面向能源互聯網的多端口雙向能量路由器

李亞昕，杜耀鵬

（國網武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

現階段，電力需求不斷增多，傳統能源卻在不斷枯竭，基于此很多新能源技術開始被廣泛應用在電力生產中，能源互聯網概念因此被提出和應用。本文提出了一種多端口雙向能量路由器模式，旨在滿足能源互聯網的應用需求。

1 多端口雙向能量路由器運行結構分析

本文構建的多端口雙向能量路由器運行結構如圖1所示。其中高壓網側變流器端口能夠連接交流配電網，負責控制直流母線電壓，一旦電壓超過既定范圍，便會通過切除方式來確保能量路由器的安全運行。低壓交流負載端口能夠連接交流電標準接口，負責為端口內部的交流負載供電，并且連接分布式電源。低壓直流負載端口能夠連接直流電標準接口，負責為端口內部的直流負載供電，并且連接直流設備。

圖1 多端口雙向能量路由器運行結構

2 多端口雙向能量路由器電路結構及參數設計

2.1 電路結構設計

基于上述多端口雙向能量路由器運行結構可以確定，能量路由器主電路為高壓網側變流器端口電路，下面進行具體的電路結構設計及選擇分析。

2.1.1 級聯H橋變流器電路結構設計

面向能源互聯網的多端口雙向能量路由器接入配網的電壓等級需要超過10 kV，因此選擇模塊化電路結構，不但能夠提高電平數值，還能夠避免安裝工頻變壓器。按照電網接入方式，可以將級聯H橋變流器電路結構分為Δ形電路結構和Y形電路結構。Δ形電路結構下，電路轉換承擔的是額定線電壓及額定相電流，Y形電路結構下，電路轉換承擔的是額定相電壓及額定線電流，電壓較低且電流較大，相比較Δ形電路結構需要的模塊數量更少，為此變流器選擇應用Y形電路結構[1]。

2.1.2 半橋DC/DC變換器選擇

面向能源互聯網的多端口雙向能量路由器高壓側接入配網的電壓等級需要超過10 kV，低壓側接入交流負載的電壓等級需要超過380 kV，接入直流負載的電壓等級需要超過400 kV。由此可見，兩側接入電壓等級相差較大，為了確保路由器的安全運行，需要采取電氣隔離措施[2]。因此選擇應用半橋DC/DC變換器，此變換器具有靈活性和可變性較強的特點，能夠結合路由器具體需求自行調節電壓和功率，同時還支持多種結構，為路由器系統擴展奠定了基礎，適合應用在電氣隔離中。

2.2 參數設計

2.2.1 變壓器參數設計

多端口雙向能量路由器應用的是高頻變壓器，主要具備轉換電壓等級、實現電氣隔離以及儲存和傳遞電能能量等功能。變壓器是變換器的核心元件，其參數設計同時決定了變壓器運行效率及變換器應用性能，并且能量路由器結構中的其他設備參數設計也與變壓器參數設計相關，因此首先開展變壓器參數設計。

具體來講，變壓器參數設計包括漏感值設計和變比設計，漏感值設計依據為變換器額定輸出功率，具體取值可以通過仿真軟件進行適當調整，變比設計依據為低壓側電壓、高壓側電壓[3]。

2.2.2 交流側電感參數設計

在多端口雙向能量路由器中，交流側電感主要具備如下功能。對電力系統電壓及變流器電壓進行隔離，進而實現對短路電流的有效抑制，形成對輸入電流諧波的有效抑制，匹配電力系統電流與電壓之間的相位關系，儲存和傳遞電能能量等。如果交流側電感超過一定數值，指令電流的被追蹤速度將會下降，如果交流側電感低于一定數值，高壓側變流器的電流諧波將會增加，因此開展交流側電感參數設計時需要考慮到指令電流被追蹤速度和高壓側變流器電流諧波兩方面需求，實現均衡設計[4]。

具體來講，想要確保指令電流被追蹤速度，需要確保交流側電感電流變化與指令電流變化相匹配，而指令電流經過零點時刻時的變化最大，據此便可以計算出交流側電感電流參數。想要減少高壓側變流器電流諧波，需要將交流側電感電流變化控制在一定范圍內，通常情況下選擇交流側電感電流峰值的20%[5]。

2.2.3 直流母線電容參數設計

在多端口雙向能量路由器中，直流母線電容的主要功能為確保電力系統電壓的穩定。變換器低壓側直流母線電容的主要功能是為電力系統提供低壓直流母線，轉換高壓側變流器與低壓側變流器之間的能量，進而確保直流母線電壓的穩定。由此可見，直流母線電容參數設計十分重要，一般需要考慮直流電壓控制速度和抗干擾性能[6]。

具體來講，考慮到直流電壓控制速度，直流母線電容需要盡量選擇最小值，這樣跟蹤直流電壓的速度越快，直流電壓控制速度越快，抗干擾性能便會降低。考慮到抗干擾性能，直流母線電容需要盡量選擇最大值，這樣直流電壓變化越小，直流電壓的抗干擾性能越良好，但是直流電壓控制速度便會降低。由此可見，直流電壓控制速度和抗干擾性能難以實現兼得，需要設計人員綜合多端口雙向能量路由器實際需求，進行合理設計與選擇。

3 多端口雙向能量路由器分散控制方式

3.1 分散控制方式分析

本文多端口雙向能量路由器應用的是分散控制方式，具體如圖2所示。從供電模式來看，能量路由器的主電源始終為高壓側變流器，供電對象為低壓直流母線，這種方式與主從控制模式十分相似，即高壓側變流器為電力系統的主控制器，其他端口為從控制器[7]。從供電結構來看，能量路由器的供電結構與直流微網結構十分相似，即變流器為低壓端口、直流負載端口與直流母校連接的設備，因此只要確保直流電壓的穩定運行，便能夠確保各個端口功率的平衡。此外，在分散控制方式下，設計人員不需要考慮相位同步和電力系統運行頻率問題，因此系統的控制難度得到了大幅度降低。

圖2 分散控制方式示意圖

3.2 高壓網側變流器端口控制方式

3.2.1 級聯H橋變流器控制方式

級聯H橋變流器控制方式分為間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制指的是對變流器電壓相位及數值進行控制，具有控制難度較低、靜態性能良好以及不需要進行解耦的應用優勢，但是主要針對的是能量路由器穩定運行狀態，但由于此方式下電力系統應用的電流為開環控制模式，因此間接電流控制方式并不能起到良好的應用效果[8]。直接電流控制指的是對電網側電流進行控制，此方式下電力系統應用的電流為閉環控制模式，盡管需要進行解耦，但是動態性能良好，適合應用在能量路由器級聯H橋變流器控制中，控制原理如圖3所示。

圖3 聯H橋變流器直接電流控制原理圖

3.2.2 隔離型半橋DC/DC變換器控制方式

變流器在運行過程中會產生高壓直流，直流需要通過變換器才能生成公共直流母線電壓，這表示電能能量需要在高壓側和低壓側同時實現流動，這對于變換器功率有雙向傳輸需求，為此需要實現對變換器的移相角控制，控制原理如圖4所示[9]。

圖4 隔離型半橋DC/DC變換器控制原理圖

3.3 低壓交流負載端口控制方式

基于能量路由器的控制要求，低電壓側端口和直流負載端口實際上是需要滿足隨時連接隨時應用要求的標準接口，無論端口內部的負載發生什么形式的變化，端口輸出的電壓都需要能夠滿足電力系統對電能的要求，這便涉及到了對低電壓側端口和直流負載端口電壓的控制，控制原理如圖5所示。電壓電流雙向控制模式不但實現了對負載電流的應用前反饋，還實現了對端口內電壓電流的調整。在耦合電流和端口電流的共同控制下，低壓交流負載端口能夠得到變流器電流指令值，進而實現對電流的控制。在耦合電壓和端口電壓的共同控制下，低壓交流負載端口能夠得到變流器電流指令值，進而實現對電路的控制[10]。

圖5 低壓交流負載端口控制原理圖

3.4 低壓直流負載端口控制方式

低壓直流負載端口控制與低壓交流負載端口控制較為相似，其控制目標是為電力系統提供穩定的直流電流標準接口，控制原理如圖6所示。在圖中，電壓電流雙向控制模式形成了較為良好的控制效果，其中電壓控制模式為單閉環模式，考慮到電力系統的動態性能，還需要配合應用電流控制模式，即內環為電流控制，外環為電壓控制[11]。具體的控制原理與上文相似，即對比實際電壓值和參考電壓值，實際電流值和參考電流值，通過調節器進行放大處理，進而生成控制指令進行相應控制。

圖6 低壓直流負載端口控制原理圖

4 結 論

能量路由器支持不同制式的電壓、不同等級的電壓標準化接口，因此能夠在變壓器與負載端口之間實現雙向功率傳輸，并且確保隨時連接隨時應用，適合應用在能源互聯網中。目前，關于多端口雙向能量路由器在能源互聯網中的應用研究相對較少，因此本文只能夠在現有研究成果的基礎上進一步總結設計方案。