摘要：随着可再生能源发电装置、储能设备及各种类型的电能负载的接入，传统的电力系统设备无法满足供电形式多样性和能量多向流动以及功率流的主动调控等要求，无法适应未来电力市场化的需要。基于电力电子变换技术构成的电能路由器，不但可为不同的新能源发电装置和不同类型负载提供灵活多样化的接口电气形式，还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。与信息技术的融合使电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对电力网络能量流的主动管理。文中首先将电能路由器和信息路由器对比，提出电能路由器的功能要求，并根据现有的电网结构，将电能路由器分类，分别阐释各类电能路由器的特点。然后介绍目前国内外在电能路由器领域的新进展。进而从功率变换、信息技术两个角度分析电能路由器的技术要求，并给出实现电能路由器未来需要做的工作。后，对电能路由器的发展进行了总结和展望。
　　近年来，为了缓解能源危机、减小工业排放污染，大量的分布式可再生能源发电装置并入电网。但这些新能源发电方式往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性。为了减轻电网压力、增加可再生能源利用率，大量储能设备随之加入电网为波动的能量流提供缓冲[1]。因此，传统的单一集中式发电正逐渐向集中式、分布式并存的发电方式转变，电能的单向流动正变为多向流动方式。同时，以电动车为代表的新型不确定性的负载加入，使电能的流动和管理变得更加复杂。传统电力系统的配电运行方式很难胜任这样复杂的要求。
　　另外，随着电力改革和市场化的推进，未来电能交易将越来越自由灵活。电能的供给者不再只有原有的国有控股发电厂，民营小型发电厂、分布式能源发电站等新的电能提供者将逐渐出现，用户将有更多的选择空间；同时，由于新能源发电渗入配电终端，以往的终端用户可在负载和源之间切换，譬如当家庭光伏发电装置产生过多电量时，便可将这些电量出售给电网或其他电能需求者。因此对于每个电网终端，电能的流动将从传统的单向流动变为双向流动，甚至多向流动[2]。电力系统配电将从现在的“一对多”架构逐渐向“多对多”的形式转变，且每个终端可以在买方和卖方之间任意切换，电能流动的多样化大大增加。为了将电能定量、定点、定时地准确调度，电网的各个终端和节点均需要实现能量的主动调度管理，实现能量流的准确可控。而传统的电力系统和电力设备往往被动地调节功率平衡，对功率流的主动控制与分配较为困难。
　　为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联[3]。日本学者提出了数字电网概念，将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网，并通过数字电网路由器(digitalgridrouter，DGR)进行能量调配和网络互联[4]。美国北卡罗来纳州州立大学FREEDM中心提出以能量路由器为核心的能量互联网，同样致力于提供更好的新能源接入方案[5。由此看出，集成了成熟的信息技术，基于电力电子变换的电能路由器能够实现能量的高效接入和利用，将成为未来电网的核心部件，正受到越来越多的学者的重视[6]。
　　电能路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。电力电子变换技术使电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。同时，由于电力电子装置的高可控性，配电网络内各节点的能量流方向和大小可按用户所需精确地控制，为电力市场化的实现提供技术基础。信息技术使电能路由器实现智能化，配电网在其控制下实行自律运行，上层电力调度中心只需向网内发送较长时间尺度的优化运行参数，以实现全网的优化运行。电能路由器可作为电力局域网与主干网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和能量管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。
　　信息路由器和电能路由器在各自网络中的位置。信息路由器作为互联网的核心设备将所有用户连接起来构成今天庞大的全球性互联网。作为广域网和局域网的接口，信息路由器承担着局域网中的终端设备互联以及终端与广域网的信息交换任务[7]。类似地，电能路由器将根据经济效益或用户自定义的优化目标定量、定点地传递能量。因此电能路由器可成为未来电力网络的枢纽，负责管理和控制子网内的能量流动以及子网和主干网之间的能量交换。
　　1电能路由器的功能和要求
　　作为网络架构的基础和核心部件，电能路由器与互联网中的信息路由器有着相似的地位和功能，因此两者有相似的必备要素。
　　1）信息互联网建立在TCP/IP协议的基础上，路由器通过RIP、OSFP、ISIS等路由协议及时更新路由表，使数据包迅速、准确地在网络中定点传输。为了实现能量在节点之间精确地传递，电网中的设备同样需要标记IP地址，电能路由器需知道电网中所有节点的IP地址、实时变化的网络拓扑，这样在能量交换建立时得以迅速找到佳的功率传递路径。如果能量在电力局域网内部交换或相邻局域网之间交换时，往往只需要一台电能路由器进行管理，通过源节点和负载节点的IP地址就能够推算出传递路径；当能量在不相邻局域网之间传递时，往往需要多个电能路由器共同参与，为了能迅速找到能量传递的佳路径，路由协议变得尤为重要。
　　2）信息路由器同时处理多个用户的数据流，而电能路由器同样需要提供多个端口，与多个电气设备相连。为了满足不同设备所需的电气形式，电能路由器需提供多个电气形式的接口，如直流400V、直流48V、交流单相220V、交流三相380V等。其次，每个端口需具备能量的多向流动能力，使能量可以按需定点、定量地传输。电能路由器不但可以从主干配电网获取能量传递给终端用户，同时在子网的发电量过剩时，可将多余的能量回馈给主干网。此外，电能路由器还应具有局域网内部能量整合和协调分配的能力，即子网内的能量多向自由流动。然而，并非所有的端口都必须具备功率双向流动能力，专门与负载相连的接口，只需能量输出功能即可；对于专门的分布式能源接口，则只需要功率吸收能力，并且为了充分利用分布式能源，其接口还需具备大功率跟踪(MPPT)功能；而对于连接储能设备的接口，往往需要能量双向流动能力。对于专门的电动汽车充电应用，电能路由器通常只需具备充电功能即可，无需电能回馈功能。
　　3）信息路由器拥有通用的即插即用数据接口，而电能路由器同样需要标准化的即插即用接口[8]。当电气设备插入电能路由器时，通过既定的握手协议等信息交互过程后，路由器可迅速识别电气终端的类型和状态，按终端的请求立即采取相应的电气形式进行能量交互，与此同时更新系统连接配置和状态。因此即插即用接口需同时包含功率端口和通信端口。由于连接到电能路由器的节点有不同的电气形式要求，包括直流、交流不同形式，不同电压、电流数值，是否接地等，功率端口很难完全统一。但对于相近电压或功率等级的端口，标准化仍然可以降低生产和安装成本。通信端包括有线通信或无线通信方式，无线通信无需物理接口，而有线通信方式的中长距离通信可采用以太网通信等，近距离通信可采用常规的现场控制总线，如CAN，Profibus，Lonworks等，因此通信端口均易于标准化。此外，为了进一步提高可靠性和便于安装，功率端口和有线通信端口可集成在一起。
　　4）可扩展性。由于配电网中的用户或节点在不断增加，电能路由器必须具有良好的扩展性，使新加入的设备较容易地通过电能路由器接入电网并参与调控。在电网不同位置的电能路由器往往被设计成不同的容量，在大容量的限制内，电能路由器的硬件结构和软件设计均需要可扩展性，以降低后续投入成本。
　　此外，电能路由器与信息路由器相比也有很多不同之处。首先，由于电能路由器的核心功能是能量流的调控，电能路由器需提供各种电气形式的接口。其次，为保证电网及设备的可靠稳定运行，电能路由器还需具备主动故障隔离、电能质量改善、以及不间断电力提供等功能。另一方面，传统的信息路由器只有数据的传递功能，而电能路由器除了实现功率流的传递，更重要的是进行智能功率调控。因此电能路由器内部需嵌入智能决策和控制单元来执行特定的程序和调度算法，一方面监控电力局域网的状态，一方面根据上级调控中心的指令和当前网络状态进行主动功率调配。
　　2电能路由器分类
　　我国城市的配电网架构大致分为3层：10kV及以上城市主干网，380V三相终端配电，220V单相终端用户配电。因此配电网中的电能路由器可根据功率等级及在网络的位置分为3级：主干电能路由器、区域电能路由器以及家庭电能路由器。图2是3类电能路由器在电网中的位置。
　　2.1主干电能路由器
　　主干电能路由器的功能和作用大致相当于当前的变电站，通常的电压变换为10kV以上，需提供兆瓦级以上的容量[10]。主干路由器的功率较大，但是功能相对单一，能量流动方式简单。即使在具有小规模分布式能源发电的区域内，配网主干电能路由器的主要功能仍然是将主干配电网的电能分配给下一级用户，能量基本是单向流动的。而对于中大规模可再生能源集中发电区域，主干电能路由器的主要功能是将低压端的能量反馈给主干配电网。由于主干电能路由器的供电区域较大，其可靠性要求较高，因此在实际应用中可能需要冗余配备。
　　此外，主干电能路由器需具有故障隔离功能，在电力局域网出现故障时，电能路由器可将故障迅速隔离，防止向主干网扩散。由于区域里可能存在工厂等大功率非线性负载，主干电能路由器还需提供无功补偿、谐波改善和电压支撑等电能质量调节功能，并将较差的电能隔离在区域配网内部。而在主干网电能质量较差时，电能路由器也可对其予以支撑。这一功能相当于将当前的无功功率发生器(staticVARgenerator，SVG)、统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)等电力电子装置进行智能化和网络化集成。
　　对于信息通信层面，区域电能路由器需要接受上层调度中心的调度指令，并将区域配网的用量情况以及实时电气参数汇报上一级调控中心，以用于实时能量管理。由于需要与上一级调度中心和主干配网上的其他电能路由器进行信息交互，主干电能路由器的通信距离一般较长，范围较大，通信安全性要求较高。
　　2.2区域电能路由器
　　它主要用于较小地域范围或民用、商业楼宇等的能量管理，供电电压一般为三相380V，容量从几百千瓦到上兆瓦[11]。
　　为了适应分布式能源、储能设备的入网以及用户端的配电复杂性，电能路由器需提供各种类型的电气接口。由于光伏板、小型风机、柴油发电机等的电气参数已经相对标准化，电能路由器的接口特性和内部的电力电子变流装置也可以标准化，这样分布式发电的输出端无需加入单独的变流器，即可直接接入电能路由器。
　　针对电动汽车，电能路由器将成为未来理想的充电设备。一方面电能路由器可提供多个充电接口同时为多辆电动汽车充电，同时还可以连接充电站内的储能电池和光伏等新能源发电设备。在充电高峰时，释放电池的能量进行给电动车充电，缓解电网的压力；而在充电低谷时，利用电网的电量将电池充满，为下一次服务做好准备。因此电能路由器为功率波动提供了理想的削峰填谷功能。另一方面，电动汽车的电池和充电方式现在还缺乏统一的标准，充电站无法为每个车型或品牌提供特制的充电桩，这给电动汽车用户充电带来了不便。电能路由器可以很好地解决这个问题，其内部的电力电子变换装置可以提供普通充电、快速充电服务，以及直流、脉冲等多种充电方式，可满足各类电动汽车用户的需求；而且在与电动汽车连接后，电能路由器通过内嵌的通信系统可识别车型、电池型号和荷电状态(stateofcharge，SOC)，并根据用户要求提供所需的充电方式。
　　作为较小区域的电能管理中心，区域电能路由器需具备电能质量调节能力。配电网末端的电能质量往往不够理想，可能出现电压闪变、谐波含量过大、电压过低等问题。基于电力电子变换的电能路由器可将主干网和局域网隔离开，彻底改善子网的电能质量，并可以对上一级电网予以支撑。另外，电力局域网内可能存在敏感负荷用户，如银行、医院等。利用储能设备，电能路由器可实现个别用户的不间断电源(uninterruptedpowersupply，UPS)的功能。在主电网故障时，采用孤岛运行模式，为负载持续供电，保证重要负荷的供电可靠性。
　　2.3家庭电能路由器
　　作为配电网的终端，每个家庭用户在入网接口需要安装一个家庭电能路由器，负责住户的能量管理。其主要端口为输入单相220V交流电，功率等级一般小于20kW。由于家用电器所需供电形式不一，家庭电能路由器的接口需要提供更丰富的电气形式，如液晶电视机的19V、数码设备5V等的直流电，以及空调、冰箱等的交流电。家庭电能路由器的功率等级虽然较小，但功能和复杂性反而较高。未来的家庭将是分布式能源发电的参与者，屋顶光伏、微型风电设备和电动汽车电池等储能设备的加入，住户内的电网形成了一个家庭微网，并参与到配网的能量管理中。因此家庭微网的能量调度同样有3种情况，分别是从配网吸收能量，向配网反馈电能，以及脱离配网形成自给自足的孤岛系统。为了实现家庭微网内的各个发电装置、储能设备及负荷的能量管理可控，需在各个发电、用电器植入通信模块及控制器，并与电能路由器使用相同的通信协议。电能路由器将一方面接受用户的指令管理微网内部的能量，另一方面需要将将信息传给上层电能路由器并接受指令，实现全网的能量管理。
　　3电能路由器的框架与功能实现
　　电力电子功率变换是电能路由器的基础，它负责将主干网和局域网中的各个终端连接起来，实现功率流的定向、定量流动，同时为各种类型的电气设备提供不同的电气形式接口。国内外机构正在研究应用于电能路由器的各种功率变换架构。
　　3.1主干电能路由器的架构
　　图3为美国北卡州立大学的FREEDM中心研制的第1代固态变压器(solidstatetransformer，SST)结构[12]。其输入是单相交流7.2kV中压配电网，输出电压为单相240V/120V交流电和400V直流电。高压侧采用了6.5kV的SiIGBT，整流级由多个全桥模块级联而成。中间级是隔离型DC/DC变换器，将3.8kV直流电压转换成400V直流母线。后一级的电压源型逆变器生成240V/120V低压交流母线。由于器件限制，高压整流测的开关频率只有
　　1080Hz，DC/DC级的开关频率为3.6kHz，低压侧也仅为10.8kHz。较低的开关频率不但限制了动态性能，还导致系统体积和重量庞大，运行噪音巨大。
　　为了提高整机效率、动态性能和减小体积，FREEDM中心正在研制基于SiCMOSFET的第2代SST，如图4[6]。由于使用了15kVSiCMOSFET，整体结构大大简化，整流级和DC/DC级只由单个模块构成，开关频率增加到20kHz。这样体积大幅缩小，整体性能也有较大提升。该系统同时提供了交、直流低压母线，为传统负载和可再生能源的接入提供了便利。能量在3个端口之间实现多向自由流动，提供了灵活的能量传输方式。另外，该系统具有高、低压交流侧的电能质量调节功能，包括谐波改善、无功补偿和电压支撑等。
　　因此，FREEDM研制的SST架构较适于主干电能路由器的设计要求。
　　瑞士苏黎世理工大学(ETHZurich)为智能电网设计了1MVA固态变压器，其容量已基本满足了主干电能路由器的要求。系统的输入端与中压配电网相连，输出400V低压三相交流母线。其系统架构和功能与FREEDM第1代SST类似，模块的拓扑如图5所示[13]。相比之下，开关频率提高到20kHz，模块的整流级和DC/DC级均采用二极管钳位三电平结构，提高了模块输入侧耐压，减少了模块数。
　　英国Nottingham大学和意大利RomeTorVergata大学联合为欧洲UNIFLEX-PM系统研制的背靠背多电平变换器单相结构如图6所示[14-15]，其输入高压侧为交流3.3kV，输出为3.3kV和415V交流电。开关频率为2kHz。中频变压器的磁芯材料为非晶合金，采用油浸方式绝缘。输出逆变级与中间级交错相连，实现能量三相均衡，并终提供了中压和低压两个交流母线。该系统同样可实现功率多向流动、电能质量调节等功能，不过未提供直流母线，不利于分布式能源及储能设备的接入。
　　3.2家庭电能路由器方案
　　京都大学在2010年为家庭能量管理提供了能量包(energypacket)方案[20]，如图8所示。该电能路由器方案采用时分复用(timedivisionmultiplexing，TDM)的方式，将多个不同电压的电源的能量调制到一条传输线上，由网络内的电能路由器将包含多种电压形式的能量解调，根据IP地址分配给相应的负载。不过，时分复用的方式限制了网络的可扩展性。由于断续的能量传递方式，在负载的输入侧需加入较大的电容或电感等储能元件，以保证对负载的持续供电。
　　另一个适用于家庭电能路由器的方案为多端口变换器。它可以同时连接多个可再生能源或负载，并可实现能量的多向流动。由于较高的器件复用度和集成度，效率往往比传统级联型结构更高，功率密度更大。可为功率等级较低的家庭电能路由器提供能量转换功能。
　　3.3功率变换面临的挑战
　　3.3.1大功率高电压变换
　　功率变换部分是电能路由器的基础，针对主干电能路由器的高压大功率电力电子变流装置，器件、拓扑、高频变压器是非常关键的问题。器件是电力电子变流器的根本，由于主干电能路由器的功率等级较大，需要高压大电流的开关器件。现有的商业化大功率器件IGBT、IGCT、ETO等的耐压还不足以支撑主干配电网的电压等级。另外，由于硅材料特性的限制，这些大功率器件的开关频率往往较低，极大地限制了变流器功率密度的提升和无源元件的成本降低。近些年新型宽禁带材料如SiC和GaN等受到了极大关注，被认为能大幅提高器件的工作频率、温度和电压应力[23-24]。针对高压大功率场合，美国Cree公司已经研制出15kV/10ASiCMOSFET[6]。而适用于更大功率应用的碳化硅IGBT、JFET、BJT、GTO也正在研发中[25-27]。实验证明15kVSiCMOSFET比6.5kVSiIGBT有更快的开关速度和更小的开关损耗[28]。不过该器件还未完全产品化，并且在高压情况下的高开关速度对开关管的驱动和电磁兼容也提出了更高的要求。
　　由于需要挂接中压配电网，电能路由器的输入电压较高。为了省去工频降压变压器，现有的固态变压器解决方案一般采用多模块输入串联输出并联结构(ISOP)以降低开关器件的耐压。由于采用模块化架构，ISOP结构的电路复杂性较低，扩展性好，容易提升冗余度。ISOP方案中的每个模块一般由整流级、中间DC/DC级和逆变器构成。模块在输入级串联可产生多电平，大幅减小了输入滤波电感的体积。DC/DC级主要实现直流电压的匹配和为输出端并联提供电气隔离。为了提高效率，常用的软开关DC/DC拓扑为移相DAB电路[29-31]、谐振变换器[32-34]、NPC三电平拓扑[35]。中间级的输出侧并联提供DC母线，构成DC微网，便于可再生能源发电设备、储能元件以及直流负载的接入。输出级逆变器一般是电压源型，输出单相或三相低压交流母线，为交流负载供电。由于直流母线是逆变器的输入，其电压的稳定直接关系着低压交流网络的供电质量，因此直流母线的控制十分关键。
　　为了缩小体积，采用高频变压器实现电气隔离。而传统的高频变压器往往应用于中小功率场合，对于电能路由器这样的大功率、高电压需求，变压器的设计需要解决以下问题。对于磁芯材料，铁氧体因其高频损耗小，是常用的中小功率开关电源的变压器磁芯材料，不过其饱和磁通密度低，在大功率应用中体积过大。纳米晶合金拥有小的高频损耗和较高的磁导率，饱和磁通密度比铁氧体高出一倍，是理想的大功率高频磁芯材料[36]。不过其价格昂贵，不适合成本控制严格的产品。非晶合金在各方面特性上比较适中，其损耗比纳米晶合金高，但基本与铁氧体持平，而且饱和磁通密度较高，价格较低，适用于大功率高频变压器[37]。其次，高频变压器的绝缘要求较高[38]。传统的油浸变压器安装和维护成本较高，防火性能较差[39]。文献[40]提出了2种无油绝缘设计方案，将绝缘压力分别施加在了2个磁芯间的气隙和绕组表面绝缘材料上。文献[41]将副边绕组导线裹在原边导体内一起缠绕，使绝缘能力几乎完全依赖于原副边导体之间的绝缘材料，且降低了窗口利用率。
　　另外，冷却方式[42-43]、磁通平衡和噪声消减[44]等也是设计高频变压器时需要考虑的重要因素。
　　3.3.2宽范围交直流输出变换器
　　对于家庭电能路由器，关键的问题是电能形式的多样性。不同家用电气设备需要不同的功率形式，为了让用户灵活接入电器，一个端口需同时兼容直流和交流等供电形式，并根据插入的设备智能地提供所需能量形式。以往的电力电子变换器往往只能输出特定的电能形式，而家庭电能路由器内的接口变换器需要根据需求提供宽范围的直流或交流能量。这样的变换器可能与常规变换器结构不同。将逆变器和DC/DC变换器简单切换运行能提供直流、交流的电能形式，但设备的体积将大幅增加。采用两种变换器复用的方式将减小设备整体体积，提高功率密度。因此功率密度的提升不单单意味着元件个体的小化，更关键的或许是如何提高元件利用率。
　　3.3.3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[45-46]。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[47]。对于直流型网络，阻抗匹配法比较简洁。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[48]，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，文献[49]提出了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[50-51]。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。
　　3.3.4与其他设备的兼容和匹配
　　电能路由器与电网内其他设备的性能匹配度有所变化，譬如传统断路器的动作要比电力电子设备的响应慢很多，这样就需要提出新的协同运行机制，或研制新型的快速断路器。
　　其次，由于电能路由器提供不同电气形式的端口，这些端口的内部连接方式可能依据不同应用有所区别。如果接入设备有特殊的要求，如太阳能板需要大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制，因此端口电压和电流波动较大且具有高度不确定性，这样往往需要为其单独设置接口变换器。另一种比较简洁的方案是，将同一种电气类型的设备连接到内部同一条母线上，再通过电力电子变换与其他母线或终端进行能量交互。这样，连接到每条母线的设备相当于一个微网系统，每个微网系统的内部控制以及多个微网之间的能量交互管理均需要电能路由器来处理。同时多个微网联合的稳定性问题也需严格保证。
　　由于传统负载不具备与电能路由器通信的能力，电能路由器无法识别其负载类型和所需的功率形式，进而无法提供能量。因此需要提供一种方式使未来电网兼容传统的非智能负载。另一方面，与智能负载不同，在传统负载接入后，电能路由器只能被动地提供所需功率，因此如何结合系统运行状态管理电力网络的功率流为传统负载供电，关系到整个网络的稳定性和安全运行。
　　3.3.5能量路径的选择和优化调度
　　由于高渗透率的分布式能源的接入，配电网中的能量流动将从简单的辐射状变为复杂多向流动，能量调度的难度大幅增加。
　　目前已有很多学者对主动配电网和微网的优化调度进行了研究[52-53]。主动配电网采用主动调控手段对网内各类设备进行优化调度，与本文所描述的未来电能互联网的能量管理有相似之处。同时每个电能路由器管辖的电力子网与微网的结构类似，其能量路径选择方法也较为相似。
　　一般情况下，电网能量调度的首要优化目标是电网运行的经济性，所有发电、运维、折旧等成本均统一到单个目标方程中进行优化。目前环境优化目标越发被重视，但如果把环境代价等效为经济成本，也可归结为经济效益的优化。优化模型中的约束条件不仅包括功率平衡、各类发电设备特性限制等传统条件，还需考虑可再生能源的不确定性和间歇性，以及储能设备的荷电和容量限制等。常用的实时优化调度方法包括优潮流法、启发式策略等[54]。
　　家庭用或小型光伏和风力发电绿色环保，且对整体电网的潮流影响不大，目前电网采用完全吸纳其发电量的原则以降低全网发电成本[55]。但其发电不确定性和间歇性给电网调度带来很大挑战[56]。即使有气象预测的依据，实时的出力误差也较为显著[57]。而储能设备可在局部吸纳过剩的可再生能源发电量，为电网削峰填谷[58-59]。
　　另外，在电能路由器的控制下，各级电力子网均可实现并网运行和独立运行。并网运行时的调度优化除了供电费用、上网电价等条件，还需考虑并网点的潮流变化对主干网的冲击、及其对主干网电能质量的影响。独立运行模式一般发生在主干网故障情况下，时间较短，此时的首要目标是维持子网的可靠运行，因此往往需要弃风弃光，使其参与主动调控。
　　针对较高可再生能源渗透率的未来电力网络，能量管理和优化调度对全网规划和经济运行有着重要意义。合理的调度方案不但可以节省运维成本，降低装备容量，也将提高系统稳定性和可靠性。
　　4信息技术
　　为了实现能量流的主动管理和调控，电能路由器不仅需要先进的功率转换技术，更需要将信息技术融合，将通信能力集成到各级电能路由器、网络节点和终端，实现智能功率调控。通信系统的搭建首先需要确保通信可靠和信息安全，这关系着电网的稳定安全的运行，是电力运行的基础。
　　文献[60]提出了一种电能路由器的信息集成方案。电能路由器内有2个控制器，内控制芯片用于功率变换的控制，外控制芯片主要用于与外部电气设备通信，2个控制器之间采用UART串行通信方式交互。而针对外部电气设备有2类通信方式：针对同等级别的能量路由器或上层路由器，通信方式采用Ethernet；而与电力局域网内的电气设备采用
　　Zigbee方案。近几十年来，电力系统中的通信技术发展迅猛，SCADA系统已经覆盖了电网的主要节点，基本实现了电网的可控可观[61]。多种通信方式已被运用在电力系统中，包括光纤通信、蜂窝网络通信、电力线载波技术、数字用户环路DSL技术等[62]。因此在现有电力网络的通信系统基础上，构建具有兼容性的电能路由器通信架构是比较可行的方式。针对住宅或较小区域的短距离通信，则可采用Wifi、Zigbee、现场总线、工业以太网、开关纹波通信等方式构建小范围通信网[63-65]。
　　此外，由于功率变换和信息交互是相对独立的过程，两者的协调运行是确保电能路由器精确调控功率流的关键。
　　1）不同形式的电气终端需要分配不同的通信优先级。分布式能源、负载和储能设备的能量管理方式不同，在局域网中的作用和地位也不同，因此通信优先级和通信频率的要求也不完全相同。譬如，储能设备往往肩负着维持局域网络电压稳定、能量平衡的任务，是实现重要负荷不间断运行的基础，其工作状态对整体网络的可靠运行至关重要，因此储能设备与电能路由器通信的优先级和实时性相对更高。
　　2）不同工况下的通信模式选择。通信系统用于监测系统的运行状态和调控系统能量流分布，信息流与能量流需要配合运行。稳态运行时，电能路由器与电气节点的信息交换需要考虑通信带宽以及功率变化的复杂性，通信频率过快将导致通信的冲突增多和冗余带宽降低，不利于系统的扩展；而通信速率过低又难以实时反映系统节点的电气状态变化。另一方面，电气节点的加入和撤离、系统故障、节点功率过载等状况下，系统进入暂态运行状态，功率层往往立即动作以保证系统稳定，而后续的系统重构和功率流分配往往需要通信层的协助和电能路由器的决策，能否快速恢复系统和排除故障，暂态情况下的通信方式尤为重要。
　　5技术展望
　　电能路由器所需要技术很多，未来的发展方向主要有：
　　1）针对主干电能路由器，大功率、高电压电力电子变换器仍然是主要难题。已有的文献给出了一些解决方案，不过仍然不够成熟。可靠性、效率和成本是衡量其能否投入实际工程的主要指标。不过相信随着新型高压大电流电力电子器件的商业化，主干电能路由器将在不远的将来得以实现。
　　2）由于中小型电能路由器距离用电消费者更近，其体积和成本是更为重要的因素。相比主干电能路由器，中小型电能路由器的接口多样性要求更高，所需的电能形式更丰富，提高内部变换器和元件的利用率是提升功率密度的关键。
　　3）电力电子变换器的模型与传统同步机有很大区别，对于以电能路由器为节点的未来电力网络，其稳定性问题基本无法沿用之前的同步机理论。因此面对电网中众多灵活复杂的分布式源和用电设备，其稳定性问题的解决极具挑战，亟需更有效的分析、建模和仿真方法。
　　4）针对不同级别的电能路由器应选择不同的通信方式，如何将通信功能与功率部分集成在一起，并使信息传递与功率处理在不同工况下均协调工作是实际运行的关键。另外，类似于信息互联网，未来的电力互联网设备节点数量巨大，需要快速、可靠的路由算法来实现源与负载的快速连接。
　　6结论
　　本文将基于电力电子变换的电能路由器与互联网中的信息路由器作对比，阐述了其在未来电网中需要满足的功能和要求，包括提供丰富的接口电气形式，实现功率多向流动能力及对能量的主动准确控制等。然后，参考现有的配电网架构，对未来电能路由器的类型进行了探讨，并对不同类型的电能路由器的功能和要求进行了详细阐释。后，在分析国内外现有研究成果的基础上，在功率变换和信息技术两个层面给出了电能路由器的技术要求和面临的挑战。