《电力电子变换的信息特性和电能离散数字化到智能化的信息调控技术》
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摘 要：随着我国经济在快速发展,社会在不断进步,电力电子技术是采用大功率半导体器件和功率无源元件对电能进行变换和控制的技术,是21世纪应用最广泛的技术之一.该文从电能的离散化角度来研究电力电子技术的内涵,进一步讨论了电能的数字化表征方法,提出了电力电子信息调控技术的概念并阐释其物理意义.在此基础上,介绍了现有的电力电子信息调控技术的实现方法以及在电力电子变换系统中的信息交流方式.理论和实际都很好地表明,电力电子变换器自身在对电能实现变换和控制的同时,无需外加硬件,就已具备了信息交流的能力.充分挖掘和应用电力电子技术的这一特性将成为一个重要的研究方向.电力电子信息调控技术不但使电能的离散化、数字化到智能化成为可能,而且将极大促进电力电子学科和信息学科的交叉,推动相关学科的发展.
关键词：电力电子信息调控;电能离散化;数字信息技术;功率/数据复合调制;电力线载波通信
引言
“电能绿色变换”作为实现高质高效电能利用与消费的重要手段,是优化能源结构、促进经济可持续发展的必然选择.在“电能绿色变换”过程中,高质量、高可靠及高可控的电力电子变换系统可看作其“心脏”.在此背景下,研究面向工业用电领域的特种电力电子变换器与控制技术、面向新能源发电领域的电力电子变换器与控制技术以及智能电网下的多端口电力电子系统与稳定控制技术等,是实现“电能绿色变换”的重要途径,同时也是从制造大国向制造强国转变的关键动力,以及新能源利用与智能电网建设的核心内容,是保障我国能源安全和可持续发展的关键支撑技术之一.
1基于电力电子变换的电能路由器概述
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.
2电力电子信息调控技术实现方法
2、1功率/数据单载波调制技术
电力电子变换器对电能的幅值、极性和阻抗进行变换,最常见的功率控制方法为采用 PWM 的载波调制技术.变换器的门极控制信号为一串幅值恒定的矩形波序列,通过控制其占空比实现对功率的调控.除了占空比,该矩形波序列还有频率和相位 2 个独立的控制自由度 .由此,将通信信号通过角度调制（频率调制或相位调制）的方法加载到变换器的门极控制信号上,可以实现功率与数据的复合调制,即在电力电子变换器中集成通信功能,实现电能变换和数据通信的深度融合和统一.
2、2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 6.5kV Si IGBT 固态变压器的基础上研发了基于 SiC MOET 的二代.原结构输入单相 7.2kV 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 15kV SiC MOET,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 20kHz,不仅提升了总体性能,并且缩小了整体面积.
2、3接口稳定性及控制
热插拔是信息路由器的一项重要功能,路由器在接入网络后很快掌握路由表并开始工作.作为电力互联网的枢纽,电能路由器同样需具备热插拔功能.为此,除了要求信息层面上的可扩展性,更重要的是保证功率层面上的热插拔稳定性.如图 1 所示,每个电能路由器与至少两个网络相连,并有交流、直流多个端口,在电能路由器接入网络后,需要保证各个网络及端口的稳定性.尤其是以电能路由器等电力电子设备为主要节点和接口的能量互联网,其稳定性问题与传统同步发电机组网的电力网络差异很大,尚没有成熟的理论.对于传统的电力电子系统,阻抗判据是比较常用的稳定性分析方法 .该方法由 Middlebrook 首次提出,通过考察源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗之间的关系,给出了电力电子设备级联稳定性的判据,较好地解决了电力电子系统的稳定性问题.而今也广泛用于模块化并联系统中,如 UPS 系统、光伏并网和通信电源等领域 .对于直流型网络,阻抗匹配法比较简潔.而对于三相交流系统,需要在旋转坐标系中分析阻抗关系,而且源的输出阻抗和负载的导纳阻抗均为二阶矩阵的形式,往往需要计算 2 个矩阵的范数才能确定系统的稳定性,复杂性有所增加.但采用阻抗判据的通常需要已知系统里所有的源和负载变换器的特性.这对于电能路由器所构成的灵活可扩展的电力网络是很难实现的.首先,用户的电气设备种类繁多、千差万别,无法提前一一确定其特性.其次,对于电能路由器构成的电力网络,其源和负载是可以灵活切换的,系统的组成和架构实时变化,致使传统的阻抗判据很难胜任.针对该问题,基于变换器无源特性的稳定性判据和相应的控制方法,为接入电网的设备提出了独立的准入标准,使设备和网络两者的稳定性分析上解耦,提高了实际可操作性.不过变换器的控制复杂度有所增加,有可能会牺牲动态响应特性.此外,电网中的恒功率负载呈现负阻抗特性,它会降低系统的稳定性裕度,甚至在所占系统功率比重过大时将造成系统不稳定.目前有很多学者在研究恒功率负载的稳定性改善方法 .大致方案分为无源和有源两种.前者是在变换器中加入电阻与电感并联或与电容串联,但这样将带来额外损耗;有源方案是在控制上加入虚拟阻尼,以改善恒功率负载的输入阻抗.总之,网络稳定性问题将随着电力电子设备在电网中的不断增多而越发明显,也是构成以电能路由器为枢纽的配电网必须解决的问题.亟需更有效和可行性更高的方法来解决未来复杂电网的稳定性问题.
2、4功率/数据双载波调制技术
功率/数据双载波调制技术主要针对单载波调制技术的不足而提出.数据首先被调制到低频数据载波上,再进一步通过PWM 调制到功率载波上.由于功率调制与数据调制分别采用不同的载波,且数据已调信号不直接用作门极控制信号,因此数据调制方法的选择更加灵活.为了能够将数据载波叠加到功率载波上,数据载波的频率要远小于功率载波,通常控制在功率载波的 1/5 以内.在对通信速率要求较高的应用场合,可 以 引 入 正 交 频 分 复 用 （orthogonal frequencydivision multiplexing,OFDM）调制技术,采用多路数据子载波并行传输,从而大大提高通信速率.
结语
电力电子信息调控技术是电力电子技术与信息技术的交叉方向,它基于电力电子变换器本身所具有的离散化的电能变换方式,充分挖掘电力电子变换器的本质特征,将数字信息技术与之相结合,使得电力电子变换器不仅可以实现对电能的变换和控制,还可以实现数字信息的交互.电力电子信息调控技术对推动电能变换从离散化到数字化、智能化的发展将产生重要意义,同时将极大促进电力电子科学与信息科学的交叉、融合与发展.
参考文献
[1]宗升,何湘宁,吴建德,等.基于电力电子变换的电能路由器研究现状与发展[J].中国电机工程学报,2015,35（18）：4559-4570.
[2]赵争鸣,冯高辉,袁立强,等.电能路由器的发展及其关键技术[J].中国电机工程学报,2017,37（13）：3823-3834.
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电力电子和智能化技术引用文献:
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