基于電力電子變壓器的能量路由器研究

賴柏竹，吳靖，章瑋明，吳文聯(lián)，王源濤

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

基于電力電子變壓器的能量路由器研究

賴柏竹，吳靖，章瑋明，吳文聯(lián)，王源濤

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

能量路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心部件，為分布式電源、分布式儲(chǔ)能和負(fù)載提供了即插即用的接口并使之與電網(wǎng)互聯(lián)，需要針對(duì)能量路由器的電路設(shè)計(jì)與控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入分析。提出了一種基于電力電子變壓器的能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了適用于該結(jié)構(gòu)的一種分層控制方法，詳細(xì)分析了并網(wǎng)和孤島運(yùn)行下的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了能量路由器中的能量協(xié)調(diào)控制。最后通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

可再生能源；能量路由器；直流電網(wǎng)；能量管理；分層控制

0 引言

由于日益緊張的不可再生能源供需問(wèn)題和環(huán)境壓力，使可再生能源得到了廣泛的關(guān)注。然而，光伏和風(fēng)電等分布式電源輸出的功率具有隨機(jī)性和間歇性，阻礙了可再生能源的發(fā)展。為此，提出了將信息技術(shù)與可再生能源技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，支撐“第三次工業(yè)革命”[1-6]。2011年美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)開(kāi)展了FREEDM（未來(lái)可再生能源傳輸和管理系統(tǒng)）的研究[7]，其中包括3個(gè)環(huán)節(jié)：即插即用接口，即LVDC（低壓直流母線）或LVAC（低壓交流母線）；能量路由器，主要是連接MVAC（中壓交流）配網(wǎng)和低壓交直流母線，并且識(shí)別和管理所有連接在這些母線上的分布式電源、儲(chǔ)能單元、以及負(fù)載設(shè)備等；開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，叫做DGI（分布式電網(wǎng)智能）單元，嵌入在每個(gè)能量路由器設(shè)備中，利用通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)所有的能量路由器的工作[8]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的研究大多基于FREEDM結(jié)構(gòu)展開(kāi)。由于相關(guān)概念的提出時(shí)間較短，所以目前的研究重點(diǎn)大多還是停留在能量路由器。

文獻(xiàn)[9]從能源、信息、定制化和系統(tǒng)運(yùn)行需求詳細(xì)闡述能量路由器應(yīng)具備的功能，并以電力路由器為例給出了一種實(shí)施方案；文獻(xiàn)[10]給出了能量路由器的架構(gòu)：電力電子變壓器模塊、通信模塊和分布式電網(wǎng)智能模塊。文獻(xiàn)[11]提出了用于風(fēng)電場(chǎng)的智能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心電路就是以電力電子變壓器為主的能量路由器。

以下提出一種基于電力電子變壓器的能量路由器，其中電力電子變壓器作為高低壓母線之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電壓和功率的靈活控制和管理。以下給出了該能量路由器的架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的分層控制體系以及能量管理策略，并對(duì)能量路由器的工作模式和控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，搭建了仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

1 基于電力電子變壓器的能量路由器拓?fù)?/h2>

能量路由器可以連接中壓配電網(wǎng)和低壓區(qū)域網(wǎng)，并且能夠調(diào)節(jié)低壓直流母線，同時(shí)為可再生能源設(shè)備、儲(chǔ)能裝置及負(fù)荷提供低壓直流母線，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)?；谏鲜鲆?，設(shè)計(jì)的能量路由器為多輸入多輸出的即插即用接口電路，如圖1所示，主要由電力電子變壓器，光伏系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置和直流負(fù)載組成。

圖1 基于電力電子變壓器的能量路由器拓?fù)?/p>

該系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，高壓直流母線可以通過(guò)電力電子變壓器向負(fù)荷供電；直流微電網(wǎng)也可以通過(guò)直流變壓器向配電網(wǎng)饋電。系統(tǒng)故障時(shí)，光伏發(fā)電與儲(chǔ)能裝置可以構(gòu)成低壓直流微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式。

此處的電力電子變壓器采用DAB（雙主動(dòng)全橋變換器）級(jí)聯(lián)形式，實(shí)現(xiàn)電壓變換和電氣隔離，多個(gè)完全相同的DAB在高壓端串聯(lián)接入中壓直流配電網(wǎng)，在低壓端并聯(lián)接入低壓直流微電網(wǎng)，并且作為光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載的即插即用接口，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容性和靈活性。光伏發(fā)電單元接口電路為Boost電路，儲(chǔ)能裝置由蓄電池和雙向Boost/Buck變流器組成。

圖2為DAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，由2個(gè)全橋變換器、2個(gè)直流電容、1個(gè)輔助電感和1個(gè)高頻變壓器組成。高頻變壓器兩端的變流器分別產(chǎn)生50%方波電壓uh1和uh2，通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)方波電壓之間的移相角，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。傳輸功率可以表示為：

式中：PDAB為傳輸功率；n為變壓器變比；fs為開(kāi)關(guān)頻率；U1和U2為兩側(cè)直流電壓；L為輔助電感；D為移相比。

圖2 DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由（1）式知通過(guò)D可以調(diào)節(jié)DAB功率流動(dòng)大小和方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

能量路由器采用多個(gè)完全相同的DAB級(jí)聯(lián)接入直流電網(wǎng)，DAB單元在串聯(lián)側(cè)電流相等，并聯(lián)側(cè)電壓相等，電力電子變壓器傳輸功率為每個(gè)DAB單元傳輸功率之和，即

式中：Pi為DAB傳輸功率；i=1，2，…，n。

對(duì)于高頻鏈電力電子變壓器的控制，不僅要對(duì)各個(gè)DAB單元進(jìn)行控制，同時(shí)還有實(shí)現(xiàn)各個(gè)DAB單元在中壓端的電壓平衡和低壓端的電流平衡。DAB的傳輸功率在輸入端與輸出端相等，即

式中：UMVi和ULVi分別為DAB單元中壓端電壓和低壓端電壓；IMVi和ILVi分別為DAB單元中壓端電壓和低壓端電流。

2 能量路由器控制體系與能量管理

2.1 分層控制體系設(shè)計(jì)

此處設(shè)計(jì)的分層控制體系如圖3所示。其中Ipv為光伏電流；Upv為光伏電壓；Ub為蓄電池終端電壓；Ib為蓄電池的輸出電流；Uload為負(fù)載電壓；Iload為負(fù)載電流；Udc為直流電壓；Idc為直流電流。控制體系分為3層：上層為功能定制層；中層為能量管理層；下層為執(zhí)行層。

圖3 分層控制體系

功能定制層將光伏的輸出功率，儲(chǔ)能電池的剩余容量，實(shí)時(shí)電價(jià)等信息作為輸入信號(hào)來(lái)確定系統(tǒng)的調(diào)度模式，此處將系統(tǒng)的調(diào)度模式主要分為經(jīng)濟(jì)模式與自定義模式。經(jīng)濟(jì)模式下，用戶依據(jù)當(dāng)前的電價(jià)情況和儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余容量情況，在儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余容量充足且電價(jià)高時(shí)，可以向外電網(wǎng)輸出功率獲得經(jīng)濟(jì)利益；在儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余容量不足且電價(jià)低時(shí)，從外電網(wǎng)吸收功率給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。自定義模式下，當(dāng)外電網(wǎng)輸出指定的功率時(shí)，在參考分布式光伏單元輸出能力和分布式儲(chǔ)能單元的剩余容量情況下，用戶可以根據(jù)自身的能源使用情況確定能源使用策略。兩種模式下，都將產(chǎn)生系統(tǒng)工作模式信號(hào)。

能量管理層根據(jù)上層產(chǎn)生的控制信號(hào)以及光伏的輸出功率，儲(chǔ)能電池的剩余容量來(lái)確定系統(tǒng)所處的工作模式，即并網(wǎng)模式與孤島模式。同時(shí)也產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯控制信號(hào)傳遞給執(zhí)行層。

執(zhí)行層主要功能是通過(guò)接收邏輯控制信號(hào)，控制器進(jìn)行邏輯組合并使能，同時(shí)按照特定的算法進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)，并根據(jù)脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)管脈沖。系統(tǒng)只需要向變流器發(fā)送指令，各變流器即可按照指令去執(zhí)行。

2.2 并網(wǎng)運(yùn)行能量管理

此處能量路由器的能量管理從并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行兩種工作模式展開(kāi)。

在并網(wǎng)模式下，由于光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電形式的成本高，為了充分利用其產(chǎn)生的電能，一般將其設(shè)置為MPPT（最大功率追蹤）模式。在自定義模式下，外電網(wǎng)處于恒功率發(fā)電時(shí)，此時(shí)的功率若高于或低于負(fù)荷需求功率時(shí)，由儲(chǔ)能負(fù)責(zé)維持微網(wǎng)內(nèi)功率平衡和電壓穩(wěn)定；在經(jīng)濟(jì)模式下，當(dāng)電價(jià)高且儲(chǔ)能剩余容量充足時(shí)，儲(chǔ)能電池以恒功率放電。當(dāng)電價(jià)低且儲(chǔ)能剩余容量不足時(shí)，儲(chǔ)能電池以恒功率充電。外部的電網(wǎng)看作系統(tǒng)中充分大能量緩沖單元。當(dāng)分布式電源輸出的功率大于負(fù)載的需求功率時(shí)，外部電網(wǎng)可以吸收額外的功率防止母線電壓的升高。當(dāng)分布式電源輸出的功率不能滿足負(fù)載的需求時(shí)，外部電網(wǎng)可以補(bǔ)充分布式電源的功率缺額，防止母線電壓的跌落。

如上所述，低壓直流母線電壓由電力電子變壓器控制，并且電力電子變壓器由n個(gè)DAB在高壓端串聯(lián)、低壓端并聯(lián)。因此，電力電子變壓器采用主從控制。主從控制系統(tǒng)中包含了1個(gè)帶有電壓環(huán)和電流環(huán)的主DAB變換器以及n-1個(gè)只包含電流環(huán)的從DAB變換器，主變換器負(fù)責(zé)母線電壓控制，其輸出電流可以作為從變換器的輸出電流指令，以此達(dá)到各個(gè)DAB輸出或吸收電流均等的目的。這種控制方式較為精準(zhǔn)，但是系統(tǒng)中會(huì)存在高頻的通信線。

電力電子變壓器主DAB控制策略如圖4所示。其中，低壓直流母線和各DAB單元串聯(lián)端電壓平衡均由電力電子變壓器控制，功率流動(dòng)的方向和大小由負(fù)載決定。電壓控制器將母線電壓Ubus和電壓參考值Ubus-ref間的誤差送入PI（比例和積分調(diào)節(jié)）控制器，為DAB生成統(tǒng)一電流參考值。均壓控制器采集各DAB的電壓Ux1，并按照（4）式計(jì)算其平均電壓Uaver，并根據(jù)Ux1和Uaver之差計(jì)算出電流校正量。統(tǒng)一電流參考值和電流校正量之和為每一個(gè)DAB單元的電流參考值。

圖4 電力電子變壓器控制模型

式中：Uaver為平均電壓；Ui1為DAB單元中壓端，i=1，2，…，n。

當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能為恒功率模式如圖5所示，采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制。

圖5 儲(chǔ)能電池恒功率控制策略

光伏接口單元控制策略如圖6，經(jīng)過(guò)MPPT控制器后產(chǎn)生電壓參考值，電壓參考值由變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法計(jì)算得出，同時(shí)采用雙閉環(huán)控制方案跟蹤電壓參考值。

圖6 光伏接口單元MPPT控制策略

2.3 孤島運(yùn)行能量管理

當(dāng)以光伏、儲(chǔ)能為主的直流微電網(wǎng)與外部直流母線斷開(kāi)時(shí)，本地的直流微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行。此時(shí)，系統(tǒng)中的功率主要由光伏輸出功率，儲(chǔ)能電池輸出功率，負(fù)荷需求功率構(gòu)成。一般情況下，光伏的接口變換器工作在MPPT模式下，只向母線注入功率，而儲(chǔ)能單元用于維持母線電壓，通過(guò)將母線電壓維持在一定的范圍內(nèi)來(lái)平衡系統(tǒng)中的功率流動(dòng)。例如：光伏注入母線的功率較大時(shí)，儲(chǔ)能電池為了抑制母線電壓的上升而進(jìn)入充電狀態(tài)；光伏注入母線的功率較小時(shí)，儲(chǔ)能電池為了抑制母線電壓的下降而進(jìn)入放電狀態(tài)。當(dāng)光伏的輸出功率高于負(fù)載需求功率，并且儲(chǔ)能充電狀態(tài)達(dá)到極值后，儲(chǔ)能電池不再維持母線電壓，光伏由MPPT模式切換到恒壓模式。

光伏和儲(chǔ)能的總輸出功率不滿足負(fù)載需求時(shí)，母線電壓低于直流微電網(wǎng)要求的最低限度，在此階段直流微電網(wǎng)母線電壓將會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降，造成微電網(wǎng)癱瘓，因此為了維持直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，需要根據(jù)甩負(fù)荷算法，選擇性的切除不重要的負(fù)載，避免母線電壓崩潰。

儲(chǔ)能電池處于充放電狀態(tài)下，對(duì)于各個(gè)電池單元通常采用下垂控制，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)分布式儲(chǔ)能單元的即插即用和優(yōu)化控制。

采用下垂控制的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）滿足可再生能源分布式接入需求，易于實(shí)現(xiàn)即插即用。

（2）變換器之間無(wú)需高頻通信線，降低了成本，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

通常采取下垂控制時(shí)，輸出電壓和輸出電流的關(guān)系為：

式中：Uref為低壓母線電壓的參考值；U0為母線空載時(shí)低壓母線電壓值，通常取400 V；Ib為儲(chǔ)能電池接口變換器輸出電流；k為下垂系數(shù)。

下垂系數(shù)可以控制每個(gè)變換器的輸出功率，并將其按比例分配給負(fù)載。下垂系數(shù)計(jì)算公式如式（6）所示：

式中：Udcmax，Udcmin分別為母線電壓最大值和最小值；Ib-dcmax，Ib-dcmin分別為母線電壓最大值和最小值所對(duì)應(yīng)的電流值。

儲(chǔ)能電池在放電時(shí)，通常用改進(jìn)型下垂控制，即對(duì)于下垂系數(shù)的選取與儲(chǔ)能電池SOC（電池荷電狀態(tài)）有關(guān)，輸出電壓和輸出電流的關(guān)系為：

式中：k0為儲(chǔ)能電池初始下垂系數(shù)，通常按照公式（6）求得。

儲(chǔ)能電池接口單元下垂控制策略見(jiàn)圖7，圖中引入了下垂環(huán)，低壓母線電壓參考值按式（5）。

圖7 儲(chǔ)能電池下垂控制策略

光伏恒壓模式如圖8所示。直流母線電壓與參考電壓比較后，經(jīng)過(guò)PI控制器生成PWM信號(hào)，此時(shí)由光伏變換器來(lái)維持直流母線電壓恒定。

圖8 光伏接口單元恒壓控制

3 仿真分析

采用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證能量管理及控制策略的有效性和可行性?；陔娏﹄娮幼儔浩鞯哪芰柯酚善饔?個(gè)光伏單元，2個(gè)儲(chǔ)能單元，1個(gè)高壓直流電網(wǎng)接口單元和本地負(fù)載組成，各接口單元和負(fù)載都通過(guò)低壓直流母線連接。其中，直流微電網(wǎng)母線電壓為400 V，具有5%的電壓波動(dòng)，最高閾值為420 V，最低為380 V。電力電子變壓器由4個(gè)DAB單元構(gòu)成，蓄電池SOC上限為90%、下限為10%。

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行

系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作波形如圖9所示。圖9（a）中低壓母線電壓由電力電子變壓器控制，基本穩(wěn)定在400 V。圖9（b）為電力電子變壓器中單個(gè)DAB工作情況，高低壓兩側(cè)全橋交流輸出電壓uh11和uh12均為方波，彼此間移開(kāi)角度，并且uh11超前uh12，功率由高壓側(cè)流向低壓側(cè)。圖9（c）為uh11滯后uh12，功率由低壓側(cè)流向高壓側(cè)的情況。原邊電感電流iL1為近似于梯形波的高頻交流。

圖9 并網(wǎng)運(yùn)行下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行曲線

圖9（d）中光伏以MPPT模式運(yùn)行，儲(chǔ)能電池以恒定的功率充電，充電比為1∶2。此時(shí)光伏發(fā)出功率不足時(shí)，高壓母線側(cè)通過(guò)電力電子變壓器向低壓側(cè)傳輸功率，此處儲(chǔ)能電池以充電為正方向。圖9（e）中電力電子變壓器相當(dāng)于負(fù)載從直流母線側(cè)吸收功率。0～2 s儲(chǔ)能電池以恒定的功率充電，2 s后隨著負(fù)載的增加，儲(chǔ)能由恒功率充電切換為恒功率放電，此處儲(chǔ)能電池以充電為正方向。

3.2 孤島運(yùn)行

系統(tǒng)孤島運(yùn)行，當(dāng)光伏輸出功率小于負(fù)荷需求功率時(shí)，儲(chǔ)能電池放電，設(shè)定2個(gè)電池的SOC分別為80%與60%時(shí)。儲(chǔ)能電池維持母線電壓，穩(wěn)態(tài)下電壓波形和功率分配圖如圖10（a）和（b）所示。由于儲(chǔ)能電池的下垂系數(shù)選取與SOC有關(guān)，因此SOC大的儲(chǔ)能電池發(fā)出功率多，SOC小的儲(chǔ)能電池發(fā)出功率小。圖10（c）為儲(chǔ)能電池充放電模式轉(zhuǎn)換圖。光伏始終處于最大功率追蹤模式，儲(chǔ)能電池通過(guò)充放電來(lái)平衡系統(tǒng)功率的波動(dòng)。低壓直流母線電壓始終維持在400±5%V范圍內(nèi)。

圖10 孤島運(yùn)行下儲(chǔ)能充放電穩(wěn)定運(yùn)行曲線

當(dāng)光伏的輸出功率高于負(fù)載的輸出功率，并且儲(chǔ)能充電功率達(dá)到極值后，光伏處于恒壓模式，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作波形如圖11所示。圖11（a）中低壓直流母線電壓由光伏控制，基本穩(wěn)定在400 V。圖11（b）2個(gè)儲(chǔ)能電池分別以各自的極限功率進(jìn)行充電。

光伏處于恒壓模式，當(dāng)光照度發(fā)生變化時(shí)，其直流電壓波形如圖12所示。從圖12可知t=1 s，3時(shí)光照度發(fā)生變化，直流電壓經(jīng)短暫過(guò)渡后維持穩(wěn)定。

圖11 孤島運(yùn)行下光伏恒壓模式系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行曲線

圖12 光伏恒壓模式不同光照度下直流電壓穩(wěn)定運(yùn)行曲線

4 結(jié)語(yǔ)

此處提出一種基于電力電子變壓器的能量路由器拓?fù)洌渲须娏﹄娮幼儔浩髯鳛楦叩蛪耗妇€之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)電壓和功率的靈活控制和管理。給出了該能量路由器分層控制體系以及能量管理策略，并對(duì)能量路由器的工作模式和控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)，基于Matlab/Simulink的仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)能量管理策略和控制器的正確性以及整個(gè)系統(tǒng)的有效性。

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（本文編輯：陸瑩）

Research on Energy Router Based on Power Electronic Transformer

LAI Baizhu，WU Jing，ZHANG Weiming，WU Wenlian，WANG Yuantao
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

As a core part of Energy Internet，energy router provides plug-and-play interface for distributed generation，distributed storage and load to interconnect with power grid.It is needed to have an in-depth analysis on circuit design and control implementation of energy router.The paper presents a topological structure of energy router based on power electronic transformer and expounds a hierarchical control method.The energy management strategies for integrated operation and islanding operation are analyzed in detail，and the coordinated energy control in energy router is implemented.Finally，the effectiveness of the proposed method is verified by simulation analysis.

renewable energy；energy router；DC power grid；energy management；hierarchical control

10.19585/j.zjdl.201708002

1007-1881（2017）08-0007-06

TM41

A

2017-06-05

賴柏竹（1991），男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)。