清華大學教授、IEEE Fellow趙爭鳴帶來題為“能源互聯網中的電能路由器及其發展”的演講。內容實錄如下：
 

各位來賓，大家下午好:非常榮幸有機會參加這個大會。下面我介紹一下關于能源互聯網以及電能路由器的發展，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，環境和能源，現在大家都講新能源。電力系統首當其沖，要盡量應用新能源。在新能源應用過程中一個最重要特點就是必須應用電力電子技術，上午我們院士專家已經做了有關報告。
 

實際上，現在電力電子技術已經大量用在我們電力系統里面了，包括我們的用戶終端。這里展現的一個圖叫做所謂的智慧能源，也叫智能電網，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已經是當代電力系統支撐性技術之一。這個發展非常快，從谷歌搜索可以看到，電力電子裝置包括電力電子變壓器這幾年成指數的在增長，發展非常迅猛。
 

同時在我們國家，所謂柔性輸電的交直流輸電都在快速發展，大家看看這幾個圖，包括南澳三端口網絡等，很多柔性輸電系統正在不斷發展。在此背景下，2015年由我們清華大學電機系提議，科技部專門召開一個關于“能源互聯網”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網的前沿科學問題和關鍵技術，會議集中討論了能源互聯網的概念。到底什么是能源互聯網？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，大量的新能源汽車也要入網，這張圖即為它的一個概念圖（能源互聯網由什么構成）。
 

它的來源主要是由于新能源的大量介入。我們終端配電網已經不是原來的單向流動了，而是雙向或者多向流動了。能源互聯網到底最關鍵的設備是什么？就是所謂的能源路由器，現在有一點改變，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網形態圖，包括風電、太陽能、甚至包括電動汽車都在這個網里面，聯立在一起運行。
 

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生和能源應用，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，真正要把能源互聯網全部運轉起來應該還包含了更多的功能，具備這些功能的關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？大家知道有網絡路由器，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，本身還在發展之中。
 

這幾個典型的說法：美國北卡大學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，它們之間通過電網絡連接，構成這么一個互聯網絡。
 

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。這個概念內涵很深，不是說隨便什么插進去就能用，里面有很多科學和技術問題，第二個它包含很多功能，如交直流電壓變化，輸入輸出隔離，電能質量提升，無功補償，控制電能量流動等等。它把電網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，其他地方繼續運行，同時它可以將整個網絡電能進行調度。
 

電能路由器的定義還是在發展之中，每個角度看都是不一樣的。從電力系統看，它就是一個電力調節器，相當于輸電系統的調度中心一樣，配電網原來是沒有調度的，因為原來沒有新能源，電力流動是單方向的；現在有了新能源，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。從互聯網系統來講，它就是把物理系統和信息系統深度的融合在一起的一個網絡節點裝置，不僅僅是信號，包括能源，現在很多IT行業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，但跟原來設備不一樣了，它是一個多端口、多級聯、多流向、多形態的電力電子變換器。
 

這個東西從電力電子角度來看也是經過了一個發展過程的。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；經過幾十年的演變，慢慢發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，當時稱之為叫固態變壓器。現在固態變壓器、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年將固態變壓器列為當年的新興技術之一，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年分別實現了低壓小容量的和高壓大容量電能路由器的試驗樣機，現在正在做示范工程。
 

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絡化，則一定通過這個電能路由器。當然應該是逐步實現的：第一步我們可以先做單個網絡化，然后再與網絡相連，包括V2G，最后走到電能路由器。
 

這是我們在做無線電能傳輸的試驗樣機。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。無線電能傳輸的單個裝置發展已經很快了，像這個樣機，采用全碳化硅器件，單個系統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合，形成了一個非常好的智能網絡系統，自然就將電網和其他終端用戶連接起來了。但這個東西還是一個理念，到現在為止還是一個示范工程，談不上真正的產品應用。還存在很多的技術挑戰，都在研究之中。第一個挑戰就是它跟系統結構到底是什么關系？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，一定要跟電力系統相聯系，因為它是一個系統問題，即系統結構和電流路由器如何組合？到現在為止還沒有一個定論，還在發展之中。這里面有很多難點，就是他們哪一種結構是最好的，各有各的說法。
 

第二個挑戰就是變換模塊組合。因為它已經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，多流向，多形態，怎么組合？這是它的一個很大問題。大家知道我們現在有MMC等等各種拓撲結構，但是電能路由器不是單輸入/單輸出，怎么組合現在也是一個難點，也還在研究之中。
 

第三個挑戰就是半導體器件組合。因為電能路由器要接到電網，最高電壓可以直接接到幾萬伏以上，最低接到我們家庭。那么這個半導體器件本身現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？組合以后呈現一個什么組合特性？到現在為止還沒有搞清楚。所以我們有一個觀點，電力電子器件發展是有一條路徑，而電力電子裝置發展目標還有點不一樣，這個以后有機會我們再細談。
 

第四個挑戰就是仿真，器件越來越多，拓撲越來越復雜，到現在為止還沒有一個商業軟件能把這樣一個電能路由器整個裝置仿真出來，尤其要仿真瞬態過程，基本是不可能的，目前是一個很大的挑戰。
 

第五個就是對它的保護。因為這個保護非常復雜。以往都將開關器件認為是一個理想開關，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，從而產生很多的問題。所以到現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發展中最致命的一個問題。因為到現在為止它很多地方還沒搞清楚。
 

第六個挑戰就是多臺電能路由器集群運行形成網絡系統以后，它們怎么進行協調控制，到目前也沒有一個說法。
 

這些都構成對能源互聯網及其其中的電能路由器的嚴重挑戰，當然這也是一個機遇。從電力電子角度來看，其最大的挑戰，我列了這么三個：
 

第一個提升電能變化能力；

第二個系統優化的設計；

第三個可靠性的問題。
 

電力電子技術發展很快，并且帶來了很多的變化和進步，尤其是可控性。但是到現在為止，我一直講相比于電力系統，電力電子還是一個初中一年級的水平。電力系統已經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。但是隨著應用的需求，對電力電子技術的要求越來越高。
 

這些挑戰追溯到電力電子技術的底層，就是我們講的三項關鍵技術難題，一個是半導體功率器件失效機理和瞬態模型的建立。大家做電力電子裝置的都知道，一般都將開關器件看成為理想模型，開通和關斷過程是不管的，但是往往器件的失效都發生在這個時候。
 

第二個問題涉及到拓撲結構，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。現在都是研究DSP里面的PWM控制，真正到了器件上一測試，發現與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呢？ 
 

以往我們認為電力電子技術是由三大要素構成，即電子、電力和控制構成了現在的電力電子技術。所以我們現在在學校上課都叫電力電子技術，并沒有講電力電子科學。這三個學科領域的東西拿過來湊在一起構成了我們的電力電子技術。但是從現在的大容量電力電子裝置和系統的應用來看，僅靠這三者簡單地組合起來似乎不夠了，滿足不了應用的需求。那么，電力電子科學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基金的重大項目，就是研究電力電子科學和技術的底層問題。通過這五年的探索，我們大概有這么一個認識：電力電子學更應該是一門基于功率半導體器件開關組合模式的電磁能量高效變換的科學。

原來電力電子學主要是涉及半導體器件里面的載流子運動科學，主要是搞半導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，我們把功率開關器件的電磁瞬態過程作為研究對象，做了一些比較深入的研究。提出了有效的器件開關電磁瞬態模型，提出了基于狀態離散事件驅動的仿真計算方法，提出了基于驅動電路的主動控制方法，可以做開關過程的無盲區控制，提出了基于能量平衡的系統控制方法。總的來講，就是處理好器件與裝置、控制與主回路，集中參數和分布參數之間的關系。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，以及新能源的應用，也包括智慧能源的發展提供有效的底層技術支持。希望在技術層面，將原來傳統的“理想開關、集中參數和信號PWM調制”這樣一種技術把它逐步演變為“非理想開關特性、雜散參數設計和電磁能量脈沖控制”的電力電子技術。
 

更進一步采用新的電力電子器件，研制面向我們現代電網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，做好底層技術準備和技術研究。謝謝大家！