交直流多端口戶用型能量路由器協(xié)調(diào)控制策略

楊新華 張景帆

交直流多端口戶用型能量路由器協(xié)調(diào)控制策略

楊新華 張景帆

（蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050）

能量路由器是家庭區(qū)域能源網(wǎng)與電網(wǎng)之間能量接口的重要組成部分，本文針對一種交直流戶用型能量路由器結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計實現(xiàn)分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)與負荷之間能量平衡的協(xié)調(diào)控制策略。為延長由蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命，設(shè)計模糊控制算法電源管理策略；采用改進的下垂控制策略，實現(xiàn)戶用型能量路由器并網(wǎng)時的平滑切換，提高系統(tǒng)的魯棒性。在Matlab/Simulink平臺上搭建戶用型能量路由器仿真模型進行分析，仿真結(jié)果表明，本文所研究控制策略在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，能夠有效抑制可再生能源輸出波動及負載變化帶來的影響。

能量路由器；混合儲能；協(xié)調(diào)控制；模糊控制；下垂控制

0 引言

為滿足未來電網(wǎng)對電能控制的復(fù)雜性和多樣性要求，有學者提出局部消納的方法，以微電網(wǎng)、智能小區(qū)為單元，形成自下而上的能量互聯(lián)單元，保證新能源電力及儲能系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等形成電網(wǎng)滲透率可控、能源就地消費的能源互聯(lián)網(wǎng)[1]。能量路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心和關(guān)鍵設(shè)備，可視為電力系統(tǒng)追求開放的一種自然需求，也可視為電力電子設(shè)備研究網(wǎng)絡(luò)層面與系統(tǒng)層面的延伸，具備能量的雙向流動，優(yōu)化電源端與電力負荷端的需求，在電力物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)側(cè)有重大意義，實現(xiàn)電力系統(tǒng) “源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)信息流的互聯(lián)[2-3]。

近年來，圍繞分布式能源大規(guī)模部署的需求，相關(guān)學者在智能家居能源管理領(lǐng)域開展了大量工作。文獻[4]提出戶用型能量路由器根據(jù)各端口信息和內(nèi)部直流母線電壓實現(xiàn)各個層區(qū)之間的無縫切換和協(xié)調(diào)管理，但該文獻并未考慮能量路由器并網(wǎng)情況下的工作狀態(tài)。文獻[5]針對新型多端口電能路由器，采用功率交叉解耦策略實現(xiàn)功率協(xié)同控制和三相電壓與負荷不平衡情況下交流端口的控制。文獻[6]研究了一種針對家庭區(qū)域直流微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)，采用模糊邏輯控制器對電池的荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）進行期望狀態(tài)管理。文獻[7]提出基于下垂移相的三端口直流能量路由器，將單個微電網(wǎng)下垂特性進行標幺化，以減小微電網(wǎng)母線電壓偏差，確保各種模式下穩(wěn)定運行。文獻[8]提出家用能量路由器的協(xié)調(diào)控制策略，并針對家用能量路由器的功率分配特性進行分析，建立了低壓小容量家用能量路由器的典型應(yīng)用場景。文獻[9]為了平滑可再生能源發(fā)電與負載的波動對家用能量路由器造成的影響，提出一種實用的考慮單位時間充電的模糊邏輯控制器，提高了用戶側(cè)經(jīng)濟效益。

針對目前戶用型能量路由器研究中存在的問題，本文采用無隔離變壓器結(jié)構(gòu)的戶用型能量路由器，意在提高其功率密度，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。基于此結(jié)構(gòu)，設(shè)計協(xié)調(diào)控制策略，利用模糊控制方法實現(xiàn)能源的最大利用，延長蓄電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為實現(xiàn)交直流多端口能量路由器的可靠并網(wǎng)，在能量路由器中AC-DC變換器端口采用改進的下垂控制實現(xiàn)能量路由器在各種工況下的平滑切換，通過仿真證明控制策略的可行性。

1 能量路由器結(jié)構(gòu)

戶用型能量路由器是實現(xiàn)低電壓小容量負載、交直流混合供電、分布式電源即插即用、能源靈活管理的關(guān)鍵設(shè)備。典型戶用型能量路由器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示戶用型能量路由器拓撲結(jié)構(gòu)包含五個端口，分別是電網(wǎng)端口、交流負載端口、直流負載端口、光伏電池端口、混合儲能端口。結(jié)構(gòu)中光伏電池通過Boost變換電路接入直流母線；混合儲能端口包括蓄電池與超級電容接口，分別通過雙向DC-DC變換器并聯(lián)接入直流母線來釋放或吸收電能，雙向DC-DC變換電路通過IGBT的導(dǎo)通方式來決定儲能單元充放電模式；電網(wǎng)端口將電網(wǎng)能量輸入能量路由器；交流負載端口為負載供電并接入電網(wǎng)；直流負載端口具有獨立的Buck變換器，以實現(xiàn)對低壓直流負載供電。

圖1 戶用型能量路由器結(jié)構(gòu)

能量路由器運行模式分為停機、并網(wǎng)、孤島三種模式，如圖2所示。并網(wǎng)模式與孤島模式對應(yīng)工

作狀態(tài)，停機模式下，能量路由器暫停工作等待起動命令。孤島模式下，變換器根據(jù)自身下垂曲線和負載功率運行工作點，通過電壓、電流雙閉環(huán)控制為直流母線提供電壓、頻率支撐[10-11]。孤島模式下存在可再生能源輸出變化及負載突變而造成直流母線電壓波動的問題，為解決這一問題，在系統(tǒng)中接入由蓄電池與超級電容組成的混合儲能元件，通過蓄電池與超級電容充放電來平抑直流母線電壓的波動。并網(wǎng)模式下，通過功率閉環(huán)調(diào)節(jié)下垂曲線，并通過電壓、電流雙閉環(huán)控制使變換器跟隨有功功率和無功功率指令工作。

圖2 能量路由器運行模式

2 能量路由器協(xié)調(diào)控制策略

2.1 DC-AC變換器控制策略

戶用型能量路由器主要面對戶級用戶或小型社區(qū)，其特點是負荷容量較小，考慮到并/離網(wǎng)無縫切換的要求，選擇下垂控制作為其控制策略。在并/離網(wǎng)雙模式下穩(wěn)定運行時，兩種模式之間能否平滑切換則是能量路由器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題之一。本文在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上增加相位前饋補償，實現(xiàn)在工作模式轉(zhuǎn)換過程中能量路由器并網(wǎng)端口頻率、電壓、相位與主電網(wǎng)之間的無差控制，從而實現(xiàn)在并網(wǎng)的過程中平滑切換。

通過積分環(huán)節(jié)消除誤差使端口電壓接近主網(wǎng)電壓。系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)也采用同樣方法。

2.2 基于功率的混合儲能系統(tǒng)電流跟蹤控制策略

混合儲能系統(tǒng)由蓄電池與超級電容組成，利用其互補優(yōu)勢穩(wěn)定直流母線電壓?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的充放電控制框圖如圖4所示，蓄電池和超級電容分別通過非隔離Buck/Boost電路并聯(lián)連接到直流母線[13]。雙向DC-DC變換器采用電流跟蹤控制方式，相比于直接控制充電或放電電流的方法，可以更好地維護瞬時功率的平衡。

圖4 混合儲能系統(tǒng)的充放電控制框圖

從滿足系統(tǒng)功率平衡考慮，有

式中：dc為母線側(cè)電容；dc為直流母線電壓；pv為光伏輸出功率；bat為蓄電池充放電功率；sc為超級電容充放電功率；ac為負載消耗功率。

在母線電壓恒定的情況下，推導(dǎo)公式為

考慮蓄電池與超級電容所擔任的角色，能量路由器中蓄電池負責平抑系統(tǒng)內(nèi)部大部分能量波動，超級電容主要用于改善當系統(tǒng)可再生能源輸出波動及負載變化時直流母線電壓的瞬時特性，電流跟蹤控制主要通過控制雙向DC-DC變換器中電感電流的變換調(diào)節(jié)占空比，從而調(diào)節(jié)蓄電池與超級電容之間的充電或放電電流，蓄電池或超級電容之間電壓電流的關(guān)系為

基于式（5）推導(dǎo)出DC-DC變換器調(diào)制電壓及調(diào)制信號為

式中：p為比例系數(shù)；i為積分系數(shù)；sref為參考電流。

3 能量路由器電源管理策略

3.1 模糊邏輯控制的設(shè)計

混合儲能系統(tǒng)作為戶用型能量路由器的能量緩沖器，抑制分布式能源接入系統(tǒng)所引起的功率波動。傳統(tǒng)的混合儲能功率分配采用分頻控制，原則上超級電容承擔功率波動高頻部分，蓄電池承擔功率波動低頻部分，該方法并未根據(jù)儲能元件的荷電狀態(tài)進行分配。同時也存在其他方法，如文獻[14]通過小波分解對系統(tǒng)的功率進行分配，以減少蓄電池頻繁放電并提高超級電容吸收高頻功率、平抑可再生能源的波動，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜不利于分析。而本文采用模糊控制的方法，通過模糊控制器近似推理，實現(xiàn)對儲能元件的合理分配。

下面根據(jù)能量路由器的運行工況，采用模糊控制算法對混合儲能系統(tǒng)儲能元件進行管理。根據(jù)確定的隸屬度函數(shù)，對蓄電池荷電狀態(tài)、蓄電池充放電狀態(tài)、光伏輸出功率與負荷之間的需求這三個變量進行模糊化，得到相應(yīng)的狀態(tài)語言變量；再按照模糊推理將所得的模糊變量去模糊化，使其應(yīng)用在能量路由器實際運行場景中。

圖5 輸入、輸出隸屬度函數(shù)

3.2 模糊邏輯規(guī)則的建立

通過上述分析，根據(jù)蓄電池與超級電容充放電的基本特性建立模糊邏輯規(guī)則，設(shè)計功率分配方案，減少儲能元件的放電狀態(tài)，通過分類得到三種狀態(tài)如圖6所示。

圖6 狀態(tài)分類

由此設(shè)定以下規(guī)則：

根據(jù)上述所設(shè)定的規(guī)則，設(shè)計模糊邏輯規(guī)則見表1。

表1 模糊邏輯規(guī)則

圖7 輸入輸出隸屬度函數(shù)三維圖

4 仿真驗證

為了驗證本文所采用協(xié)調(diào)控制策略能實現(xiàn)對能量路由器各端口的合理分配，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建了圖1所示戶用型能量路由器系統(tǒng)仿真模型。能量路由器中電池采用鋰電池模型，分布式能源光伏模型采用最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）算法，充分利用光伏輸出功率。當光照強度為1 000W/m2，溫度為25℃時，最大輸出功率為5kW。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

1）戶用型能量路由器從孤島模式向并網(wǎng)模式過渡的特性

圖8 負載消耗和儲能系統(tǒng)總充放電功率

圖9 不同工況下直流母線電壓

圖10 不同工況下蓄電池和超級電容充放電功率

圖11 不同控制策略下的蓄電池荷電狀態(tài)對比

相位預(yù)同步波形如圖12所示，在預(yù)同步過程中，大約在1.3s時實現(xiàn)相位同步。且在切換模式時電壓波形連續(xù)，相比于傳統(tǒng)下垂控制，電壓波形沒有出現(xiàn)失真與突變。改進下垂控制與傳統(tǒng)下垂控制的交流三相電壓波形如圖13所示。

圖12 相位預(yù)同步波形

圖13 交流三相電壓波形

2）戶用型能量路由器并網(wǎng)模式特性

分析戶用型能量路由器在光伏發(fā)電輸出功率變化時的并網(wǎng)模式特性。光伏輸出功率和儲能系統(tǒng)總充放電功率如圖14所示，太陽輻照度在0.4s、0.6s、1.0s時刻發(fā)生變化，光伏輸出功率在0.4s時從3kW增加到5kW，在0.6s時減少到2kW，在1.0s時增加到4kW。同時，有功負荷功率保持在5kW，無功負荷保持在0。圖15為并網(wǎng)模式下直流母線電壓。圖16為并網(wǎng)模式下蓄電池和超級電容充放電功率，在初始情況下光伏輸出小于負荷需求，此時根據(jù)儲能元件特性超級電容迅速放電防止母線電壓下跌，隨后蓄電池在模糊控制器的控制下持續(xù)放電直到系統(tǒng)內(nèi)部能量平衡。在0.4～0.6s光伏輸出和負荷需求之間能量平衡，超級電容與蓄電池既不充電也不放電。在0.6s之后光伏輸出一直小于負荷需求，處在供不應(yīng)求的狀態(tài)下，在模糊控制器的控制下，蓄電池與超級電容一直處在交替充放電狀態(tài)來平抑光伏輸出功率波動所帶來的影響。直流母線電壓的波動在整個系統(tǒng)運行過程中維持在0.5%以內(nèi)。所得結(jié)果充分驗證了所提控制策略在實現(xiàn)功率精準分配的同時也同樣能維持母線電壓穩(wěn)定。當蓄電池處在連續(xù)放電過程中時，傳統(tǒng)分頻控制與模糊控制相比較，如圖17所示，蓄電池放電達到一定下限時，采用模糊控制的蓄電池放電相對緩慢，有利于延長蓄電池壽命。

圖14 光伏輸出功率和儲能系統(tǒng)總充放電功率

圖15 并網(wǎng)模式下直流母線電壓

圖16 并網(wǎng)模式下蓄電池和超級電容充放電功率

圖17 蓄電池荷電狀態(tài)

5 結(jié)論

本文針對戶用型能量路由器，分析了各端口的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計了基于端口的能量協(xié)調(diào)控制策略。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長混合儲能系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命，采用模糊控制算法制定了電源管理策略。為提高戶用型能量路由器平滑并網(wǎng)特性，采用改進的下垂控制。在Matlab/Simulink平臺上建立仿真模型，仿真結(jié)果表明：

1）所提改進下垂控制能夠?qū)崿F(xiàn)戶用型能量路由器平滑并網(wǎng)。

2）所提基于模糊控制的電源管理策略，對保持戶用型能量路由器內(nèi)部瞬時功率平衡和抑制分布式能源輸出與負荷消耗突變所產(chǎn)生的功率波動具有明顯的效果。

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Coordinated control strategy of AC/DC multi-port household energy router

YANG Xinhua ZHANG Jingfan

(School of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

Energy router is an important part of the energy interface between home regional energy network and power grid. Aiming at an AC/DC household energy router structure, this paper studies and designs the energy balance coordination control strategy between distributed generation, energy storage system, power grid and load. To extend the battery life in the hybrid energy storage system composed of batteries and supercapacitors, fuzzy control algorithms and power management strategies are designed. The improved droop control strategy is adopted to realize the smooth switching of household energy router when connected to the grid, and improve the robustness of the system. The home energy router simulation model is established and analyzed on the Matlab/Simulink platform. The simulation results show that the control strategy studied in this paper can effectively restrain the influence of renewable energy output fluctuations and load changes while maintaining the stability of the system.

energy router; hybrid energy storage; coordinated control; fuzzy control; droop control

2021-09-29

2021-11-05

楊新華（1966—），男，教授，主要研究方向為電力電子與特種電源。