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，王源濤

（國網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，王源濤

（國網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網的核心部件，為分布式電源、分布式儲能和負載提供了即插即用的接口并使之與電網互聯，需要針對能量路由器的電路設計與控制實現進行深入分析。提出了一種基于電力電子變壓器的能量路由器拓撲結構，并給出了適用于該結構的一種分層控制方法，詳細分析了并網和孤島運行下的能量管理策略，實現了能量路由器中的能量協調控制。最后通過仿真分析驗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；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題和環境壓力，使可再生能源得到了廣泛的關注。然而，光伏和風電等分布式電源輸出的功率具有隨機性和間歇性，阻礙了可再生能源的發展。為此，提出了將信息技術與可再生能源技術相結合構建能源互聯網，支撐“第三次工業革命”[1-6]。2011年美國北卡羅來納州立大學開展了FREEDM（未來可再生能源傳輸和管理系統）的研究[7]，其中包括3個環節：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）配網和低壓交直流母線，并且識別和管理所有連接在這些母線上的分布式電源、儲能單元、以及負載設備等；開放的標準協議，叫做DGI（分布式電網智能）單元，嵌入在每個能量路由器設備中，利用通信網絡來協調所有的能量路由器的工作[8]。目前，國內外對于能源互聯網的研究大多基于FREEDM結構展開。由于相關概念的提出時間較短，所以目前的研究重點大多還是停留在能量路由器。

文獻[9]從能源、信息、定制化和系統運行需求詳細闡述能量路由器應具備的功能，并以電力路由器為例給出了一種實施方案；文獻[10]給出了能量路由器的架構：電力電子變壓器模塊、通信模塊和分布式電網智能模塊。文獻[11]提出了用于風電場的智能轉換系統，該系統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鍵環節，以實現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設計、系統的分層控制體系以及能量管理策略，并對能量路由器的工作模式和控制器進行了設計。最后，搭建了仿真平臺，驗證了系統的有效性。

1 基于電力電子變壓器的能量路由器拓撲

能量路由器可以連接中壓配電網和低壓區域網，并且能夠調節低壓直流母線，同時為可再生能源設備、儲能裝置及負荷提供低壓直流母線，實現能量的雙向流動。基于上述要求，設計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，儲能裝置和直流負載組成。

圖1 基于電力電子變壓器的能量路由器拓撲

該系統并網運行時，高壓直流母線可以通過電力電子變壓器向負荷供電；直流微電網也可以通過直流變壓器向配電網饋電。系統故障時，光伏發電與儲能裝置可以構成低壓直流微電網運行在孤島模式。

此處的電力電子變壓器采用DAB（雙主動全橋變換器）級聯形式，實現電壓變換和電氣隔離，多個完全相同的DAB在高壓端串聯接入中壓直流配電網，在低壓端并聯接入低壓直流微電網，并且作為光伏系統、儲能裝置和負載的即插即用接口，能夠實現兼容性和靈活性。光伏發電單元接口電路為Boost電路，儲能裝置由蓄電池和雙向Boost/Buck變流器組成。

圖2為DAB的拓撲結構圖，由2個全橋變換器、2個直流電容、1個輔助電感和1個高頻變壓器組成。高頻變壓器兩端的變流器分別產生50%方波電壓uh1和uh2，通過調節2個方波電壓之間的移相角，實現功率的雙向流動。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為開關頻率；U1和U2為兩側直流電壓；L為輔助電感；D為移相比。

圖2 DAB拓撲結構

由（1）式知通過D可以調節DAB功率流動大小和方向，進而調節輸出電壓的大小。

能量路由器采用多個完全相同的DAB級聯接入直流電網，DAB單元在串聯側電流相等，并聯側電壓相等，電力電子變壓器傳輸功率為每個DAB單元傳輸功率之和，即

式中：Pi為DAB傳輸功率；i=1，2，…，n。

對于高頻鏈電力電子變壓器的控制，不僅要對各個DAB單元進行控制，同時還有實現各個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 分層控制體系設計

此處設計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為負載電壓；Iload為負載電流；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；下層為執行層。

圖3 分層控制體系

功能定制層將光伏的輸出功率，儲能電池的剩余容量，實時電價等信息作為輸入信號來確定系統的調度模式，此處將系統的調度模式主要分為經濟模式與自定義模式。經濟模式下，用戶依據當前的電價情況和儲能系統剩余容量情況，在儲能系統剩余容量充足且電價高時，可以向外電網輸出功率獲得經濟利益；在儲能系統剩余容量不足且電價低時，從外電網吸收功率給儲能系統充電。自定義模式下，當外電網輸出指定的功率時，在參考分布式光伏單元輸出能力和分布式儲能單元的剩余容量情況下，用戶可以根據自身的能源使用情況確定能源使用策略。兩種模式下，都將產生系統工作模式信號。

能量管理層根據上層產生的控制信號以及光伏的輸出功率，儲能電池的剩余容量來確定系統所處的工作模式，即并網模式與孤島模式。同時也產生相應的邏輯控制信號傳遞給執行層。

執行層主要功能是通過接收邏輯控制信號，控制器進行邏輯組合并使能，同時按照特定的算法進行計算，進一步產生脈沖調制信號，并根據脈沖調制信號產生相應的驅動管脈沖。系統只需要向變流器發送指令，各變流器即可按照指令去執行。

2.2 并網運行能量管理

此處能量路由器的能量管理從并網運行與孤島運行兩種工作模式展開。

在并網模式下，由于光伏發電等可再生能源發電形式的成本高，為了充分利用其產生的電能，一般將其設置為MPPT（最大功率追蹤）模式。在自定義模式下，外電網處于恒功率發電時，此時的功率若高于或低于負荷需求功率時，由儲能負責維持微網內功率平衡和電壓穩定；在經濟模式下，當電價高且儲能剩余容量充足時，儲能電池以恒功率放電。當電價低且儲能剩余容量不足時，儲能電池以恒功率充電。外部的電網看作系統中充分大能量緩沖單元。當分布式電源輸出的功率大于負載的需求功率時，外部電網可以吸收額外的功率防止母線電壓的升高。當分布式電源輸出的功率不能滿足負載的需求時，外部電網可以補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DAB在高壓端串聯、低壓端并聯。因此，電力電子變壓器采用主從控制。主從控制系統中包含了1個帶有電壓環和電流環的主DAB變換器以及n-1個只包含電流環的從DAB變換器，主變換器負責母線電壓控制，其輸出電流可以作為從變換器的輸出電流指令，以此達到各個DAB輸出或吸收電流均等的目的。這種控制方式較為精準，但是系統中會存在高頻的通信線。

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單元串聯端電壓平衡均由電力電子變壓器控制，功率流動的方向和大小由負載決定。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（比例和積分調節）控制器，為DAB生成統一電流參考值。均壓控制器采集各DAB的電壓Ux1，并按照（4）式計算其平均電壓Uaver，并根據Ux1和Uaver之差計算出電流校正量。統一電流參考值和電流校正量之和為每一個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。

當系統并網運行時，儲能為恒功率模式如圖5所示，采用功率外環電流內環控制。

圖5 儲能電池恒功率控制策略

光伏接口單元控制策略如圖6，經過MPPT控制器后產生電壓參考值，電壓參考值由變步長電導增量法計算得出，同時采用雙閉環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 孤島運行能量管理

當以光伏、儲能為主的直流微電網與外部直流母線斷開時，本地的直流微電網處于孤島運行。此時，系統中的功率主要由光伏輸出功率，儲能電池輸出功率，負荷需求功率構成。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，而儲能單元用于維持母線電壓，通過將母線電壓維持在一定的范圍內來平衡系統中的功率流動。例如：光伏注入母線的功率較大時，儲能電池為了抑制母線電壓的上升而進入充電狀態；光伏注入母線的功率較小時，儲能電池為了抑制母線電壓的下降而進入放電狀態。當光伏的輸出功率高于負載需求功率，并且儲能充電狀態達到極值后，儲能電池不再維持母線電壓，光伏由MPPT模式切換到恒壓模式。

光伏和儲能的總輸出功率不滿足負載需求時，母線電壓低于直流微電網要求的最低限度，在此階段直流微電網母線電壓將會出現大幅度的下降，造成微電網癱瘓，因此為了維持直流微電網的穩定性，需要根據甩負荷算法，選擇性的切除不重要的負載，避免母線電壓崩潰。

儲能電池處于充放電狀態下，對于各個電池單元通常采用下垂控制，以實現各個分布式儲能單元的即插即用和優化控制。

采用下垂控制的優勢在于：

（1）滿足可再生能源分布式接入需求，易于實現即插即用。

（2）變換器之間無需高頻通信線，降低了成本，提升系統運行的可靠性。

通常采取下垂控制時，輸出電壓和輸出電流的關系為：

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

下垂系數可以控制每個變換器的輸出功率，并將其按比例分配給負載。下垂系數計算公式如式（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應的電流值。

儲能電池在放電時，通常用改進型下垂控制，即對于下垂系數的選取與儲能電池SOC（電池荷電狀態）有關，輸出電壓和輸出電流的關系為：

式中：k0為儲能電池初始下垂系數，通常按照公式（6）求得。

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

圖7 儲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，經過PI控制器生成PWM信號，此時由光伏變換器來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仿真軟件進行仿真，驗證能量管理及控制策略的有效性和可行性。基于電力電子變壓器的能量路由器由1個光伏單元，2個儲能單元，1個高壓直流電網接口單元和本地負載組成，各接口單元和負載都通過低壓直流母線連接。其中，直流微電網母線電壓為400 V，具有5%的電壓波動，最高閾值為420 V，最低為380 V。電力電子變壓器由4個DAB單元構成，蓄電池SOC上限為90%、下限為10%。

3.1 并網運行

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

圖9 并網運行下系統穩定運行曲線

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

3.2 孤島運行

系統孤島運行，當光伏輸出功率小于負荷需求功率時，儲能電池放電，設定2個電池的SOC分別為80%與60%時。儲能電池維持母線電壓，穩態下電壓波形和功率分配圖如圖10（a）和（b）所示。由于儲能電池的下垂系數選取與SOC有關，因此SOC大的儲能電池發出功率多，SOC小的儲能電池發出功率小。圖10（c）為儲能電池充放電模式轉換圖。光伏始終處于最大功率追蹤模式，儲能電池通過充放電來平衡系統功率的波動。低壓直流母線電壓始終維持在400±5%V范圍內。

圖10 孤島運行下儲能充放電穩定運行曲線

當光伏的輸出功率高于負載的輸出功率，并且儲能充電功率達到極值后，光伏處于恒壓模式，穩態運行工作波形如圖11所示。圖11（a）中低壓直流母線電壓由光伏控制，基本穩定在400 V。圖11（b）2個儲能電池分別以各自的極限功率進行充電。

光伏處于恒壓模式，當光照度發生變化時，其直流電壓波形如圖12所示。從圖12可知t=1 s，3時光照度發生變化，直流電壓經短暫過渡后維持穩定。

圖11 孤島運行下光伏恒壓模式系統穩定運行曲線

圖12 光伏恒壓模式不同光照度下直流電壓穩定運行曲線

4 結語

此處提出一種基于電力電子變壓器的能量路由器拓撲，其中電力電子變壓器作為高低壓母線之間的關鍵環節以實現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，并對能量路由器的工作模式和控制器進行了設計。同時，基于Matlab/Simulink的仿真結果驗證了系統能量管理策略和控制器的正確性以及整個系統的有效性。

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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，研究方向為新能源電力系統。