基于多端口能量路由器的微網(wǎng)系統(tǒng)及其調(diào)試

張程翔，陸 瑩，賀 軍，邵喬樂(lè)，葉琪超，鐘 玲

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014)

傳統(tǒng)化石能源枯竭以及環(huán)境惡化迫使全球能源危機(jī)問(wèn)題亟待解決。近年來(lái)各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者陸續(xù)提出了構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想[1-6]：美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)基于FREEDM構(gòu)建高滲透率分布式可再生能源發(fā)電和分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)的配電系統(tǒng)；歐盟啟動(dòng)FINSENY項(xiàng)目建立未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的ICT平臺(tái)；國(guó)家電網(wǎng)也定義了以特高壓網(wǎng)絡(luò)為骨干輸電網(wǎng)，輸送清潔能源為主導(dǎo)的能源互聯(lián)網(wǎng)。各國(guó)對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想百花齊放，但都具備一個(gè)核心設(shè)備——能量路由器，其融合了信通技術(shù)與電力電子技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)能源流與信息流的高效傳輸[7]。

文獻(xiàn)[8]闡述了固態(tài)變壓器拓?fù)鋱D，提出反步控制策略削弱了級(jí)聯(lián)子系統(tǒng)之間的零序環(huán)流，并基于固態(tài)變壓器進(jìn)行分布式發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)，已具備能量路由器的雛形。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于能量平衡的多端口能量路由器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方案，于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性與正確性。文獻(xiàn)[10]將虛擬同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性方程加入到能量路由器AC/DC變換器與DC/DC變換器的控制策略中，經(jīng)仿真驗(yàn)證，電網(wǎng)頻率波動(dòng)與直流負(fù)載突變時(shí)，能量路由器直流母線電壓在所提控制策略下較傳統(tǒng)下垂控制而言更為平穩(wěn)。文獻(xiàn)[11]不僅提出一種改進(jìn)的能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入級(jí)采用多電平換流器結(jié)構(gòu)，隔離級(jí)采用ISOS與ISOP混聯(lián)結(jié)構(gòu)，便于能量路由器接入不同電壓等級(jí)的交直流電網(wǎng)，還提出一種通過(guò)調(diào)整直流電壓協(xié)調(diào)端口間功率流動(dòng)的控制策略。最后仿真驗(yàn)證此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與協(xié)調(diào)控制策略的可靠性與有效性。但是，目前專(zhuān)家與學(xué)者對(duì)于多端口能量路由器的研究仍以理論與仿真為主，實(shí)際工程應(yīng)用尚且不多。

以浙江某分布式能源示范工程為依托，對(duì)工程所使用能量路由器及其構(gòu)建的小型微網(wǎng)進(jìn)行研究與調(diào)試：首先，闡述多端口雙向能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)；其次，利用能量路由器各端口“即插即用”的特性于項(xiàng)目基地構(gòu)建小型微網(wǎng)，不僅包含晶硅光伏、儲(chǔ)能裝置，還配備電能自給自足的智慧小屋系統(tǒng)；最后，解決調(diào)試過(guò)程中所遇光伏與能量路由器端口之間功率無(wú)法輸送以及電壓波動(dòng)的問(wèn)題，并對(duì)微網(wǎng)并、離網(wǎng)試運(yùn)行過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析。以期為今后實(shí)際多端口能量路由器工程提供借鑒與參考。

1 多端口能量路由器

1.1 能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工程采用五端口雙向能量路由器，通過(guò)1#AC/DC端口與配電網(wǎng)相連。1#端口內(nèi)部包含380/315隔離變壓器，其二次側(cè)連接三相全橋變流器，在能量路由器內(nèi)部建立極間電壓為750 V的公共直流母排。2#±375 V端口由直流母排通過(guò)兩個(gè)DC/DC變換器分別建立兩路正負(fù)極間電圧均為375 V直流輸出，輸出側(cè)可引出新直流母線承載分布式電源與額定電壓為375 V的直流負(fù)載。同理，直流母排經(jīng)DC/DC變換器分別構(gòu)建了可承載48 V直流負(fù)載，光伏電源與儲(chǔ)能裝置的3#48 V負(fù)載端口，4#光伏端口，5#儲(chǔ)能端口，其拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 五端口能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中，Udcbus為能量路由器內(nèi)部直流母排,其極間電壓udcbus=750 V；DC/DC均為boost-buck雙向DC/DC變換器，保證能量路由器2#±375 V端口的能量雙向流動(dòng)與5#儲(chǔ)能端口蓄電池的充放電功能，且通過(guò)閉鎖晶閘管及其控制策略，確保3#48 V負(fù)載端口與4#光伏端口的能量單向流動(dòng)。如圖2所示為工程用雙向五端口能量路由器，從左到右依次為1#端口、2#端口、4#與5#端口、3#端口與協(xié)調(diào)控制柜。

圖2 五端口能量路由器

由此，五端口能量路由器能夠?qū)崿F(xiàn)交直流系統(tǒng)之間，不同電壓等級(jí)的能源互聯(lián)與能量雙向流動(dòng)。

1.2 能量路由器技術(shù)參數(shù)

工程所用五端口雙向能量路由器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 能量路由器主要技術(shù)參數(shù)

2 基于能量路由器的小型微網(wǎng)系統(tǒng)

多端口能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其標(biāo)準(zhǔn)化電氣接口“即插即用”的特性與微網(wǎng)運(yùn)行模式高度契合[12-13]。微網(wǎng)中的分布式電源與負(fù)載可通過(guò)能量路由器內(nèi)部直流母排進(jìn)行能量交換，當(dāng)負(fù)荷需求超過(guò)其發(fā)電能力時(shí)，微網(wǎng)亦可通過(guò)能量路由器從配網(wǎng)吸納功率，保證負(fù)載供電。

2.1 微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工程以五端口雙向能量路由器為核心設(shè)備，在基地七樓搭建了包括晶硅光伏、光儲(chǔ)一體機(jī)、儲(chǔ)能裝置以及智慧小屋系統(tǒng)的小型微網(wǎng)，拓?fù)鋱D如圖3所示。其中，智慧小屋利用光伏瓦、光伏道路與光伏幕墻替代傳統(tǒng)建筑的屋頂、墻面與屋外路面，減少光伏板占地面積，提高太陽(yáng)能利用率。屋內(nèi)除常規(guī)交流負(fù)載外，還具有供直流負(fù)載使用的375 V直流與48 V直流電源接口。智慧小屋系統(tǒng)通過(guò)能量路由器2#端口實(shí)現(xiàn)電力電量的自給自足，余量上網(wǎng)，其低碳環(huán)保的特性符合能源互聯(lián)網(wǎng)的要求。

圖3 基于五端口能量路由器的微網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖3中，Udcbus21與Udcbus22分別為能量路由器2#±375 V端口輸出側(cè)引出的兩條直流母線，其極間電壓udcbus21=udcbus22=375 V；Uacbus為配網(wǎng)交流母線。

Udcbus21與Udcbus22對(duì)智慧小屋系統(tǒng)中直流375 V負(fù)載實(shí)行一供一備的運(yùn)行策略，并依據(jù)額定功率均分智慧小屋系統(tǒng)中的光伏電源。光伏幕墻1與光伏瓦經(jīng)DC/DC變換器接入U(xiǎn)dcbus21，光伏道路經(jīng)DC/DC變換器接入U(xiǎn)dcbus22。光伏幕墻2與配網(wǎng)同時(shí)對(duì)光儲(chǔ)一體機(jī)中的蓄電池儲(chǔ)能。當(dāng)市電失去時(shí)，蓄電池通過(guò)AC/DC逆變后供智慧小屋中交流220 V負(fù)載。微網(wǎng)中智慧小屋48 V直流負(fù)載、晶硅光伏以及儲(chǔ)能電池分別連接至能量路由器的3#、4#、5#端口，由五端口能量路由器實(shí)現(xiàn)能量統(tǒng)一管理。

2.2 微網(wǎng)主要技術(shù)參數(shù)

微網(wǎng)中設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 微網(wǎng)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.3 微網(wǎng)控制策略

工程用多端口能量路由器配備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以控制五個(gè)端口的運(yùn)行模式與功率傳輸。用戶通過(guò)能量路由器，不但可以監(jiān)控微網(wǎng)電源運(yùn)行狀態(tài)，保證智慧小屋系統(tǒng)可靠運(yùn)行，而且能夠設(shè)置“五端口總功率期望值”調(diào)整配網(wǎng)與微網(wǎng)間功率流動(dòng)的大小與方向，一定程度上起到改善配網(wǎng)的功率因數(shù)，調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線的作用。

五端口能量路由器是配網(wǎng)和微網(wǎng)之間直流電源與負(fù)荷的唯一接口。分布式光伏、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載接于能量路由器內(nèi)部的直流母排，系統(tǒng)的可靠運(yùn)行與功率傳輸均依賴于其電壓的穩(wěn)定[14]。微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配網(wǎng)經(jīng)1#AC/DC端口建立直流母線電壓。分布式光伏與儲(chǔ)能裝置運(yùn)行于PQ控制模式，協(xié)調(diào)控制器調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置的功率以滿足五端口總功率期望值。微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，1#AC/DC端口閉鎖，分布式光伏保持PQ運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置切換至下垂控制模式，為微網(wǎng)提供雙向功率支撐的同時(shí)，支撐能量路由器直流母排電壓。

3 能量路由器調(diào)試異常分析及處理

在五端口能量路由器并網(wǎng)運(yùn)行模式與離網(wǎng)運(yùn)行模式下，分別單獨(dú)啟動(dòng)各端口進(jìn)行調(diào)試。

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，2#端口帶分布式光伏運(yùn)行時(shí)，輸出側(cè)直流母線電壓udcbus21、udcbus22驟升，且存在電壓振蕩。此外，即使在光照良好的環(huán)境下，光伏DC/DC仍無(wú)法向能量路由器輸送功率。

分布式光伏經(jīng)由兩臺(tái)不同廠家供應(yīng)的DC/DC變換器后，接入能量路由器2#端口，如圖1、圖3所示。能量路由器雙向DC/DC變換器拓?fù)鋱D如圖4所示。

UL、RL、CL分別為低壓側(cè)電壓、內(nèi)阻與支撐電容；UH、RH、CH分別為高壓側(cè)電壓、內(nèi)阻與支撐電容；T1、T2為晶閘管；L為電感；iL為通過(guò)電感的電流

當(dāng)晶閘管T1截止、T2動(dòng)作時(shí)，通過(guò)控制T2導(dǎo)通或關(guān)斷使DC/DC工作在Boost狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)升壓功能；當(dāng)晶閘管T1動(dòng)作、T2截止時(shí)，通過(guò)控制T1導(dǎo)通或關(guān)斷使DC/DC工作在Buck狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降壓功能。能量路由器2#端口輸出側(cè)直流母線電壓由低壓側(cè)支撐電容CL來(lái)維持。

以能量路由器2#端口僅啟動(dòng)一臺(tái)DC/DC變換器，帶光伏道路空載運(yùn)行為例，udcbus22電壓波形如圖5所示。

圖5 控制策略與參數(shù)調(diào)整前2#端口輸出側(cè)直流母線電壓

光伏側(cè)DC/DC變換器工作模式如式(1)所示，

(1)

式(1)中，uL為光伏側(cè)DC/DC低壓側(cè)電壓，uL=udcbus22。

當(dāng)光伏DC/DC啟動(dòng)，運(yùn)行在恒流模式時(shí)，可視為一電流源向Udcbus22輸送功率。由于2#端口DC/DC定電圧策略中PI控制環(huán)調(diào)節(jié)能力不足，CL不斷充電導(dǎo)致udcbus22攀升，t=0.8 s時(shí)，udcbus22=420 V，光伏DC/DC立即切換至恒壓模式，不再?gòu)?qiáng)迫DC/DC輸出電流，停止對(duì)CL充電。udcbus22因電壓過(guò)沖，最終略高于恒壓限值。t=1.6 s，由于能量路由器2#端口DC/DC調(diào)節(jié)作用，udcbus22開(kāi)始下降，并于t=2.4 s時(shí)達(dá)到最低值361 V。此時(shí)，能量路由器2#端口DC/DC與切換至恒流運(yùn)行模式的光伏DC/DC同時(shí)對(duì)CL充電，導(dǎo)致udcbus22瞬間驟升，超過(guò)恒壓限值并且達(dá)到過(guò)壓保護(hù)限值550 V，光伏DC/DC因觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作而進(jìn)入待機(jī)模式。t=4.4 s時(shí)，2#端口DC/DC再次調(diào)節(jié)，udcbus22開(kāi)始下降并長(zhǎng)時(shí)間處于振蕩狀態(tài)，無(wú)法穩(wěn)定在額定電壓。

整個(gè)過(guò)程僅在CL放電時(shí)，能量路由器接收到瞬時(shí)的微弱功率。由于CL不能保持充放電的動(dòng)態(tài)平衡，無(wú)法向能量路由器持續(xù)穩(wěn)定放電，并且光伏DC/DC中MPPT控制器在反復(fù)擾動(dòng)時(shí)均無(wú)功率輸出，存在功率誤判的情況。因此能量路由器顯示光伏輸出功率為0。

綜上所述，為解決此異常，需兩臺(tái)DC/DC協(xié)調(diào)配合，故采取以下改進(jìn)措施。

(1)上調(diào)2#端口DC/DC的控制環(huán)的PI參數(shù)，由Ki=0、Kp=500調(diào)整為Ki=3、Kp=900。由此加快能量路由器對(duì)udcbus22波動(dòng)的響應(yīng)速度，并提高平抑波動(dòng)的能力。

(2)改進(jìn)光伏DC/DC的控制策略。當(dāng)母線電壓超過(guò)恒壓限值，使其處于恒壓運(yùn)行模式時(shí)，停止MPPT。防止MPPT控制器在反復(fù)擾動(dòng)后將功率最大點(diǎn)設(shè)定為異常值，從而向2#端口輸出異常功率。等待直流母線電壓恢復(fù)且進(jìn)入恒流模式后，再次啟動(dòng)MPPT。

(3)調(diào)整光伏DC/DC的MPPT時(shí)間間隔，由300 ms延長(zhǎng)至3 s。由此降低DC/DC對(duì)光伏最大功率點(diǎn)的追蹤頻率，降低了光照度變化時(shí)光伏DC/DC輸出功率的波動(dòng)程度，進(jìn)一步減輕了能量路由器2#端口對(duì)UL的調(diào)節(jié)壓力。

采取改進(jìn)措施后，2#端口帶光伏道路啟動(dòng)瞬間，udcbus22會(huì)短暫升高，光伏DC/DC切換至恒壓模式并停止MPPT，在此階段能量路由器幾乎無(wú)功率流入。t=1.3 s由于能量路由器的調(diào)節(jié)，udcbus22迅速下降，隨后在額定電壓值附近有小幅振蕩并且振幅逐漸衰減，此階段光伏DC/DC切換至恒流模式，啟動(dòng)MPPT并獲取正常值，輸出功率逐漸增加。t=4.1 s后，udcbus22最終穩(wěn)定在375 V，2#端口流入功率穩(wěn)定在5.4 kW，至此能量路由器2#±375 V端口帶光伏道路能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，其輸出側(cè)直流母線電壓與流入功率如圖6、圖7所示。

圖6 控制策略與參數(shù)調(diào)整后2#端口輸出側(cè)直流母線電壓

圖7 控制策略與參數(shù)調(diào)整后2#端口流入功率

4 微網(wǎng)整體運(yùn)行

啟動(dòng)五端口能量路由器及其所接電氣設(shè)備，使微網(wǎng)分別運(yùn)行在并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式，檢查微網(wǎng)運(yùn)行工況。由于一期工程未接入375 V與48 V直流負(fù)載，因此調(diào)試中不啟動(dòng)能量路由器3#端口，2#端口僅單向接收智慧小屋系統(tǒng)中分布式光伏的下送功率。定義光伏功率限值為Pvlim，儲(chǔ)能充電功率為Ps，光伏輸出功率為Pv。

4.1 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果分析

啟動(dòng)能量路由器1#端口，并設(shè)置其總功率期望值為-7 kW，即配網(wǎng)向微網(wǎng)持續(xù)輸入功率7 kW，儲(chǔ)能裝置通過(guò)充電消納光伏與1#端口輸入的功率。

首先，能量路由器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)光伏限功率運(yùn)行，Pvlim=15 kW，配網(wǎng)與光伏通過(guò)能量路由器5#端口同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能裝置充電。t=122 s，調(diào)整功率限值Pvlim=10 kW，儲(chǔ)能充電功率相應(yīng)下調(diào)；t=330 s時(shí)刻撤銷(xiāo)光伏限功率運(yùn)行，光伏、儲(chǔ)能功率分別為Pv=22.21 kW，Ps=29.17 kW。調(diào)試過(guò)程中儲(chǔ)能裝置均能較好跟隨光伏出力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部電力平衡。微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配網(wǎng)通過(guò)1#AC/DC端口建立恒定的直流母排電壓，光伏出力的變化對(duì)其影響不大。udcbus僅在t=331 s時(shí)刻產(chǎn)生微小的波動(dòng)，隨后立刻恢復(fù)至額定。能量路由器各端口功率和直流母排電壓udcbus如圖8、圖9所示。

圖8 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能量路由器各端口功率

圖9 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能量路由器直流母排電壓

4.2 微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果分析

閉鎖五端口能量路由器1#端口，啟動(dòng)剩余端口，微網(wǎng)處于離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)能裝置為直流微網(wǎng)提供電壓支撐。

光伏正常運(yùn)行時(shí)，Pv=24.20 kW，在t=148 s時(shí)刻以Pvlim=15 kW限功率運(yùn)行，儲(chǔ)能隨后立刻減小充電功率，跟隨光伏出力，此階段直流母排電壓udcbus存在波動(dòng),但最終穩(wěn)定在746.9 V。原因在于光伏功率減小瞬間，儲(chǔ)能過(guò)充導(dǎo)致udcbus下降，協(xié)調(diào)控制器通過(guò)下垂控制調(diào)節(jié)儲(chǔ)能充電功率后，udcbus重新抬升。由于下垂特性，udcbus與原電壓存在偏差，無(wú)法恢復(fù)至額定值，但仍然滿足運(yùn)行條件。結(jié)果驗(yàn)證了在能量路由器的調(diào)節(jié)下，微網(wǎng)在離網(wǎng)模式也能夠穩(wěn)定運(yùn)行。能量路由器各端口功率與直流母排電壓udcbus如圖10、圖11所示。

圖10 微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能量路由器各端口功率

圖11 微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能量路由器母排電壓

5 結(jié)論

以浙江某分布式能源示范工程為例，論述了五端口能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以能量路由器為核心載體在工程中構(gòu)建包含晶硅光伏、儲(chǔ)能裝置與智慧小屋系統(tǒng)的微網(wǎng)。其中,智慧小屋借助能量路由器實(shí)現(xiàn)電能自發(fā)自用，該組合模式可對(duì)今后智慧小屋的廣泛建設(shè)起到示范作用。通過(guò)協(xié)調(diào)DC/DC之間的控制策略與技術(shù)參數(shù)，解決能量路由器2#端口輸出側(cè)直流母線電壓驟升與振蕩問(wèn)題，保證光伏出力可靠下送至能量路由器。此調(diào)試優(yōu)化過(guò)程可對(duì)今后多DC/DC串聯(lián)使用，以及分布式電源接入能量路由器方面具有借鑒與指導(dǎo)意義。最后，微網(wǎng)并、離網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了基于多端口能量路由器構(gòu)建微網(wǎng)系統(tǒng)的正確性與有效性。