交直流混合多端口能量路由器拓撲與控制研究

王加澍，王穎，李夢月，張健，居榮，馬剛

(南京師范大學 電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

為了緩解能源危機，提高可再生能源發電水平，國內外學者們提出了能源互聯網戰略[1-2]。能量路由器是能源互聯網的重要組成部分，不僅可以作為傳統變壓器實現電壓變換，還可以提供電壓隔離和不同電壓等級的交直流端口，實現不同分布式發電裝置的接入[3]。

能量路由器的拓撲結構及控制策略作為能源互聯網的研究熱點，受到了專家們的廣泛關注。在拓撲結構方面，文獻[4]設計的三級式模塊化結構為能量路由器的典型結構。文獻[5]提出一種新型能量路由器結構，能滿足多電壓等級需求。文獻[6]針對交直流混合微網能量路由器，分析了四種工作模態及其切換方式。目前大多采用下垂控制方法[7-8]，但當線路參數變化較大時會造成系統功率失衡，不利于電網的運行。文獻[9]利用虛擬同步機控制策略，提高了系統的阻尼及慣性。文獻[10]針對應用于直流微電網的能量路由器，提出一種標幺化下垂移相控制方法，實現不同工況下微網間能量合理分配。

在上述背景下，本文在傳統的電力電子變壓器的基礎上，提出了交直流混合多端口能量路由器的拓撲與控制方法，拓撲采用的分布式控制方法無需對各個端口的能量進行實時采集，只需通過直流母線的電壓變化做出相應的功率調整即可實現端口間能量的平衡。此外，能量路由器在實現高低壓側能量穩定傳輸的同時還能隔離傳輸干擾，提高了配電網電能質量。

1 能量路由器拓撲

能量路由器的拓撲模型如圖1所示，由輸入級、隔離級和輸出級三部分構成。來自電網10 kV的交流電經過級聯H橋電路整流器轉換為中壓直流電。隔離級采用雙向DC/DC變換器，實現端口間的電氣隔離功能。輸出級包括低壓交、直流端口。

圖1 能量路由器拓撲圖

2 能量路由器控制策略

對能量路由器整體采用分布式控制方法，將負載側的直流母線電壓作為衡量系統內平衡的唯一標準。理由如下：

(1)公共直流母線有利于分布式電源及負載接入。

(2)當負載側接入各種功率等級的負載時，低壓交、直流端口的功率也會發生變化，從而導致功率平衡被破壞，直流母線電壓也會改變。

2.1 整流級控制策略

H橋級聯電路與電網直接相連，將交流電逆變為直流電，并需保持直流側電壓的穩定。H橋級聯電路在三相靜止坐標系的數模模型如式(1)所示。

(1)

式中:Vsa(t)、Vsb(t)、Vsc(t)分別為電網的三相瞬時電壓值;Vca(t)、Vcb(t)、Vcc(t)分別為整流級交流側瞬時電壓值;ia(t)、ib(t)、ic(t)分別為整流級交流側瞬時電流值;L為網側電感;R為線路阻抗。

為了簡化模型，將式(1)靜止坐標系下的電流電壓變換到dq同步旋轉坐標系下，變換后的電流方程如式(2)所示。

(2)

(3)

圖2 H橋級聯電路的雙環控制原理圖

此外，還需考慮級聯H橋電路直流側電容電壓的穩定，應用基于均壓環的直流側電容電壓控制策略平衡電容電壓。將直流側電壓Vdci(i=1,2,…,N)與參考電壓相比較，經過PI控制得到H橋的d軸補償量△di，再與原始的調制量dd相加經過dq反變換得到H橋各級的調制信號di，如圖3所示。

圖3 直流側電容電壓平衡控制原理圖

2.2 隔離級控制策略

經過H橋級聯電路產生的高壓直流需通過DC/DC換流器實現電壓等級變換，本文采用雙向隔離型全橋DC/DC變換器(dual-active-bridge,DAB)。DAB采用移相角控制方法，通過控制變壓器橋臂上驅動信號的相角差實現不同大小的功率雙向流動，從而靈活控制傳輸功率。DAB的傳輸功率為[11]：

(4)

式中:P為DAB傳輸的有功功率;n為變壓器變比;UH和UL分別為DAB的輸入端和輸出端的電壓;I為輸入端電流;d為移相角差;fs為開關頻率;Ls為變壓器漏感。

圖4 DAB級控制原理圖

2.3 輸出級控制策略

2.3.1 低壓交流端口的控制

低壓交流端口的控制目標為將DAB隔離級輸出的低壓直流電逆變為工頻所需的380 V交流電，且當網側電壓和負載發生波動時保證端口電壓的穩定，作為標準化接口供交流負載接入，采用電壓電流前饋的雙環控制。

2.3.2 低壓直流端口的控制

DAB輸出電壓經過Buck-Boost電路連接直流負載，其控制目標是提供大小恒定的400 V直流電，以供光伏、風電、電動汽車和負載等接入，采用電壓電流雙閉環控制。

3 仿真驗證

為了驗證所提拓撲及控制策略的有效性，本文根據圖1能量路由器拓撲在MATLAB/Simulink中搭建了相應的仿真模型，具體參數設置如表1所示。

表1 仿真參數

圖5為能量路由器由空載到接入負載的暫態仿真圖。在0.5 s前，10 kV配電網給級聯H橋直流側電容充電并建立完直流母線電壓；在0.5 s時低壓交流端口接入32 kW負載，直流端口接入22 kW負載。圖5(a)和圖5(b)分別為低壓交流端口的電壓和電流波形，在0.5 s時端口電流增大，電壓幾乎沒有變化。由圖5(c)可知，低壓直流端口的電壓在短暫的波動后迅速恢復到400 V穩定值。端口電壓的穩定依賴于分布式控制方法，當負載端口功率增大時會從直流母線上吸收功率來平衡端口電壓，母線電壓的變化如圖5(d)所示。

圖5 能量路由器暫態仿真波形

圖6為能量路由器接入負載后穩態仿真圖。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，交直流負載端口帶負載運行在穩態時，端口電壓和電流波形良好。另外，低壓直流端口設計值為400 V，穩態運行時平均值大小為403 V，見圖6(c)，誤差小于1%。由于不需從母線吸收功率，母線電壓幾乎不變，見圖6(d)。

圖6 能量路由器穩態仿真波形

此外，能量路由器還具有改善電能質量的作用。設定1.10 s～1.30 s，電網電壓暫降50%，如圖7(a)所示。經過DC/DC隔離電路的控制，低壓直流母線依然穩定在500 V的標準值，見圖7(b)。當電網電壓暫升50%，如圖8(a)所示。低壓直流母線電壓受到的影響可以忽略，見圖8(b)。說明當電網電壓暫降/暫升時，經過能量路由器隔離調節，幾乎不會對低壓負載端口產生影響。

圖7 電網電壓暫降50%仿真波形

圖8 電網電壓暫升50%仿真波形

4 結束語

建立了能量路由器的拓撲模型，提出一種分布式控制策略。當端口負載發生突變時，端口電壓仍能穩定在標準值，使能量路由器提供不同電壓等級的交、直流標準化接口。此外，能量路由器能夠改善電能質量問題，在為提供標準電壓的同時，還可以有效緩解電網電壓畸變。最后通過仿真驗證了結論的有效性。