基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器

劉迎澍, 馬　川

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津　300072)

The Power Router Based on Hybrid AC/DC Microgrid FrameworkLIU Yingshu, MA Chuan

(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

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基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器

劉迎澍, 馬川

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072)

0引言

微網(wǎng)技術(shù)作為整合分布式電源的有效解決方案，近年來在工作機(jī)理、控制方法及典型應(yīng)用等方面都取得了豐碩的研究成果[1-2]。但是微網(wǎng)的構(gòu)建成本較高，通常需要配置可控電源(如小型燃?xì)廨啓C(jī)或小型柴油機(jī))、儲(chǔ)能裝置及獨(dú)立的供電線路，不適合普通的電能用戶。因此，擁有小容量分布式電源(如屋頂光伏)的普通用戶只能采用直接并網(wǎng)的方式。但是，大量引入此類接入方式會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)控、管理及保護(hù)帶來一定的負(fù)面影響。

由此可見，普通用戶的分布式能源與配電網(wǎng)之間需要更加靈活、可靠的智能化電氣連接裝置，從而在確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，充分利用各種分布式能源。近年來興起的電能路由技術(shù)[3-4]，是一種新型的智能電氣連接和電能管理方法，有助于實(shí)現(xiàn)各種分布式電源和負(fù)載在微網(wǎng)和配電網(wǎng)中的即插即用和可靠管理。

為此，本文提出了一種基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器，研究了其工作原理及典型應(yīng)用。該電能路由器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠方便可靠地整合各種小型分布式電源(如光伏、風(fēng)機(jī))及儲(chǔ)能裝置，滿足普通電能用戶對(duì)于利用分布式電源的需要。論文在對(duì)電能路由器運(yùn)行模式和控制策略分析的基礎(chǔ)上，建立電能路由器系統(tǒng)的整體模型，并在并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式下進(jìn)行了仿真研究。

1電能路由器結(jié)構(gòu)

電能路由器是整合多種分布式電源及儲(chǔ)能單元，并使其與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合、共同向負(fù)載供電的智能化電氣連接裝置。本文所研究的電能路由器由交流母線、直流母線、雙向交直流變換器(以下簡(jiǎn)稱逆變器)以及用于將分布式電源和儲(chǔ)能單元連接到直流母線的功率變換器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　電能路由器示意圖

電能路由器的交流母線與負(fù)載端口和電網(wǎng)端口相連，可以在并網(wǎng)或孤島狀態(tài)下向負(fù)荷供電。各分布式電源及儲(chǔ)能單元通過電源端口接入電能路由器，再通過功率變換器連接到直流母線，然后經(jīng)過逆變器將直流電變換成工頻交流電輸送到交流母線，從而形成交直流混合微網(wǎng)的構(gòu)架[5-6]。這種構(gòu)架的優(yōu)點(diǎn)在于：

①直流母線充分發(fā)揮了電能傳輸過程中的“緩沖”作用，通過逆變器與儲(chǔ)能單元之間的有效配合，能夠在有效抑制分布式電源間歇性輸出對(duì)電網(wǎng)造成沖擊的前提下，充分利用可再生能源來為負(fù)載供電，還可以通過儲(chǔ)能單元的合理使用來實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的功能；

②由于各分布式電源及儲(chǔ)能單元是直接接入電能路由器的，因此直流母線實(shí)際上是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因而可以簡(jiǎn)化各分布式電源及儲(chǔ)能單元的并聯(lián)輸出控制問題；

③在直流母線與交流母線之間僅通過單個(gè)逆變器實(shí)現(xiàn)交直流變換，避免了交流微網(wǎng)中常見的因逆變器并聯(lián)輸出造成的環(huán)流及母線電壓不穩(wěn)定的問題。

2電能路由器的控制

2.1逆變器的工作模式

作為連接直流母線和交流母線的中間環(huán)節(jié)，逆變器在電能路由器的主電路中發(fā)揮著核心作用，其功能包括：

①將分布式電源及儲(chǔ)能單元產(chǎn)生的直流電逆變成工頻交流電；

②維持系統(tǒng)的輸入/輸出功率平衡及輸出端的電壓、頻率穩(wěn)定。

逆變器可工作在并網(wǎng)或孤島兩種模式下。不同工作模式下其控制策略和控制目標(biāo)各不相同[7]：

①并網(wǎng)時(shí)采用PQ控制策略，依靠電網(wǎng)對(duì)電壓/頻率的支撐，逆變器只需要通過控制有功/無功的輸出，維持其直流側(cè)功率的平衡，就能實(shí)現(xiàn)電能路由器系統(tǒng)的功率平衡；

②孤島時(shí)采用V/f控制策略，逆變器的控制目標(biāo)是保證交流母線的電壓和頻率穩(wěn)定，以滿足負(fù)荷需要。此時(shí)，系統(tǒng)的功率平衡依靠?jī)?chǔ)能單元來輔助完成。

2.2并網(wǎng)模式下逆變器控制

逆變器的有功/無功控制策略如圖2所示。

圖2　逆變器基于有功/無功控制原理圖

由上述控制原理圖可知，并網(wǎng)模式下逆變器可以分別控制id和iq進(jìn)而獨(dú)立控制有功Pg和無功Qg。

2.3孤島模式下逆變器控制

孤島模式下的工作頻率是由逆變器系統(tǒng)自主控制。此時(shí)，逆變器的輸出電壓和頻率為工頻額定值，逆變器與交流系統(tǒng)交換的有功和無功取決有所連接的負(fù)載?；赩/f的控制策略如圖3所示。

圖3　逆變器基于電壓/頻率控制原理圖

與圖2相比，圖3中的控制內(nèi)環(huán)仍然是電流環(huán)，區(qū)別主要在于，外環(huán)由原來的功率環(huán)變?yōu)殡妷涵h(huán)，這是由兩種運(yùn)行狀態(tài)下不同的控制策略及控制目標(biāo)決定的。

2.4逆變器和儲(chǔ)能單元的協(xié)調(diào)配合

電能路由系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡需要逆變器和儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)配合來完成。而且，在電能路由器不同的工作模式下，二者的作用也不同。

系統(tǒng)功率平衡的重要參量為直流微網(wǎng)母線電壓Udc，當(dāng)系統(tǒng)有功過剩時(shí)，Udc上升，反之則Udc下降[8]。因此，電能路由器的控制單元可通過Udc判斷系統(tǒng)功率平衡情況，進(jìn)而進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

2.4.1并網(wǎng)模式

并網(wǎng)模式下，逆變器采用基于P/Q獨(dú)立控制的策略，交流側(cè)負(fù)載功率PL主要由電能路由器輸出有功功率Pg提供。當(dāng)PL>Pg時(shí)，系統(tǒng)功率欠缺，缺額部分由電網(wǎng)提供；當(dāng)PL

電能路由器輸出無功功率Qg既可以由上級(jí)控制單元根據(jù)電力系統(tǒng)級(jí)的無功補(bǔ)償來給定，也可以根據(jù)本地電壓需要的無功補(bǔ)償算法來給定。逆變器直流側(cè)的瞬時(shí)輸入輸出功率如圖4所示。

圖4　直流母線的瞬時(shí)功率

由圖可知，DG向系統(tǒng)輸入的功率為

(1)

逆變器的輸入功率為

(2)

式中：Pext等于各分布式電源和儲(chǔ)能單元發(fā)出的功率之和，直流側(cè)功率平衡的條件是Pext=Pdc，此時(shí)直流母線電壓穩(wěn)定于額定值。

但由于沒有直流電壓源的支撐，任何的功率不平衡狀況都會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓Udc發(fā)生偏移。系統(tǒng)平衡方程如下

(3)

忽略逆變器內(nèi)部開關(guān)損耗，則逆變器交流側(cè)輸出功率Pt為

(4)

將(4)代入(3)可以得到

(5)

由于并網(wǎng)模式下逆變器的控制目標(biāo)是控制Pg和Qg的輸出，所以要用Pg和Qg來表述控制輸入Pt。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，有

(6)

(7)

綜上所述，逆變器的控制策略可以簡(jiǎn)化為圖5所示的基于功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。

圖5　并網(wǎng)模式逆變器雙環(huán)控制策略示意圖

圖中，無功功率的參考值Qgref既可以來自遠(yuǎn)程指令控制，也可以來自本地的無功補(bǔ)償算法，因此Qgref可以獨(dú)立于本地的有功功率控制。通常在并網(wǎng)模式下令Qgref為零，這樣逆變器工作在單位功率因數(shù)下，其轉(zhuǎn)換效率較高。

圖中kv(s)為有功控制環(huán)中直流母線電壓控制補(bǔ)償器，且由于式(7)中Pg前的系數(shù)為負(fù)，所以在kv(s)前添加負(fù)號(hào)。該控制環(huán)節(jié)中，Pext作為前饋補(bǔ)償添加到補(bǔ)償器的輸出，使得逆變器能夠及時(shí)追蹤分布式電源輸出功率而調(diào)節(jié)自身的有功輸出。這種對(duì)Pext的獲取可以通過各分布式電源測(cè)量各自輸出功率，并傳輸給逆變器的控制單元來實(shí)現(xiàn)。

2.4.2孤島模式

孤島模式下，逆變器采用V/f控制策略。此時(shí)電能路由系統(tǒng)需要借助儲(chǔ)能單元來實(shí)現(xiàn)功率平衡，其控制策略如圖6所示。

圖6　孤島模式下儲(chǔ)能單元控制策略示意圖

儲(chǔ)能單元采用恒功率輸出的控制策略，根據(jù)直流母線電壓的波動(dòng)情況，由補(bǔ)償器C(s)給定儲(chǔ)能單元輸出功率參考值Pref。這里，不同的儲(chǔ)能單元具有不同的動(dòng)態(tài)特性，補(bǔ)償器C(s)也各不相同。圖中，Pref若為正值則儲(chǔ)能單元放電，若為負(fù)值則儲(chǔ)能單元充電。

3仿真研究

基于前文對(duì)電能路由器控制策略詳細(xì)分析，本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下，利用其提供的SimPowerSystem仿真工具箱，建立了電能路由器的整體模型，在具體的應(yīng)用場(chǎng)景下，針對(duì)電能路由器不同的工作模式進(jìn)行了仿真[10]。

3.1并網(wǎng)模式仿真

仿真過程中，連接到電能路由器的分布式電源包括光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定功率均為200kW。假定在0.2s時(shí)，光照強(qiáng)度發(fā)生突變，光伏電池輸出功率從200kW下降到150kW；在0.4s時(shí)風(fēng)速發(fā)生突變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率從200kW下降到100kW；交流側(cè)連接公共電網(wǎng)，并為額定有功功率100kW的負(fù)荷供電，負(fù)荷在0.6s時(shí)切除。

由于在并網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能單元可以處于自由運(yùn)行模式，此時(shí)令儲(chǔ)能單元既不充電也不放電。設(shè)計(jì)仿真過程中的負(fù)荷均為有功負(fù)荷，因此設(shè)定Qgref為零。

3.1.1算例1

假定電能路由器系統(tǒng)中分布式電源不能與逆變器通信，逆變器無法獲得各分布式電源的實(shí)時(shí)輸出功率。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　并網(wǎng)模式下無DG功率前饋補(bǔ)償仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看到，逆變器輸出的有功功率以及逆變器向電網(wǎng)饋送的有功功率符合分布式電源的功率變化和負(fù)載變化情況，滿足了電能路由器的系統(tǒng)功率平衡。而且，在0.2s和0.4s時(shí)分布式電源的輸出功率變化影響了直流母線電壓，但是由于逆變器中直流母線電壓控制環(huán)的存在，及時(shí)控制了逆變器的有功輸出，使直流母線電壓及時(shí)回復(fù)到正常水平。由于在電能路由器的輸入側(cè)缺少DG輸出功率前饋補(bǔ)償，逆變器有功控制略微滯后，使得直流母線電壓變化明顯。由于電網(wǎng)的緩沖，逆變器交流側(cè)負(fù)載的變化并沒有影響到直流側(cè)的功率平衡，這從直流母線電壓的變化情況也可以看出。

3.1.2算例2

假定電能路由器系統(tǒng)中逆變器能夠與分布式電源通信，可以獲得分布式電源的實(shí)時(shí)輸出功率信息，因而能夠在直流母線電壓控制環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償。仿真結(jié)果如圖8所示(本算例中，光伏電池和風(fēng)機(jī)的輸出功率曲線與算例1相同)。

圖8　并網(wǎng)模式下有DG功率前饋補(bǔ)償仿真結(jié)果

從圖8的仿真結(jié)果來看，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓與功率曲線與無DG功率前饋補(bǔ)償時(shí)相同，符合分布式電源的功率變化和負(fù)載變化情況，滿足了電能路由器的系統(tǒng)功率平衡。由于在直流母線電壓控制環(huán)節(jié)中使用了前饋控制，逆變器可以快速追蹤DG輸出功率變化，與無前饋補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果相比，直流母線電壓并沒有隨DG輸出功率變化而出現(xiàn)明顯波動(dòng)。不僅如此，在DG前饋補(bǔ)償?shù)淖饔孟拢孀兤鬏敵龉β实目刂聘涌焖?，暫態(tài)反應(yīng)時(shí)間變短，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)性能。通過仿真實(shí)驗(yàn)的前后對(duì)比DG功率前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的作用，充分體現(xiàn)了電能路由器系統(tǒng)中通信機(jī)制的重要性。

3.2孤島模式仿真

孤島模式下，同樣假設(shè)連接到電能路由器的分布式電源包括光伏和風(fēng)電，額定功率均為200kW。假定在0.4s時(shí)，光照強(qiáng)度發(fā)生突變，光伏電池輸出功率從200kW下降到150kW；在0.6s時(shí)風(fēng)速發(fā)生突變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率從200kW下降到100kW。逆變器交流側(cè)的連接負(fù)載初始時(shí)有功功率為500kW，0.3s時(shí)下降為200kW，0.7s時(shí)上升到300kW。

由于在孤島模式下逆變器的控制目標(biāo)是保證輸出電壓及頻率的穩(wěn)定，電能路由系統(tǒng)功率平衡的任務(wù)主要是由儲(chǔ)能單元來完成。此時(shí)，儲(chǔ)能單元根據(jù)直流母線電壓控制輸入輸出功率，來平衡電能路由器的有功功率。儲(chǔ)能單元的控制也需要依靠功率前饋補(bǔ)償，這里功率前饋補(bǔ)償不僅包括DG功率前饋，還包括負(fù)載的功率前饋。具備功率前饋補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果如圖9所示。

圖9　孤島模式下有功率前饋補(bǔ)償仿真結(jié)果

從儲(chǔ)能單元輸入輸出功率曲線和直流母線電壓曲線可以看出，由于具備功率前饋補(bǔ)償，儲(chǔ)能單元可以快速跟蹤DG和負(fù)載的功率變化，及時(shí)做出反應(yīng)，使得系統(tǒng)迅速實(shí)現(xiàn)功率平衡，直流母線電壓保持穩(wěn)定。從交流側(cè)三相電壓曲線和單相電流曲線可以看出，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，由逆變器控制的交流電壓在0.3s和0.7s產(chǎn)生輕微的改變，但很快穩(wěn)定在額定值，電流隨之進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

4結(jié)束語

微網(wǎng)作為分布式能源利用的有效解決方案，是電力能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在此背景下，本文研究了一種基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器，分析了核心單元逆變器的工作模式和控制策略。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電能路由器系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島兩種工作模式下的仿真研究。結(jié)果表明，基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器能夠有效整合各種分布式電源和儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可再生能源的充分利用。此外，通過通信模塊在逆變器和儲(chǔ)能單元的控制回路中引入分布式電源功率輸出的前饋補(bǔ)償，可以明顯改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

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劉迎澍(1971—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、微網(wǎng)等,E-mail:liu_ysh@tju.edu.cn;

馬川(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、微網(wǎng)等,E-mail:machuan01@126.com。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

The Power Router Based on Hybrid AC/DC Microgrid FrameworkLIU Yingshu, MA Chuan

(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

摘要：研究了一種基于交直流混合微網(wǎng)構(gòu)架的電能路由器，分析了其工作模式，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略。對(duì)集成了分布式電源和儲(chǔ)能單元的電能路由器系統(tǒng)，在并網(wǎng)和孤島兩種工作模式下進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了本方案的有效性和可靠性。此外，通過在逆變器和儲(chǔ)能單元控制回路中引入功率前饋補(bǔ)償驗(yàn)證了通信機(jī)制在電能路由系統(tǒng)中的重要性。研究結(jié)果表明，電能路由器可以有效整合各種分布式電源，是一種有前途的可再生能源利用方案。

關(guān)鍵詞：電能路由器；交直流混合微網(wǎng)；功率前饋補(bǔ)償；分布式電源

Abstract：A power router based on the hybrid AC/DC microgrid framework is investigated as well as the analysis of operation modes and the design of related control strategies. Then in the power router system integrated with distributed generations (DGs) and energy storage unit (ESU), both modes of grid connected and islanded operation are simulated to verify the effectiveness and reliability of the proposed design. Furthermore, power feed-forward compensation is also introduced into the control loop of the inverter as well as ESU, which demonstrates the contribution of the communication mechanism to the power router system. The research results show that the presented electric power router can integrate various DGs, and will be a promising utilization scheme for renewable energy.

Keywords：power router; hybrid AC/DC microgrid; power feed-forward compensation；distributed generation(DG)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2014-05-12

文章編號(hào)：1007-2322(2015)01-0013-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM743