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，葉琪超，鐘 玲

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，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問題亟待解決。近年來各國專家學者陸續(xù)提出了構建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的設想[1-6]：美國北卡羅來納大學基于FREEDM構建高滲透率分布式可再生能源發(fā)電和分布式儲能并網(wǎng)的配電系統(tǒng)；歐盟啟動FINSENY項目建立未來能源互聯(lián)網(wǎng)的ICT平臺；國家電網(wǎng)也定義了以特高壓網(wǎng)絡為骨干輸電網(wǎng)，輸送清潔能源為主導的能源互聯(lián)網(wǎng)。各國對于能源互聯(lián)網(wǎng)的設想百花齊放，但都具備一個核心設備——能量路由器，其融合了信通技術與電力電子技術，可實現(xiàn)能源流與信息流的高效傳輸[7]。

文獻[8]闡述了固態(tài)變壓器拓撲圖，提出反步控制策略削弱了級聯(lián)子系統(tǒng)之間的零序環(huán)流，并基于固態(tài)變壓器進行分布式發(fā)電設備并網(wǎng)，已具備能量路由器的雛形。文獻[9]提出了一種基于能量平衡的多端口能量路由器關鍵參數(shù)設計方案，于實驗平臺上進行仿真分析，驗證了設計方法的有效性與正確性。文獻[10]將虛擬同步電機的轉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)仿真驗證，電網(wǎng)頻率波動與直流負載突變時，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[11]不僅提出一種改進的能量路由器拓撲結構，輸入級采用多電平換流器結構，隔離級采用ISOS與ISOP混聯(lián)結構，便于能量路由器接入不同電壓等級的交直流電網(wǎng)，還提出一種通過調(diào)整直流電壓協(xié)調(diào)端口間功率流動的控制策略。最后仿真驗證此拓撲結構與協(xié)調(diào)控制策略的可靠性與有效性。但是，目前專家與學者對于多端口能量路由器的研究仍以理論與仿真為主，實際工程應用尚且不多。

以浙江某分布式能源示范工程為依托，對工程所使用能量路由器及其構建的小型微網(wǎng)進行研究與調(diào)試：首先，闡述多端口雙向能量路由器拓撲結構與技術參數(shù)；其次，利用能量路由器各端口“即插即用”的特性于項目基地構建小型微網(wǎng)，不僅包含晶硅光伏、儲能裝置，還配備電能自給自足的智慧小屋系統(tǒng)；最后，解決調(diào)試過程中所遇光伏與能量路由器端口之間功率無法輸送以及電壓波動的問題，并對微網(wǎng)并、離網(wǎng)試運行過程及結果進行分析。以期為今后實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 能量路由器拓撲結構

工程采用五端口雙向能量路由器，通過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兩個DC/DC變換器分別建立兩路正負極間電圧均為375 V直流輸出，輸出側可引出新直流母線承載分布式電源與額定電壓為375 V的直流負載。同理，直流母排經(jīng)DC/DC變換器分別構建了可承載48 V直流負載，光伏電源與儲能裝置的3#48 V負載端口，4#光伏端口，5#儲能端口，其拓撲圖如圖1所示。

圖1 五端口能量路由器拓撲結構

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與5#儲能端口蓄電池的充放電功能，且通過閉鎖晶閘管及其控制策略，確保3#48 V負載端口與4#光伏端口的能量單向流動。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實現(xiàn)交直流系統(tǒng)之間，不同電壓等級的能源互聯(lián)與能量雙向流動。

1.2 能量路由器技術參數(shù)

工程所用五端口雙向能量路由器主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 能量路由器主要技術參數(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撲結構與其標準化電氣接口“即插即用”的特性與微網(wǎng)運行模式高度契合[12-13]。微網(wǎng)中的分布式電源與負載可通過能量路由器內(nèi)部直流母排進行能量交換，當負荷需求超過其發(fā)電能力時，微網(wǎng)亦可通過能量路由器從配網(wǎng)吸納功率，保證負載供電。

2.1 微網(wǎng)拓撲結構

工程以五端口雙向能量路由器為核心設備，在基地七樓搭建了包括晶硅光伏、光儲一體機、儲能裝置以及智慧小屋系統(tǒng)的小型微網(wǎng)，拓撲圖如圖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，提高太陽能利用率。屋內(nèi)除常規(guī)交流負載外，還具有供直流負載使用的375 V直流與48 V直流電源接口。智慧小屋系統(tǒng)通過能量路由器2#端口實現(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)拓撲

圖3中，Udcbus21與Udcbus22分別為能量路由器2#±375 V端口輸出側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對智慧小屋系統(tǒng)中直流375 V負載實行一供一備的運行策略，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Udcbus21，光伏道路經(jīng)DC/DC變換器接入Udcbus22。光伏幕墻2與配網(wǎng)同時對光儲一體機中的蓄電池儲能。當市電失去時，蓄電池通過AC/DC逆變后供智慧小屋中交流220 V負載。微網(wǎng)中智慧小屋48 V直流負載、晶硅光伏以及儲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現(xiàn)能量統(tǒng)一管理。

2.2 微網(wǎng)主要技術參數(shù)

微網(wǎng)中設備的主要技術參數(shù)如表2所示。

表2 微網(wǎng)設備技術參數(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)，以控制五個端口的運行模式與功率傳輸。用戶通過能量路由器，不但可以監(jiān)控微網(wǎng)電源運行狀態(tài)，保證智慧小屋系統(tǒng)可靠運行，而且能夠設置“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)之間直流電源與負荷的唯一接口。分布式光伏、儲能裝置、負載接于能量路由器內(nèi)部的直流母排，系統(tǒng)的可靠運行與功率傳輸均依賴于其電壓的穩(wěn)定[14]。微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，配網(wǎng)經(jīng)1#AC/DC端口建立直流母線電壓。分布式光伏與儲能裝置運行于PQ控制模式，協(xié)調(diào)控制器調(diào)節(jié)儲能裝置的功率以滿足五端口總功率期望值。微網(wǎng)離網(wǎng)運行時，1#AC/DC端口閉鎖，分布式光伏保持PQ運行，儲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，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)運行模式與離網(wǎng)運行模式下，分別單獨啟動各端口進行調(diào)試。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，2#端口帶分布式光伏運行時，輸出側直流母線電壓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仍無法向能量路由器輸送功率。

分布式光伏經(jīng)由兩臺不同廠家供應的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變換器拓撲圖如圖4所示。

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

當晶閘管T1截止、T2動作時，通過控制T2導通或關斷使DC/DC工作在Boost狀態(tài)，實現(xiàn)升壓功能；當晶閘管T1動作、T2截止時，通過控制T1導通或關斷使DC/DC工作在Buck狀態(tài)，實現(xiàn)降壓功能。能量路由器2#端口輸出側直流母線電壓由低壓側支撐電容CL來維持。

以能量路由器2#端口僅啟動一臺DC/DC變換器，帶光伏道路空載運行為例，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#端口輸出側直流母線電壓

光伏側DC/DC變換器工作模式如式(1)所示，

(1)

式(1)中，uL為光伏側DC/DC低壓側電壓，uL=udcbus22。

當光伏DC/DC啟動，運行在恒流模式時，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不斷充電導致udcbus22攀升，t=0.8 s時，udcbus22=420 V，光伏DC/DC立即切換至恒壓模式，不再強迫DC/DC輸出電流，停止對CL充電。udcbus22因電壓過沖，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開始下降，并于t=2.4 s時達到最低值361 V。此時，能量路由器2#端口DC/DC與切換至恒流運行模式的光伏DC/DC同時對CL充電，導致udcbus22瞬間驟升，超過恒壓限值并且達到過壓保護限值550 V，光伏DC/DC因觸發(fā)保護動作而進入待機模式。t=4.4 s時，2#端口DC/DC再次調(diào)節(jié)，udcbus22開始下降并長時間處于振蕩狀態(tài)，無法穩(wěn)定在額定電壓。

整個過程僅在CL放電時，能量路由器接收到瞬時的微弱功率。由于CL不能保持充放電的動態(tài)平衡，無法向能量路由器持續(xù)穩(wěn)定放電，并且光伏DC/DC中MPPT控制器在反復擾動時均無功率輸出，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DC/DC協(xié)調(diào)配合，故采取以下改進措施。

(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udcbus22波動的響應速度，并提高平抑波動的能力。

(2)改進光伏DC/DC的控制策略。當母線電壓超過恒壓限值，使其處于恒壓運行模式時，停止MPPT。防止MPPT控制器在反復擾動后將功率最大點設定為異常值，從而向2#端口輸出異常功率。等待直流母線電壓恢復且進入恒流模式后，再次啟動MPPT。

(3)調(diào)整光伏DC/DC的MPPT時間間隔，由300 ms延長至3 s。由此降低DC/DC對光伏最大功率點的追蹤頻率，降低了光照度變化時光伏DC/DC輸出功率的波動程度，進一步減輕了能量路由器2#端口對UL的調(diào)節(jié)壓力。

采取改進措施后，2#端口帶光伏道路啟動瞬間，udcbus22會短暫升高，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)定可靠運行，其輸出側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)整體運行

啟動五端口能量路由器及其所接電氣設備，使微網(wǎng)分別運行在并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式，檢查微網(wǎng)運行工況。由于一期工程未接入375 V與48 V直流負載，因此調(diào)試中不啟動能量路由器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，儲能充電功率為Ps，光伏輸出功率為Pv。

4.1 微網(wǎng)并網(wǎng)運行結果分析

啟動能量路由器1#端口，并設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，儲能裝置通過充電消納光伏與1#端口輸入的功率。

首先，能量路由器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對光伏限功率運行，Pvlim=15 kW，配網(wǎng)與光伏通過能量路由器5#端口同時對儲能裝置充電。t=122 s，調(diào)整功率限值Pvlim=10 kW，儲能充電功率相應下調(diào)；t=330 s時刻撤銷光伏限功率運行，光伏、儲能功率分別為Pv=22.21 kW，Ps=29.17 kW。調(diào)試過程中儲能裝置均能較好跟隨光伏出力波動，實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部電力平衡。微網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，配網(wǎng)通過1#AC/DC端口建立恒定的直流母排電壓，光伏出力的變化對其影響不大。udcbus僅在t=331 s時刻產(chǎn)生微小的波動，隨后立刻恢復至額定。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)運行時能量路由器各端口功率

圖9 微網(wǎng)并網(wǎng)運行時能量路由器直流母排電壓

4.2 微網(wǎng)離網(wǎng)運行結果分析

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

光伏正常運行時，Pv=24.20 kW，在t=148 s時刻以Pvlim=15 kW限功率運行，儲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,但最終穩(wěn)定在746.9 V。原因在于光伏功率減小瞬間，儲能過充導致udcbus下降，協(xié)調(diào)控制器通過下垂控制調(diào)節(jié)儲能充電功率后，udcbus重新抬升。由于下垂特性，udcbus與原電壓存在偏差，無法恢復至額定值，但仍然滿足運行條件。結果驗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)運行時能量路由器各端口功率

圖11 微網(wǎng)離網(wǎng)運行時能量路由器母排電壓

5 結論

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撲結構，并以能量路由器為核心載體在工程中構建包含晶硅光伏、儲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現(xiàn)電能自發(fā)自用，該組合模式可對今后智慧小屋的廣泛建設起到示范作用。通過協(xié)調(diào)DC/DC之間的控制策略與技術參數(shù)，解決能量路由器2#端口輸出側直流母線電壓驟升與振蕩問題，保證光伏出力可靠下送至能量路由器。此調(diào)試優(yōu)化過程可對今后多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意義。最后，微網(wǎng)并、離網(wǎng)運行結果驗證了基于多端口能量路由器構建微網(wǎng)系統(tǒng)的正確性與有效性。