構(gòu)建縣域電網(wǎng)系統(tǒng)的多端口能量路由器及其硬件在環(huán)仿真

熊 平，柳 丹，肖 繁，康逸群

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著“30·60 目標(biāo)”的推進(jìn)，新能源裝機容量持續(xù)攀升，發(fā)展趨勢從局部地區(qū)逐漸向全省、全國轉(zhuǎn)變，到2030 年碳達(dá)峰階段，新能源發(fā)電量占比將提升至42%［1-3］?，F(xiàn)階段新能源發(fā)電分布式和集中式共存，在110 kV及以上電壓等級接入的新能源仍以集中式模式為主。隨著整縣光伏開發(fā)的逐步推進(jìn)，10 kV及以下電壓等級接入的分布式光伏占比隨之增長［4］。新能源的間隙性、分散性和不可控性，使得縣域電網(wǎng)電能流向由單向流動演變?yōu)槎嘞蛄鲃?，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行方式的合理安排帶來難題，同時導(dǎo)致本地新能源無法消納的新能源外送空間逐步縮緊，依靠大規(guī)模外送模式的持續(xù)性存疑［5］。另一方面，縣域電網(wǎng)中電動汽車等直流負(fù)荷及儲能規(guī)?；崴伲枚嗄芑パa及友好協(xié)調(diào)控制來解決日益突出的新能源發(fā)電的間歇性和用戶用電的隨機性難題是當(dāng)前可行的解決思路［6-7］。在上述背景下，能量路由器能為分布式電源、無功補償設(shè)備、儲能設(shè)備、負(fù)荷等提供智能接口，在保證電能質(zhì)量的前提下，靈活地管理區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部功率輸送，實現(xiàn)動態(tài)電能平衡，實現(xiàn)能源高效利用和就地消納是目前研究的熱點［8-9］。

目前，利用能量路由器功率的多向流動，使其可靈活變換與電網(wǎng)的功率交換，在不同場合表現(xiàn)出電源或負(fù)載的特性，快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度，實現(xiàn)能源互聯(lián)［10］。在不同的應(yīng)用場景，能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之改變［11］。針對分布式低壓電網(wǎng)380 V場景，能量路由器要求具備電動汽車、儲能、光伏等直流元素接口，功能上更注重能量多向流動、即插即用、信息互動等需求，結(jié)構(gòu)上常采取為共直流母線型。針對中壓10 kV電網(wǎng)場景，能量路由器為不同變電站間母線、饋線能量橋梁，技術(shù)上具備多電壓等級、多環(huán)網(wǎng)等特點，采用級聯(lián)H 橋結(jié)構(gòu)、背靠背換流器等結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)10 kV電壓等級接入，具備控制T 接入饋線潮流幅值和方向［12-13］。此外，針對不同電壓等級的交直流電網(wǎng)的接入場景，文獻(xiàn)［14］提出一種改進(jìn)的能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入級采用多電平換流器結(jié)構(gòu)（MMC），隔離級采用串入串出（ISOS）與串入并出的（ISOP）混聯(lián)結(jié)構(gòu)。針對電力電子變壓器容量的不同，IGBT/MOSFET/Sic的器件應(yīng)用不同，IGBT常用于容量大的場合，而MOSTET/Sic的應(yīng)用以小容量場合為主。國內(nèi)外有關(guān)能量路由器示范工程為珠海唐家灣-光儲充一體化直流微電網(wǎng)工程、同里綜合能源服務(wù)中心工程，示范側(cè)重于中低壓配電網(wǎng)，電壓等級較低（10 kV及以下）、容量較?。?0 kVA～3 MVA），多為3-4個端口，尚未見到10 kV以上，60 MW大容量多端口能量路由器樣機試制或工程應(yīng)用的報道［15-18］。綜上所述，對于多端口大容量能量路由器的研究仍以理論、仿真和工程示范為主，實際工程化應(yīng)用尚且不多。

結(jié)合本文構(gòu)建能源互聯(lián)的縣域電網(wǎng)100%新能源獨立供電運行場景，本文提供一種基于電能路由技術(shù)的區(qū)域能源互聯(lián)配電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建以區(qū)域電能路由器為核心節(jié)點設(shè)備的互聯(lián)集控層，形成縣域電網(wǎng)新能源就地消納為主、與主電網(wǎng)交互為輔，具備相互支撐、互為補充的能源互聯(lián)形態(tài)。以湖北廣水能源示范工程為依托，對工程所使用能量路由器及其構(gòu)建的縣域電網(wǎng)進(jìn)行研究與仿真驗證：首先，闡述高壓多端口能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)；其次，研究不同運行方式下各變換器端口控制策略，使其具備區(qū)域電網(wǎng)100%獨立運行的要求；最后，開展基于多端口能量路由器不同運行方式下的硬件在環(huán)仿真，驗證能量路由器穩(wěn)態(tài)運行、故障支撐、運行方式切換的可靠性，以期為多端口能量路由器工程的投運提供借鑒與參考。

1 多端口能量路由器

1.1 能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工程采用高壓多端口能量路由器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，中壓直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與中壓母線相連各端口能流的控制及其保護，包括與高壓交流電網(wǎng)連接的AC/DC 雙向變換器、與縣域交流電網(wǎng)連接的DC/AC 雙向變換器、與縣域電網(wǎng)供電負(fù)荷連接的DC/AC 雙向變換器、中壓直流母線、以及與中壓直流母線連接的儲能雙向DC/DC 變換器、分布式電源雙向DC/DC 變換器和中壓直流斷路器，AC/DC 雙向變換器與DC/AC 雙向變換器組成背靠背換流器，用于連接與隔開高壓交流電網(wǎng)和縣域交流電網(wǎng)；低壓直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括低壓直流負(fù)荷DC/DC 變換器、低壓直流母線，儲能雙向DC/DC 變換器通過低壓直流母線與所述低壓直流負(fù)荷DC/DC 變換器連接，低壓直流負(fù)荷DC/DC變換器用于接入低壓直流負(fù)荷。

圖1 多端口能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of multi-port energy router

圖1 中，能量路由器采取中壓和低壓共直流母線結(jié)構(gòu)，與中壓直流母線有物理連接的端口為1 號-5 號由中壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)各端口間的能量調(diào)控；與低壓直流母線有物理連接的端口6號由低壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)各端口間能量調(diào)控，實現(xiàn)了不同電壓等級的能量互聯(lián)及分層控制。AC/DC換流器1和DC/AC換流器2 為模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)背靠背換流器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能量雙向流動及級聯(lián)成高壓端口；儲能雙向DC/DC4 變換器為ISOP 結(jié)構(gòu)、分布式電源雙向DC/DC5 變換器為ISOP 結(jié)構(gòu)，便于直流側(cè)高壓輸入、低壓輸出大電流，實現(xiàn)儲能、光伏模塊化接入，易于維護；低壓直流負(fù)荷DC/DC6 變換器為IPOP 結(jié)構(gòu)，適用于低壓大電流工作場合，降低輸入端與輸出端功率開關(guān)管的電流應(yīng)力，降低器件選型要求及成本。

1.2 能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

更為具體，工程所用高壓多端口能量路由器具有AC110kV/AC110kV/AC10kV/DC±20kV/DC750V/DC±375V/DC375V 共7 個端口，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，分為背靠背換流器，包括2 個MMC 結(jié)構(gòu)組成的背靠背變換器、1 個MMC 結(jié)構(gòu)的換流器、3 個直流變壓器、1個中壓直流斷路器。

表1 多端口能量路由器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of multi-port energy router

2 基于能量路由器的縣域電網(wǎng)系統(tǒng)

本文所述的高壓大容量多端口能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種具備多交、直流端口的層次化能源互聯(lián)系統(tǒng)，可實現(xiàn)交流電網(wǎng)間雙向功率流動，低壓直流系統(tǒng)層次化能量管控，同時可使10 kV縣域交流電網(wǎng)以100%新能源供電下的孤島運行能力，與提升縣域電網(wǎng)新能源就地消納的運行模式高度契合［19-20］。其中，背靠背換流器可使示范區(qū)110 kV 電網(wǎng)與永陽110 kV 主網(wǎng)柔性互聯(lián)，形成以主網(wǎng)為支撐，示范區(qū)電網(wǎng)就地消納為主的運行方式，提升供電的可靠性。

2.1 能量路由互聯(lián)的縣域電網(wǎng)示意圖

工程以多端口雙向能量路由器為核心設(shè)備，具體為包括用于連接與隔離AC 110 kV 電網(wǎng)的背靠背60 MW 換流器VSC1 和VSC2，與±20 kV 直流母線連接的DC/DC變換器1和DC/DC變換器2，采用ISOP結(jié)構(gòu)，用于分散式電池模塊及光伏模塊的接入，與±20 kV母線連接的VSC3換流器，用于負(fù)荷饋線供電，以及用于中壓直流微網(wǎng)輸入/輸出端口，提供直流環(huán)網(wǎng)接入接口。圖2 中，交流110 kV 端口采用以背靠背形式連接的2套60 MW VSC換流器1、2，換流器1與220 kV電網(wǎng)側(cè)變電站110 kV 母線相連，換流器2 與新能源側(cè)變電站內(nèi)110 kV母線相連，實現(xiàn)互聯(lián)母線間的柔性調(diào)控；交流10 kV端口出口采用1套5 MW VSC換流器3，換流器3 與站內(nèi)10 kV 母線相連，作為站內(nèi)10 kV 備用電源接口；DC750 V 端口采用1 套2 MW 直掛儲能直流變換器，其與站內(nèi)儲能相連，平抑新能源發(fā)電的功率波動，參與高比例可再生電網(wǎng)的調(diào)壓、調(diào)峰，可作為電網(wǎng)的啟動電源；DC±375 V端口采用1套2 MW直流變換器，實現(xiàn)站內(nèi)展廳幕墻光伏、屋頂光伏接入；DC375 V端口采用1 套500 kW 直流變壓器，與DC±375 V 端口一同實現(xiàn)電動汽車、儲能、直流用電負(fù)荷等元素的靈活接入；DC±20 kV端口通過直流斷路器引出，接新型負(fù)荷和配電網(wǎng)示范區(qū)。此外，并聯(lián)斷路器用于在示范區(qū)源儲荷無法平衡時的備用交流通道，解決偶發(fā)的新能源發(fā)電超過能量路由器容量的問題，可降低示范區(qū)儲能系統(tǒng)的投資成本，提升縣域電網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性。

圖2 多端口能量路由器的縣域電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of county power grid system with multi-port energy router

2.2 能量路由器二次系統(tǒng)及其控制策略

工程用多端口能量路由器配備能量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，控制運行模式切換與端口功率傳輸。主要設(shè)備包括能量路由器協(xié)控系統(tǒng)（簡稱“協(xié)控”），能量路由器運行人員工作站，就地工作站和服務(wù)器，VSC1 控制保護系統(tǒng)，VSC2 控制保護系統(tǒng)，VSC3 控制保護系統(tǒng)，DC/DC1控制系統(tǒng)（儲能換流器控制系統(tǒng)），DC/DC2控制系統(tǒng)，DC/DC3控制系統(tǒng)等。能量路由器運行人員工作站位于集控中心或調(diào)度中心，就地工作站位于能量路由器二次設(shè)備預(yù)制艙。運行人員可通過這兩個工作站向協(xié)控和換流器控制保護設(shè)備下發(fā)操作指令。能量路由器協(xié)控系統(tǒng)與源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制系統(tǒng)（簡稱“源網(wǎng)荷儲”）通信，具備LAN網(wǎng)的秒級和FT3 協(xié)議的毫秒級的運行方式和控制指令響應(yīng)，二次系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 多端口能量路由器二次系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Secondary system architecture of multi-port energy router

能量路由器背靠背換流器是配網(wǎng)和高壓主網(wǎng)之間“源荷”的唯一接口，根據(jù)并聯(lián)斷路器（旁路開關(guān)DL3）、VSC1 和VSC2 換流器的投退狀態(tài)的不同，縣域電網(wǎng)可分為以下3種運行方式，依據(jù)運行方式的不同，能量路由器各端口具有不同的控制策略，具體見表2。

表2 多端口能量路由器運行方式及控制策略Table 2 Operation mode and control strategy of multi-port energy router

VSC1和VSC2投入，旁路開關(guān)DL3斷開，稱為能量路由器運行方式。在該運行方式下，北環(huán)變電站管轄的縣域電網(wǎng)與220 kV 永陽變電站高壓主網(wǎng)通過能量路由器VSC1 和VSC2 換流器隔開，控制目標(biāo)為保證縣域電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定，各端口變換器要求為VSC1穩(wěn)定中壓直流母線電壓，VSC2 為V/F 下垂控制模式，支撐北環(huán)側(cè)交流電網(wǎng)，VSC3 為V/F 下垂控制模式，隨示范區(qū)負(fù)荷波動，DC/DC1、DC/DC2 和DC/DC3 為恒電流控制模式，具備充分利用“源”“荷”“儲”的調(diào)控能力。

VSC1 與永陽變電站高壓電網(wǎng)連接的斷路器DL1斷開，VSC2投入，旁路開關(guān)DL3斷開，北環(huán)變電站管轄的縣域電網(wǎng)與220 kV 永陽變電站高壓主網(wǎng)無功率交互，示范區(qū)由新能源場站、儲能系統(tǒng)供電，稱為“獨立運行方式”。在該運行方式下，控制目標(biāo)為保證北環(huán)變電站母線電網(wǎng)穩(wěn)定，由接入到站內(nèi)母線的自同步電壓源的寶林和英姿寨新能源、示范區(qū)的分布式儲能共同支撐。能量路由器VSC1 換流器為V/F 控制，VSC2 換流器穩(wěn)定中壓直流母線，直流側(cè)儲能換流器DC/DC1 定PQ模式，DC/DC1、DC/DC2和DC/DC3為恒電流控制模式，具備充分利用“源”“荷”“儲”的調(diào)控能力。

VSC1和VSC2投入，旁路開關(guān)DL3閉合，能量路由器和其交流通道同為功率傳送通道，稱為“能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式”。在該運行方式下，控制目標(biāo)為以保證北環(huán)側(cè)新能源最大功率輸送，各端口變化器要求為VSC1 穩(wěn)定中壓直流母線電壓，VSC2 為PQ 模式，DC/DC1、DC/DC2和DC/DC3為恒電流控制模式，解決向外輸送功率超出能量路由器外送卡口問題，滿足新能源側(cè)功率最大上送。

圖4 示范區(qū)縣域電網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of country-level power grid in demonstration area

能量路由器運行方式的切換主要受與北環(huán)變電站（示范區(qū)）交互功率影響，各運行方式下的切換關(guān)系如圖5所示，能量路由器在進(jìn)行響應(yīng)上述方式切換時，各端口的控制策略同步切換，要求滿足表2中所述策略，確保切換前后示范區(qū)及高壓電網(wǎng)電壓和頻率平滑過渡。

圖5 多端口能量路由器不同運行方式切換關(guān)系圖Fig.5 Switching relationship between different operation mode of the multi-port energy router

3 仿真與結(jié)果分析

高壓大容量多端口能量路由器的硬件在環(huán)測試對象包括VSC1/2/3控制保護系統(tǒng)、VSC1/2/3閥控系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、中壓保護系統(tǒng)、VSC1和VSC2換流變保護系統(tǒng)、DC/DC控制保護裝置、直流斷路器控制保護。聯(lián)調(diào)內(nèi)容為能量路由器啟停、功率升降動態(tài)響應(yīng)、故障穿越、穩(wěn)態(tài)參數(shù)交互及運行方式切換等試驗，如表3 所示。本文以考察工程用能量路由器故障穿越及運行方式切換等動態(tài)特性為主，驗證能量路由器的可靠性。

表3 多端口能量路由器硬件在環(huán)仿真項目Table 3 Hardware-in-loop test items of multi-port energy router

在能量路由器運行方式下，永陽側(cè)交流電壓，中壓直流母線電壓額定時，調(diào)整各端口功率，使能量路由器背靠背換流器有功功率P_Act 為-55 MW，無功功率Q_Act為-20 Mvar，VSC3有功功率為5 MW。如圖6所示，直流電壓Udc實際值為39.99 kV，控制精度為0.025%，VSC2換流器交流電壓Us_AB實際值為111.88 kV，控制精度為0.1%，受到示范區(qū)內(nèi)有功功率的影響，有功-頻率下垂，頻率實際值fs_A在±0.05 Hz 范圍內(nèi)波動；VSC3 換流器交流電壓UAC_AB_1ST實際值為9.99 kV，控制精度為0.1%，頻率UAC_FREQ實際值為49.99 Hz，控制精度為0.001%，控制精度與設(shè)計要求一致。

圖6 多端口能量路由器穩(wěn)態(tài)參數(shù)校核Fig.6 Steady-state parameter check of multi-port energy router

對能量路由器在獨立運行方式下啟動能力進(jìn)行測試，檢驗該方式下各端口啟停邏輯及功能的正確性。該方式下能量路由器需先啟動VSC2端口，隨后啟動其余換流器端口。如圖7（a）為獨立運行方式下的VCS2換流器啟動波形。為減小啟動時電流沖擊，VSC2換流器直流電壓給定為0.85 p.u.Udc，達(dá)到直流電壓穩(wěn)態(tài)值時，VSC2 換流器端口的有功功率P_Act 和無功功率Q_Act 穩(wěn)態(tài)值受到示范區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的影響；圖7（b）為VSC1換流器啟動波形，VSC1換流器在Udc為直流額定40 kV 時解鎖，建立Us_A網(wǎng)側(cè)三相交流電壓，其有功功率和無功功率為零。能量路由器停機流程與啟動流程相反，不在此贅述。

圖7 多端口能量路由器VSC1和VSC2換流器啟動Fig.7 Start-up of VCS1 and VSC2 of multi-port energy router

對能量路由器動態(tài)參數(shù)變化時響應(yīng)能力進(jìn)行測試，檢驗以能量路由器運行方式下的直流電壓動態(tài)響應(yīng)性能。圖8中為VSC1換流器永陽側(cè)直流電壓Udc階躍-0.03 p.u.時，背靠背換流器功率波動情況。在中壓側(cè)直流電壓給定變化時，VSC1換流器永陽側(cè)直流電壓Udc快速響應(yīng)給定指令，約90 ms 調(diào)整至穩(wěn)態(tài)。在此過程中，永陽側(cè)有功功率P_Act超調(diào)量不超過30%，直流電壓穩(wěn)態(tài)后永陽側(cè)傳送的功率保持不變，永陽側(cè)無功功率Q_Act保持不變。

圖8 多端口能量路由器直流電壓Udc階躍動態(tài)特性Fig.8 Udc step dynamic characteristics of DC voltage in multi-port energy router

在能量路由器運行方式下，VSC1換流器為定直流電壓控制，VSC2 采用V/F 下垂控制。調(diào)節(jié)VSC2 負(fù)荷功率，在換流器VSC2交流側(cè)置故障，進(jìn)行故障穿越試驗。結(jié)果如圖9 所示，北環(huán)側(cè)三相交流電壓短路接地故障期間，中壓母線電壓Udc基本能保持穩(wěn)定，期間無保護動作，故障恢復(fù)后能量路由器北環(huán)側(cè)有功功率P_Act和北環(huán)側(cè)無功功率Q_Act能穩(wěn)定輸出。

圖9 北環(huán)側(cè)三相短路交流故障下VSC2換流器低電壓穿越試驗結(jié)果Fig.9 Low voltage crossing test results of VSC2 converter in the case of 3-phase short-circuit fault in Beihuan Station

由于能量路由器容量為60 MW，當(dāng)示范區(qū)功率上送功率超過60 MW時，需合上旁路開關(guān)DL3，此時由并聯(lián)的交流通道與背靠背換流器組成電能外送通道。能量路由器運行方式切換到能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式，DL3斷路器合閘要求示范區(qū)電網(wǎng)與永陽變高壓主網(wǎng)滿足同期三要素條件，運行方式切換結(jié)果如圖10 所示。切換過程中，VSC2換流器北環(huán)側(cè)電壓Op_Us_A跟隨永陽側(cè)高壓主網(wǎng)電網(wǎng)電壓Us_A幅值、頻率和相位，網(wǎng)側(cè)頻率fs_A最低值為49.7 Hz，傳輸?shù)挠泄β蔖_Act有一定波動，中壓直流母線電壓Udc基本不變，在100 ms 內(nèi)切換至能量路由器聯(lián)網(wǎng)運行方式，切換前后無保護動作，運行方式切換后的中壓直流母線電壓Udc和傳送的有功功率保持目標(biāo)值。結(jié)果表明，本文考慮先斷開旁路開關(guān)DL3，后切換能量路由器各端口策略的切換方法具備工程可行性。

圖10 多端口能量路由器運行方式切換試驗結(jié)果Fig.10 Results of running mode switching test of multi-port energy router

4 結(jié)語

以湖北廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)示范工程為例，闡述了多端口能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以此為能量交互載體柔性構(gòu)建了一種與高壓主網(wǎng)相互支撐、互為補充、實現(xiàn)了一種縣域電網(wǎng)與高壓主網(wǎng)潮流雙向可控可獨立運行的100%風(fēng)電儲構(gòu)成的電網(wǎng)架構(gòu)。根據(jù)縣域電網(wǎng)運行方式需求，確定了多端口能量路由器各端口的控制策略，并對其控制器涉及的啟停、穩(wěn)態(tài)參數(shù)校核、故障穿越、運行方式切換等功能進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，重點闡述了能量路由器穩(wěn)態(tài)參數(shù)校核、運行方式切換、三相短路嚴(yán)重故障時的穿越性能等試驗，結(jié)果驗證了基于多端口能量路由器構(gòu)建以100%風(fēng)光儲系統(tǒng)的正確性與有效性，對今后以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的廣泛建設(shè)起到示范作用。