基于电力电子变换的电能路由器研究现状与发展

2022-12-25

为达到可持续战略目标, 我国提倡可再生能源的利用, 而电能路由器的应用有助于缓解电网负担、扩大设备能量储存, 达到主动调度管理与能量控制进而得到了更多企业、专家的关注。电能路由器是作为一种新型变换技术, 集成了电力电子交换技术、信息技术, 能够减少能源消耗, 符合可持续战略目标, 值得推广应用。

一、基于电力电子变换的电能路由器概述

基于电力电子转换技术下, 电能路由器逐渐呈现多样性特点, 例如:分布式、储能设备、电能接口, 并且满足了不同人对配套节点流量方向、大小、控制性要求, 进一步推动了电力市场发展。现阶段, 电能路由器分为主干、区域、家用三种。其中, 主干电能路由器功率较高, 作用单一、能量转换形式简便且呈单方向, 其主要作用是把低电压能量传输到主干网中。该种电能路由器通讯距离较长, 通讯规模大, 因而更加适合大范围的能量控制。相对而言, 区域路由器则适用于小规模能量控制, 例如:电动汽车充电中, 有助于可持续战略目标实现。这种路由器能够调节电能质量。家用电能路由器较为常见, 家庭中的电器需要多种供电形式, 进而要求路由器接口呈现多样化。

二、基于电力电子变换的电能路由器研究现状

(一) 功率转换研究

第一, 大功率高电压转换。功率变化部分是电能路由器的根本, 主要针对主干电能路由器的高压大功率电力电子变流装置。其中拓扑、器件、高频变压器是主要研究问题。因为主干电能路由器功率等级高, 所以对开关器件要求较高。加之, 硅材料特点影响, 大功率开关器件频率低会影响变流器功率密度的提高。关于大功率场合, 国外研发了15k V/10A Si CMOSFET, 能够兼容较大功率的碳化硅IGBRBJTGTO。但是, 该构件并未实现完全推广应用, 并且高压条件下的高开关速度对开关管的驱动与电磁兼容要求严格。因此, 采取多单元输入串联输出并联结构有助于节省工频降压变压器。由于单元化结构、ISOP结构的电路简单, 扩展性好可以提高冗余度。第二, 宽范围交直流输出变换器。家用电能路由器的主要问题是电能方式多元化, 不同的家用电器设备对功率要求不同, 为让人们灵活接入电器需要一个端口兼容直流与交流等多种形式, 同时还要结合插入的设备智能的提供所需能量形式。家用电能路由器的接口变换器要根据要求提供宽范围的直流能量, 这种变换器与普通变换器结构有明显差异。逆变器与DC变换器转换运行兼容交流、直流的电能模式, 不过设备体积会增重。而选择两种变换器复用形式有助于减轻设备体积, 提升功率密度。所以, 功率密度的提高可以减小构件体积, 提高构件利用率。第三, 接口控制。热插拔作为信息路由器核心, 在接入网络后能够控制路由表运行。热插拔也是电力网络的重要载体, 电能路由器要求具有热插拔功能。因此, 怎样确保热插拔安全性有着重要作用。通常各电能路由器会与两个以上的网络连接, 分为交流、直流多个端口;连接到网络后要求确保各网络与端口安全性有着重要影响。另一方面, 电网的恒功率荷载具有负阻抗特性, 缩减了系统安全性裕度。现阶段, 在研究恒功率荷载安全性改善方法方面可以划分为有源、无源两种。其中, 无源指的是在变换器内添加电阻与电感并联, 但可能出现额外消耗;有源则是添加虚拟阻尼, 调节恒功率荷载的输入阻抗。

(二) 主干电能路由器结构研究

现阶段, 为了提升整机效率、动态性能、减轻体积, FREEDM中心在原有6.5k V Si IGBT固态变压器的基础上研发了基于Si C MOSFET的二代。原结构输入单相7.2k V中压交流配电网, 输出电压是单相240V/120V交流电与400V直流电, 而二代采用了15k V Si C MOSFET, 总体结构更加简单, 整流级与DC/DC级使用单个模块构成, 开关频率提升至20k Hz, 不仅提升了总体性能, 并且缩小了整体面积。

三、基于电力电子变换的电能路由器发展趋势

伴随着科学技术的进步, 新型高压大电流电力电子构件的商业化模式将得到广泛应用。基于电力电子环境下, 主干电能路由器研究中, 大功率、高电压是主要研究内容, 稳定性、安全性成为分析是否投入实际功能的重要标准。此外, 小型电能路由器接口多样化、电能形式丰富, 如何提升内部变换器、构件应用率成为提高功率密度的重要内容。电力电子变换器模型不同于传统同步机, 在今后发展中电能路由器是也主要研究内容。在较多复杂的分布式源与用电设备, 安全性提高成为当务之急。结合各级别电能路由器选取适合的通讯形式, 怎样将通讯和功率部分集成, 数据传输与功率处理在各环境下协调成为运行核心。

四、结语

伴随着电网技术进步与科学技术发展, 传统电网已经落后供电要求, 各企业应放远眼光, 给予高度重视。电能路由器在电力网络中占据重要地位, 在未来电力网络中电能路由器将继续发挥自己的枢纽地位。

摘要：科学技术进步与电力系统发展, 使得传统的电力系统已经落后现代用电需求, 逐渐被电力市场淘汰。由此, 提出基于电力电子变换的电能路由器, 这种路由器弥补了传统电力系统不足, 实现了接口电气多样化、功率流的自动化控制, 有着重要价值意义。对此, 笔者结合实践研究, 就电力电子变化的电能路由器现状与发展展开分析。

关键词：电力电子,电能路由器,研究现状,发展