串并聯架構區域電能路由器柔性運行與功率流控制策略

趙曉君 張純江 柴秀慧 郭小強 汪 龍

串并聯架構區域電能路由器柔性運行與功率流控制策略

趙曉君 張純江 柴秀慧 郭小強 汪 龍

（燕山大學電氣工程學院 秦皇島 066004）

電能路由器是能源互聯網的核心設備，是下一代智能電網的重要標志。受拓撲架構限制，傳統區域電能路由器存在帶載能力有限和無功功率無法柔性運行的缺點。為此，該文擬構建一種串并聯架構新型區域電能路由器，通過增加一條并聯能量流動通道，突破傳統路由器100%能量傳輸和無功功率剛性運行的雙重界限。對串并聯架構路由器的功率流柔性運行機理進行分析，給出其在不同運行模式下功率流的計算方法，以揭示路由器系統的運行規律。為實現對能量的主動控制，提出一種雙自由度功率流柔性控制策略，分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位角的自由度，從而靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率以及串、并聯變換器之間的無功功率。在不增加系統容量和交流輸入配電網的情況下，可實現有功功率最大允許量為200%及無功功率最大允許量為120%的傳輸目標，為路由器實現大功率能量柔性傳輸提供了設計思路和解決方案。

能源互聯網 電能路由器 功率流 柔性運行 雙自由度

0 引言

近年來，隨著可再生能源發電技術的不斷發展，大規模分布式發電裝置的接入是未來電網的主要特征之一，為平抑分布式發電裝置接入帶來的電力波動問題，以及實現對電網削峰填谷的功能，電網需要接入以電池和超級電容為代表的儲能裝置。因此，傳統電網正由集中式發電向集中式與分布式并存的發電方式轉變，而電能正由單向流動向多向流動的方式轉變[1]。基于電力電子技術與信息技術的電能路由器（Electric Power Router, EPR）[2-4]允許同時存在多種不同電壓等級交流和直流的變換形式，不但可以為分布式發電裝置、儲能裝置和不同類型負荷提供靈活多樣的即插即用電氣接口[5]，還可以實現能量的多向流動和對功率流的主動控制[6]，同時能夠滿足能源互聯網發展需要。其中，以中壓（10kV）和低壓（380V）配電網為背景的電能路由器分別稱為主干電能路由器和區域電能路由器[1]。

主干電能路由器是以電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）實現中壓配電網能量的路由功能，最早由美國北卡羅來納州立大學FREEDM系統中心的A. Q. Huang團隊于2008年提出[7]。由于中壓配電網的輸入電壓等級較高，PET通常采用三級變換結構，即AC-DC、雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC和DC-AC變換器，這也是目前PET最為典型的拓撲結構。

區域電能路由器（Region EPR, REPR）的交流輸入和輸出電壓均為380V/50Hz，無需使用DAB變換器進行隔離和高低壓轉換，因此一般采用兩級串聯變換器拓撲架構[8-10]，可將其稱為傳統串聯架構REPR（Series Architecture REPR, SA-REPR），如圖1a所示。交流輸入級由AC-DC變換器將交流電整流為直流電（700~750V）連接到直流母線，交流輸出級由DC-AC變換器將直流電逆變為380V無畸變的交流電后連接到交流母線。此外，儲能裝置（電池和超級電容）和分布式電源（光伏發電和風力發電）由不同電壓等級的DC-DC和AC-DC變換器接入直流母線，用于平衡系統的功率需求。

然而，受電路拓撲架構的限制，SA-REPR只能通過輸出級DC-AC變換器為交流負荷提供有功和無功功率，使得SA-REPR主要存在兩個問題：①系統轉換與傳輸的有功和無功功率均限制在100%功率范圍內（即最大只能滿足負荷100%的功率傳輸需求）；②無功功率無法實現柔性運行與控制（即只能剛性運行），在一定程度上限制了區域電能路由器的發展。如果能從電路拓撲架構和能量控制方法等方面入手解決以上問題，在繼承傳統路由器運行特征的基礎上，對其功率傳輸和柔性運行能力進行擴展和延伸，將有助于推動能源互聯網的發展。

圖1 傳統串聯與串并聯架構區域電能路由器

為此，本文面向低壓配電網，以統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）[11-13]的運行特征為理念，構建一種串并聯架構區域電能路由器（Series-Parallel Architecture REPR, SPA-REPR），通過增加一條并聯能量流動通道，可在不增加系統容量和交流輸入配電的情況下，突破傳統路由器100%功率傳輸和無功功率只能剛性運行的雙重界限，賦予了路由器新的功能，其結構如圖1b所示。不同于SA-REPR，在本文所構建的SPA-REPR中，交流電網、交流母線及變換器之間的連接方式發生了改變，即交流電網與交流母線之間通過變壓器連接，AC-DC變換器（串聯變換器）通過變壓器串聯在交流電網側，而DC-AC變換器（并聯變換器）并聯在交流母線側，其中并聯變換器所在支路即為本文所增加的能量流動通道。

電能路由器涉及網與荷、源與荷、網與源、源與源之間等多種情況下的能量轉換與傳輸問題，因此實現對能量的主動控制與有序分配是其必須具備的一項關鍵技術。文獻[10]將虛擬同步機控制技術應用到電能路由器中，分別對交直流接口處的電壓電流進行控制，從而實現對路由器功率流向及大小的調節。文獻[14-15]根據級聯型PET各個子模塊之間的能量關系，提出了一套基于能量平衡的系統參數設計方法，有助于實現系統瞬態性能的優化控制以及多級變換器的優化運行。文獻[16-17]針對多個不同電壓等級的直流微網與交流電網互連系統，提出一種兩級變換的交直流混合微網電能路由器。當微電網所需傳輸功率與H橋直流側電壓不匹配時，通過加入直流參考電壓調節器實時調整H橋直流側電壓，使H橋級聯電路滿足其功率傳輸要求，實現路由器對各微電網能量動態的協調與控制。文獻[18]提出了一種基于圖論的e-LAN能量路由控制算法，用于路由器的優化運行，提高系統的魯棒性。文獻[19]提出了一種應用于三相系統的自平衡PET，通過中頻變壓器的磁耦合及低壓側逆變器交流輸出的交錯并聯，對三相之間的不平衡有功功率進行自動重新平均分配，完成功率自平衡功能。

通過分析文獻[10,14-19]可知，對于不同的應用背景和電路結構，路由器的能量控制方法不盡相同。具體到本文，為實現路由器的“兩個突破”，除所構建的串并聯架構電路拓撲外，還需要相應的功率流控制策略予以支撐。為此，本文提出雙自由度功率流柔性控制策略（Two-Degree-of-Freedom Power Flow Flexible Control Strategy, TDF-PFFCS），通過串、并聯變換器分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位角的自由度，形成有功和無功功率雙自由度控制體系，靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率以及串、并聯變換器之間的無功功率，在不增加系統容量和交流輸入配電網的情況下，允許路由器以大于系統本身容量的條件傳輸能量，可實現有功功率最大允許量為200%及無功功率最大允許量為120%的傳輸目標，為路由器實現大功率能量柔性傳輸提供新穎的設計思路和解決方案。

1 串并聯拓撲架構

SPA-REPR的能量控制核心單元以UPQC的運行特征為理念，其拓撲架構如圖2所示。該核心單元主要由串聯變換器（Series Converter, SC）、并聯變換器（Parallel Converter, PC）和變壓器組成，其中SC被控為正弦電流源，用于控制三相電網輸入電流正弦且平衡，實現網側單位功率因數（即電網只提供有功功率），同時可補償負荷部分無功功率，控制直流母線電壓穩定在700V；PC被控為正弦電壓源，用于控制三相交流母線電壓穩定、正弦且平衡，為負荷提供無功和諧波電流，同時實現對直流母線的充放電。

圖2 SPA-REPR的能量控制核心單元

圖2中，S1~S6和S7~S12分別為SC和PC的功率開關管（IGBT）；Sx和Sx分別為電網電壓和電流，=a,b,c；1x和2x分別為SC和PC的橋臂電壓；serx和parx分別為SC和PC輸出電流；2x為流過電感par的電流；Lx和Lx分別為輸出交流母線電壓和電流；Trx為變壓器；Cx和Cnx分別為變壓器一、二次電壓；Lx為負荷阻抗。此外，串并聯架構拓撲電氣參數見表1。

表1 串并聯架構拓撲電氣參數

Tab.1 Electrical parameters of series-parallel architecture topological circuit

由于采用三相四線制供電方式，SPA-REPR能夠有效控制由不平衡負荷所引起的零序分量，除提供700V直流電壓接口外，還可以提供±350V兩個直流電壓接口，進一步增加了路由器電氣接口的靈活性和多樣性。

對比于SA-REPR，由于電路拓撲架構的改變，SPA-REPR除能夠實現“兩個突破”外，還具有電流峰值系數高和運行安全性能高的優點。在理想電網條件下，交流電網為負荷提供全部的有功電流，使得PC有能力為負荷提供更多的諧波電流，因而SPA-REPR輸出交流母線處的電流峰值系數更高，電流峰值系數高意味著系統對不確定性負荷的適應能力強。同時，由于輸入側含有工頻變壓器，其具有電氣隔離作用，使得系統運行將更加安全。

2 SPA-REPR功率流柔性運行機理

SPA-REPR通過所構建的并聯能量流動通道，擴展了能量的傳輸路徑，使得路由器的功率流動情況更加多樣化，因此有必要對SPA-REPR的功率流運行機理進行研究。根據對有功和無功功率的轉換和傳輸情況，SPA-REPR的能量運行模式可分為：電網運行模式、柔性運行模式和孤島運行模式。

2.1 電網運行模式功率流分析

電網運行模式（Grid Operation Mode, GOM）是指電網為負荷提供全部的有功功率，其適用條件為負荷有功功率L≤100%R（R為100%系統額定有功功率）。GOM模式下的功率運行原理如圖3所示，SPA-REPR的有功功率關系為

式中，PS為電網輸入的有功功率。

由于電網只為負荷提供有功功率，因此不存在電網提供無功功率的情況，而負荷所需的無功功率既可由SC和PC聯合補償（詳見2.2節），也可由PC予以補償（詳見2.3節）。

2.2 柔性運行模式功率流分析

按照有功和無功功率流動情況劃分，柔性運行模式（Flexible OM, FOM）是指：①交流電網與直流母線按照一定配比聯合為負荷提供有功功率；②SC與PC按照一定配比聯合補償負荷的無功功率。FOM模式下，有功和無功功率均可滿足大于100%的負荷能量傳輸需求。

2.2.1 有功功率

由于直流母線與儲能裝置/分布式電源連接，可通過PC為負荷提供有功功率，從而為有功功率的柔性運行與突破100%功率傳輸界限創造了條件。無論負荷有功功率是否大于100%，交流電網側和直流母線側的有功功率均能夠在各自0~100%范圍內以任意配比柔性運行，如圖4所示。因此，SPA-REPR具有最大傳輸200%有功功率的能力。

圖4 有功功率柔性運行模式

有功功率的FOM適用條件為L≤200%R，此時SPA-REPR的有功功率關系為

式中，par為PC傳輸的有功功率；p為有功自由度系數，0≤p≤R/L。

由式（2）可知，改變p可自由調節電網與直流母線之間有功功率的配比關系，除實現突破100%有功功率傳輸界限外，還可實現對電網的削峰填谷和對分布式能源的及時消納。

2.2.2 無功功率

除PC補償負荷100%無功功率外，通過調節變壓器所承受電壓的幅值和相位，可使SC同樣具有補償無功功率的能力。SC的無功功率傳輸能力與變壓器容量有關，變壓器容量越大，SC無功功率傳輸能力越強，但變壓器的體積和質量也就越大。同時考慮電網電壓波動范圍不超過±7%（GB/T 12325—2008）及對直流母線充電等條件，綜合選定變壓器容量為SPA-REPR容量的20%。

圖5為FOM下的無功功率運行原理，無論負荷無功功率是否大于100%，SC和PC均可按照一定配比關系柔性補償負荷無功功率，其補償范圍分別為0~20%和0~100%。因此，SPA-REPR可實現無功功率的柔性運行及最大120%的傳輸目標。

圖5 無功功率柔性運行模式

無功功率的FOM適用條件為L≤120%R，R為100%系統額定無功功率，此時SPA-REPR的無功功率關系為

式中，ser和par分別為SC和PC傳輸的無功功率；q為無功自由度系數，0≤q≤0.2R/L。

由式（3）可知，控制q可在一定范圍內（即ser≤20%R和par≤100%R）自由調節SC與PC之間的無功功率，從而實現無功功率的“兩個突破”。

在FOM模式下，SC傳輸無功功率的同時，還需承擔較少部分的有功功率傳輸任務，該部分內容將在3.2節中詳細討論。

2.3 孤島運行模式功率流分析

類似于FOM劃分方法，孤島運行模式（Island OM, IOM）是指：①直流母線為負荷提供全部的有功功率；②PC補償負荷全部的無功功率。

2.3.1 有功功率

當電網掉電或故障時，可通過控制有功自由度系數p=0，使SPA-REPR運行于IOM模式下，即直流母線通過PC為交流負荷提供有功功率，如圖6a所示，此時SPA-REPR具有不間斷電源的功能。

有功功率的IOM適用條件為L≤100%R，SPA-REPR的有功功率關系為

此外，IOM還適用于對電網的削峰和消納分布式能源的情況。

2.3.2 無功功率

無功自由度q= 0時，可使PC為負荷提供全部的無功功率，如圖6b所示。無功功率的IOM適用條件為L≤100%R，SPA-REPR的無功功率關系為

圖6 孤島運行模式

分析以上不同模式下的功率流運行機理可知，SPA-REPR可根據實際需要運行在相應模式，即控制自由度p和q，可使有功功率在GOM、FOM和IOM三種模式之間自由切換，無功功率在FOM和IOM兩種模式之間自由切換，實現有功和無功功率柔性運行的同時，還可突破傳統路由器100%能量傳輸界限。因此，串并聯架構拓撲為路由器能量的大功率柔性傳輸提供了一種切實可行的方案。

3 雙自由度功率流柔性控制策略

為實現SPA-REPR的“兩個突破”，除具備串并聯架構條件外，還需要相應的控制策略予以支撐。由第2節分析可知，自由度p和q是實現“兩個突破”的關鍵所在。因此，如何基于自由度設計路由器的控制策略，是本節的主要研究內容。

電網電流幅值決定了電網輸入的有功功率，因而p可由SC對電網輸入電流的控制體現；輸出交流母線電壓相位決定了變壓器兩端電壓的相位，從而決定了SC所傳輸的無功功率，因而q可由PC對輸出交流母線電壓相位的控制體現。

為此，本文提出雙自由度功率流柔性控制策略（TDF-PFFCS），即通過SC和PC分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位的自由度，形成有功和無功功率雙自由度控制體系，靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率以及串聯和并聯變換器之間的無功功率，提升系統功率傳輸能力，實現能量的多級利用。

3.1 有功功率自由度柔性控制

設計思路：針對路由器多種形式能量匯集的特點，交流電網輸入電流應根據直流母線儲能和實際負荷容量情況進行適時適度的調節，從而實現能量的高效經濟運行。通過SC對交流電網輸入電流幅值的控制，可改變電網輸入的有功功率，同時由于PC被控制為正弦電壓源，當輸入有功功率變化時，PC將自動從直流母線獲取能量以補償有功功率的變化，實現整個系統的功率平衡。可見，通過調節交流電網輸入電流的幅值，負荷有功功率既可由交流電網提供，也可由直流母線提供。

基于上述思路，提出有功功率自由度柔性控制（Active Power Degree-of-Freedom Flexible Control, APDFFC），由電流幅值參考計算（Current Amplitude Reference Calculation, CARC）環節和自由度控制（Degree-of-Freedom Control, DFC）環節構成，其控制原理如圖7所示。

圖7 基于APDFFC的串聯變換器控制策略

經CARC得到電流幅值參考后，加入DFC即可實現對系統有功功率的柔性控制，即

由式（8）可知，當調節自由度p時，交流電網輸入電流隨之改變，進而電網輸入的有功功率也隨之改變。為滿足負荷的功率需求，PC將自動從直流母線獲取能量，以補償由p變化而引起的功率變化。因此，交流電網與直流母線之間的有功功率能夠在各自0~100%范圍內以任意配比柔性運行。

根據交流電網故障情況、不同時段電網電價、直流母線儲能情況和實際負荷容量，可利用p控制SPA-REPR交流和直流能量的轉換與配置關系。由于交流輸入配電的限制，p最大值為1，因此其取值范圍為[0, 1]。結合實際負荷容量，不同p值時SPA-REPR有功功率的運行模式見表2。

表2 不同p值時SPA-REPR有功功率運行模式

Tab.2 Active power operation modes of SPA-REPR with different kp values

總的電網電流參考Srefd由APDFFC環節生成的ap和直流母線電壓環控制結果?dc共同構成，即

其中，APDFFC用于控制電網輸入的有功功率，而直流母線電壓環用于穩定直流母線電壓及補償系統內部運行損耗所需的功率。

由上述分析可知，利用自由度p控制電網輸入電流幅值，可靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率，能夠在IOM、FOM和GOM三種模式之間自由切換。在FOM模式下，路由器最大可轉換和傳輸200%的有功功率。

3.2 無功功率自由度柔性控制

僅在APDFFC控制下，SC不具備無功功率傳輸能力，負荷所需的無功功率全部由PC提供，因此若不采取有效的控制方法，SPA-REPR只能剛性傳輸100%的無功功率。為此，本文提出無功功率自由度柔性控制（Reactive Power DFFC, RPDFFC），以解決無功功率剛性運行問題，進而突破其100%帶載能力界限。

設計思路：在SC控制下，流過變壓器的電流S始終與S保持同相位（以實現網側單位功率因數），若能夠對變壓器所承受電壓的相位角加以控制，從而改變變壓器電壓C與S的相位關系，即可實現對SC無功功率的控制。此外，由于PC本身具有無功功率補償能力，因此可通過控制變壓器電壓的相位角，調節SC與PC之間無功功率的配比關系，進而實現整個系統無功功率的柔性運行與控制。

圖8 電壓電流相量圖

由于RPDFFC并不改變S的幅值和相位，從交流輸入和輸出側看，不會改變輸入輸出之間的能量關系，所改變的是SC和PC之間的內部能量關系。

圖8中，在RPDFFC作用下L有效值始終不變，根據三角函數關系可得變壓器兩端電壓為

令Cmax對應的最大角度為max，則由式（10）可得

由式（11）可知，交流母線電壓L被允許執行的最大角度max為

式（12）表明：與Cmax之間的約束關系，當Cmax確定后，即可得到的運行范圍（0≤≤max）。由于max的限制，RPDFFC在實際運行中并不會造成變壓器兩端電壓超過其設計極值Cmax，因而SC也不會超過其最大設計容量，保證了變壓器和SC的安全運行。

SC輸出的有功和無功功率分別為

可見，通過控制，SC同時具有傳輸有功和無功功率的雙重能力，越大所傳輸的無功功率越大。

由式（13）可得表達式為

不但與ser有關，還與負荷有功功率L有關。同理，PC輸出電流有效值和相位分別為

PC傳輸的有功功率和無功功率分別為

自由度q與相位的關系為

由于SC所補償的無功功率最大為20%R，因此q的最大取值為qmax= 0.2R/L。

根據式（13）、式（16）和式（17），重新表示SC和PC傳輸的無功功率分別為

式（18）揭示了SPA-REPR的無功功率柔性運行機理，通過控制q（即）可靈活配比SC和PC之間的無功功率，可在IOM和FOM兩種模式之間自由切換，不同q值時SPA-REPR無功功率運行模式見表3。在FOM模式下，路由器最大可補償120%的無功功率。

表3 不同q值時SPA-REPR無功功率運行模式

Tab.3 Reactive power operation modes of SPA-REPR with different kq values

圖9 有功功率和無功功率流運行原理

圖10 基于RPDFFC的PC控制策略

4 仿真結果分析

為驗證理論分析的正確性和所提出TDF-PFFCS的有效性，對SPA-REPR的功率流運行進行仿真研究，參數見表1。為清晰表述不同運行模式下路由器的能量關系，假設三相交流電網電壓Sx平衡無畸變，且有效值Sx=Lx=220V。

仿真分為三種情況：①只考慮APDFFC，令=0°，q=0；②只考慮RPDFFC，令p=1；③同時考慮APDFFC和RPDFFC。

4.1 APDFFC功率流

圖11為有功功率流柔性運行仿真結果，其中負荷有功功率L范圍為1(pu)~2(pu)。

1）GOM [0.1s, 0.2s]：L=1(pu)，p=1

由于p=1，使得電網向負荷傳輸全部的有功功率，因此Lx、Lx和Sx均為1(pu)，而PC輸出的電流parx為零，如圖11a所示。對應的功率關系為S=L=1(pu)，ser=par=0，如圖11b所示。

2）IOM [0.2s, 0.3s]：L=1(pu)，p=0

不同于GOM，由于p=0，使得Sx=0，說明電網輸入的功率S=0。因此，直流母線通過PC向負荷傳輸有功功率，即parx=1(pu)，par=1(pu)。

3）FOM [0.3s, 0.4s]：L=1(pu)，p=0.5

p=0.5時，交流電網和直流母線各自承擔50%有功功率的傳輸任務，表現為S=par=0.5(pu)和S=par=0.5(pu)。由此可知，SPA-REPR實現了有功功率的柔性運行，當調節p時，網側與直流母線側的有功功率配比關系將隨之改變，從而增加了功率傳輸的靈活性，可起到及時消納分布式能源的作用。

4）FOM [0.4s, 0.5s]：L=2(pu)，p=0.5

負荷有功功率L增加到2(pu)時，需控制p=0.5，以使網側與直流母線側以各自100%的范圍傳輸有功功率，表現為Sx=parx=1(pu)和S=par=1(pu)。考慮輸入配電和系統本身容量的限制，SPA-REPR最大可傳輸200%的有功功率，突破了傳統路由器有功功率100%的傳輸界限。

由仿真結果可知，APDFFC通過調節p，可靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率，使SPA-REPR在GOM、IOM和FOM三種模式下自由切換。此外，由于S=L，使得變壓器端電壓C=0，因此SC輸出的有功功率ser始終為零。

4.2 RPDFFC功率流

為體現RPDFFC的控制作用，負荷容量由1(pu)+j1(pu)變化到1(pu)+j1.2(pu)，系統功率流柔性運行仿真結果如圖12所示，其中S保持不變，而Lx在的作用下，其相位將發生變化。

1）IOM [0.1s, 0.2s]：L=1(pu)，=0°，q=0

由于=0°，使得Lx與Sx的相位一致，變壓器電壓Cx=0。同時，電網為負荷傳輸全部的有功功率，輸入電流S等于負荷有功電流LP，滿足：Sx=0.71(pu)（即S=Lp=Lcos45°），S=L=1(pu)，ser=par=0。負荷的無功功率全部由PC補償，滿足：parx=Lq=0.71(pu)，par=L=1(pu)，S=ser=0。

2）FOM [0.2s, 0.3s]：L=1(pu)，=5.74°，q=0.1

該時間段內負荷容量不變，但在RPDFFC控制下，由0°變為5.74°（即q由0變為0.1），導致Lx超前于Sx的相位5.74°，其電壓差由變壓器承擔，即Cx=0.1(pu)，而流過變壓器的電流Sx保持不變，因此SC將同時傳輸有功功率和無功功率，其值為ser=-0.005(pu)和ser=0.1(pu)，與式（13）和式（16）的計算結果一致。有功功率方面，SC從網側吸收有功功率0.005(pu)，并通過PC提供給負荷（par=-ser）；無功功率方面，負荷無功功率由SC和PC聯合傳輸，其中SC傳輸0.1(pu)，PC傳輸0.9(pu)，因此parx由0.71(pu)下降至0.64(pu)，與式（15）的計算結果一致。可見，控制可改變SC和PC之間無功功率的配比關系，從而實現無功功率的柔性運行。

3）FOM [0.3s, 0.4s]：L=1.2(pu)，=11.48°，q=0.166

當L增加到1.2(pu)時，Lx相應增加到1.1(pu)，而PC的最大無功傳輸能力為parmax=1(pu)，為此需控制=11.48°，使得SC傳輸ser=0.2(pu)的無功功率。此時，Lx超前于Sx的相位11.48°，導致Cx增加到0.2(pu)。相應的，SC吸收有功功率0.02(pu)，并通過PC提供給負荷。可見，SPA-REPR最大可傳輸120%的無功功率，突破了傳統路由器無功功率100%的傳輸界限。

由仿真結果可知，在SC的控制下Sx與Sx始終保持同相位，說明電網只傳輸有功功率（即S=0），且滿足S=L=1(pu)，因此在整個仿真過程中，有功功率運行于GOM模式。對于無功功率而言，RPDFFC通過控制，可靈活配比SC與PC之間的無功功率，使SPA-REPR在IOM和FOM兩種模式下自由切換。

4.3 TDF-PFFCS功率流

以負荷容量1(pu)+j1(pu)為例，控制p和，使SPA-REPR的有功和無功功率同時實現柔性運行，其仿真結果如圖13所示。

1）GOM+IOM [0.1s, 0.2s]：p=1，=0°，q=0

對該時間段系統仿真結果的分析與4.2節一致，負荷的有功和無功功率分別由電網和PC提供。

2）FOM [0.2s, 0.3s]：p=0.7，=5.74°，q=0.1

當=5.74°時，為保證PC的視在功率par≤1（PC按照1(pu)容量設計）,設置p=0.7，從而Sx= 0.49(pu)，S=0.7(pu)。此外，變壓器承受0.1(pu)電壓，且與Sx之間存在相位差，因此SC傳輸0.07(pu)的無功功率。為滿足負荷的功率需求，PC向負荷傳輸0.3(pu)有功功率的同時，還需傳輸0.93(pu)的無功功率。

上述仿真結果與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性和所提控制策略的有效性。由此可見，基于本文所構建的串并聯架構和所提出的雙自由度功率流柔性控制策略，電路由器能夠實現功率流的“兩個突破”，為其大功率能量柔性傳輸提供新穎的設計思路和解決方案。

5 結論

本文通過增加一條并聯能量流動通道，構建出一種串并聯架構區域電能路由器，可突破傳統區域電能路由器100%能量傳輸和無功功率剛性運行的雙重界限。對新型路由器的功率流運行機理進行了深入研究，并根據其能量傳輸特性給出了三種運行模式及其功率流計算方法，可推導出串聯和并聯變換器在不同運行模式下功率的流向和大小，揭示了路由器的運行現象與規律。為實現該路由器的柔性運行，提出雙自由度功率流柔性控制策略，通過串聯和并聯變換器分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位的自由度，從而靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率及串聯與并聯變換器之間的無功功率。仿真結果與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性和所提控制策略的有效性。

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Flexible Operation and Power Flow Control Strategies for Series-Parallel Architecture Region Electric Power Router

Zhao Xiaojun Zhang Chunjiang Chai Xiuhui Guo Xiaoqiang Wang Long

（Department of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China）

Electric power router (EPR) is a core equipment in the energy internet and an important symbol of the next generation smart grid. Due to the limitation of topology architecture, the traditionalregion EPR (REPR) has the disadvantages of limited loading capacity and inability of flexible operation for the reactive power. To this end, this paper intends to build a new type of REPR with a series and parallel architecture (SPA-REPR). By adding a parallel energy flow path, it will break the double limits of the traditional EPR's 100% energy transmission and the reactive power rigid operation. The power flow flexible operation mechanism of SPA-REPR is analyzed, the calculation method of power flow in different operation modes is given, so that its operation law is clarified. To realize the active control for system's energy, a two-degree-of-freedom power flow flexible control strategy (TDF-PFFCS) is proposed to control the TDFs of the AC grid input current amplitude and output AC bus voltage phase angle, so as to flexibly match the active power between the AC grid and the DC bus and the reactive power between the series and parallel converters. As a result, without increasing the system capacity and AC input power distribution, the transmission targets of 200% active power and 120% reactive power can be achieved, which provides novel design ideas and solutions for EPRs to achieve high-power energy flexible transmission.

Energy internet, electric power router, power flow, flexible operation, two-degree-of-freedom

TM 721

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90442

國家自然科學基金（62003297）、河北省自然科學基金（E2020203192）、河北省博士后擇優項目（B2019003024）和秦皇島市科技支撐計劃項目（201902A225）資助項目。

2020-07-11

2020-10-11

趙曉君 男，1985年生，博士，講師，研究方向為電能路由器系統運行及其控制、新能源發電變流器及其控制等。E-mail：zhaoxiaojun@ysu.edu.cn

張純江 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為新能源分布式并網發電及控制、電力電子高頻功率變換等。E-mail：zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）