都在研究之中。第一個挑戰(zhàn)就是它跟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到底是什么關(guān)系？怎么個連法？實際上，昨天李教授也說了，搞智能充電，搞能量路由器，一定要跟電力系統(tǒng)相聯(lián)系，因為它是一個系統(tǒng)問題，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電流路由器如何組合？到現(xiàn)在為止還沒有一個定論，還在發(fā)展之中。這里面有很多難點，就是他們哪一種結(jié)構(gòu)是最好的，各有各的說法。
第二個挑戰(zhàn)就是變換模塊組合。因為它已經(jīng)超越了原來我們單個變換器的概念，剛才講它是四多：多端口，多級聯(lián)，多流向，多形態(tài)，怎么組合？這是它的一個很大問題。大家知道我們現(xiàn)在有MMC等等各種拓撲結(jié)構(gòu)，但是電能路由器不是單輸入/單輸出，怎么組合現(xiàn)在也是一個難點，也還在研究之中。
第三個挑戰(zhàn)就是半導(dǎo)體器件組合。因為電能路由器要接到電網(wǎng)，最高電壓可以直接接到幾萬伏以上，最低接到我們家庭。那么這個半導(dǎo)體器件本身現(xiàn)在單個器件耐壓還是很有限的，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。所以怎么組合？組合以后呈現(xiàn)一個什么組合特性？到現(xiàn)在為止還沒有搞清楚。所以我們有一個觀點，電力電子器件發(fā)展是有一條路徑，而電力電子裝置發(fā)展目標還有點不一樣，這個以后有機會我們再細談。
第四個挑戰(zhàn)就是仿真，器件越來越多，拓撲越來越復(fù)雜，到現(xiàn)在為止還沒有一個商業(yè)軟件能把這樣一個電能路由器整個裝置仿真出來，尤其要仿真瞬態(tài)過程，基本是不可能的，目前是一個很大的挑戰(zhàn)。
第五個就是對它的保護。因為這個保護非常復(fù)雜。以往都將開關(guān)器件認為是一個理想開關(guān)，變換裝置是一個理想裝置，其實都不理想，即使是同樣的器件放在一起都有不一致性，從而產(chǎn)生很多的問題。所以到現(xiàn)在為止電力電子裝置最大的問題就是可靠性問題，包括EMI的問題。今天我們李教授也講了這個，現(xiàn)在是一個非常大的難題。今后充電樁用量上去了，如果功能都可以了，性能也不錯，但是可靠性有可能就成為今后智能充電可持續(xù)發(fā)展中最致命的一個問題。因為到現(xiàn)在為止它很多地方還沒搞清楚。
第六個挑戰(zhàn)就是多臺電能路由器集群運行形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以后，它們怎么進行協(xié)調(diào)控制，到目前也沒有一個說法。
這些都構(gòu)成對能源互聯(lián)網(wǎng)及其其中的電能路由器的嚴重挑戰(zhàn)，當然這也是一個機遇。從電力電子角度來看，其最大的挑戰(zhàn)，我列了這么三個：
第一個提升電能變化能力；
第二個系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計；
第三個可靠性的問題。
電力電子技術(shù)發(fā)展很快，并且?guī)砹撕芏嗟淖兓瓦M步，尤其是可控性。但是到現(xiàn)在為止，我一直講相比于電力系統(tǒng)，電力電子還是一個初中一年級的水平。電力系統(tǒng)已經(jīng)100多年的歷史了，比較成熟了；而我們電力電子才多少年？上個世紀60年代開始，還是一個初中生，很多問題并沒有完全解決。但是隨著應(yīng)用的需求，對電力電子技術(shù)的要求越來越高。
這些挑戰(zhàn)追溯到電力電子技術(shù)的底層，就是我們講的三項關(guān)鍵技術(shù)難題，一個是半導(dǎo)體功率器件失效機理和瞬態(tài)模型的建立。大家做電力電子裝置的都知道，一般都將開關(guān)器件看成為理想模型，開通和關(guān)斷過程是不管的，但是往往器件的失效都發(fā)生在這個時候。
第二個問題涉及到拓撲結(jié)構(gòu)，這個做電力電子裝置的人都有感覺，di/dt一充上去，沖擊電壓和電流非常高，進而制約了裝置能力的提高。
第三個問題就是控制。現(xiàn)在都是研究DSP里面的PWM控制，真正到了器件上一測試，發(fā)現(xiàn)與PWM信號相差很遠，有延遲，有畸變，完全是兩碼事。所以這些事情就使我們對這個東西有一個反思，到底什么是電力電子的本質(zhì)呢？
以往我們認為電力電子技術(shù)是由三大要素構(gòu)成，即電子、電力和控制構(gòu)成了現(xiàn)在的電力電子技術(shù)。所以我們現(xiàn)在在學(xué)校上課都叫電力電子技術(shù)，并沒有講電力電子科學(xué)。這三個學(xué)科領(lǐng)域的東西拿過來湊在一起構(gòu)成了我們的電力電子技術(shù)。但是從現(xiàn)在的大容量電力電子裝置和系統(tǒng)的應(yīng)用來看，僅靠這三者簡單地組合起來似乎不夠了，滿足不了應(yīng)用的需求。那么，電力電子科學(xué)到底是一個什么東西？我們正好在過去的五年里面承擔了一個國家自然科學(xué)基金的重大項目，就是研究電力電子科學(xué)和技術(shù)的底層問題。通過這五年的探索，我們大概有這么一個認識：電力電子學(xué)更應(yīng)該是一門基于功率半導(dǎo)體器件開關(guān)組合模式的電磁能量高效變換的科學(xué)。
原來電力電子學(xué)主要是涉及半導(dǎo)體器件里面的載流子運動科學(xué)，主要是搞半導(dǎo)體和材料的人在研究，器件很重要，但并不是全部。所以我們提煉出這么一個再認識概念。在這個概念下面就做了一些研究工作，今天因為來不急介紹，我只大概說一下。
在這樣的認識下面，我們把功率開關(guān)器件的電磁瞬態(tài)過程作為研究對象，做了一些比較深入的研究。提出了有效的器件開關(guān)電磁瞬態(tài)模型，提出了基于狀態(tài)離散事件驅(qū)動的仿真計算方法，提出了基于驅(qū)動電路的主動控制方法，可以做開關(guān)過程的無盲區(qū)控制，提出了基于能量平衡的系統(tǒng)控制方法?？偟膩碇v，就是處理好器件與裝置、控制與主回路，集中參數(shù)和分布參數(shù)之間的關(guān)系。這個工作還在進行之中。
通過這些工作，希望為我們的智能充電，以及新能源的應(yīng)用，也包括智慧能源的發(fā)展提供有效的底層技術(shù)支持。希望在技術(shù)層面，將原來傳統(tǒng)的"理想開關(guān)、集中參數(shù)和信號PWM調(diào)制"這樣一種技術(shù)把它逐步演變?yōu)?非理想開關(guān)特性、雜散參數(shù)設(shè)計和電磁能量脈沖控制"的電力電子技術(shù)。
更進一步采用新的電力電子器件，研制面向我們現(xiàn)代電網(wǎng)的一代新的電能路由器，特別面向智慧充電，包括充電器，提高能力，提高可靠性，做好底層技術(shù)準備和技術(shù)研究。謝謝大家！
