一種戶用型多端口能量路由器功率協(xié)調(diào)控制策略

季韻秋, 李銳華, 胡 波

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 電氣工程系,上海 201804)

0 引 言

“雙碳”背景下,越來越多的分布式能源接入電網(wǎng),這對配電網(wǎng)智能化提出了更高的要求[1]。由于太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電具有隨機性、間歇性的特點,使得電力系統(tǒng)由以往的單側(cè)隨機系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤半p側(cè)隨機系統(tǒng)”,嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全性[2];另外,電動汽車等非線性負載導(dǎo)致電力用戶從電網(wǎng)單向獲取能量轉(zhuǎn)為能量雙向流動[3]。這些變化使得傳統(tǒng)的配電網(wǎng)控制策略已無法適應(yīng)新能源接入配電網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境[4]。基于電力電子和信息技術(shù)的能量路由器(E-Router)能夠為不同類型電能提供多種多樣的電能接口[5],且具有靈活的功率控制及信息交互功能。因此,通過多端口能量路由器整合分布式發(fā)電、儲能、充電樁后能夠有效接入低壓配電網(wǎng),實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲一體化優(yōu)化管理的協(xié)調(diào)運行,從而提升負荷調(diào)節(jié)能力與新能源消納水平。

E-Router最早被提出時以固態(tài)變壓器為核心部件,面向中壓配電網(wǎng),實現(xiàn)交直流電網(wǎng)間的互聯(lián)以及潮流的靈活控制。隨著應(yīng)用場景的不斷豐富,面向低壓配電網(wǎng)、交/直微電網(wǎng)應(yīng)用的E-Router能量流的協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化調(diào)度研究將是未來重要發(fā)展方向之一[6]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,從低壓用戶側(cè)能源的供應(yīng)端來看,E-Router能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能、太陽能等可再生能源接入的一體化運行,提高可再生能源的消納水平。從電力用戶端來看,在E-Router內(nèi)部配置不同的電能轉(zhuǎn)換接口,可以提高電能供應(yīng)的靈活性[7]。因此,E-Router的多端口設(shè)計尤為必要。文獻[8]中提出一種能接入中壓柔性直流系統(tǒng)的通用四端口能量路由器,但缺乏對低壓直流端口變流器的設(shè)計。文獻[9]構(gòu)建了一種基于五端口能量路由器的小型微網(wǎng),通過優(yōu)化光伏端口DC/DC變換器解決E-Router直流母線電壓波動的問題,但其未對各端口拓撲結(jié)構(gòu)及E-Router功率協(xié)調(diào)控制策略展開詳細研究。文獻[10]提出了一種戶用型能量路由器,以E-Router內(nèi)部直流母線電壓大小為信號,對E-Router進行分區(qū)管理,實現(xiàn)離網(wǎng)模式下源荷儲間的能量平衡,但沒有對并網(wǎng)狀態(tài)下E-Router與配電網(wǎng)間的能量互濟情況進行詳細研究。文獻[11]研究了一種四端口能量路由器,提出了一種雙層控制策略,能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)模式下能量路由器交流端口的功率控制,但并未對離網(wǎng)模式下的協(xié)調(diào)控制策略進行研究。文獻[12]提出了一種五端口能量路由器,能夠?qū)崿F(xiàn)端口的潮流反轉(zhuǎn)、柔性互聯(lián)及儲能對系統(tǒng)自穩(wěn)定的控制,但系統(tǒng)運行模式多,控制十分復(fù)雜,在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用仍然受到一定限制和阻礙。

為了有效管理大量分布式可再生能源及電動汽車等新型不確定性負載,面向低壓配電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,本文提出一種基于可再生能源接入的戶用型多端口能量路由器,并對其功率協(xié)調(diào)控制策略進行研究,實現(xiàn)E-Router各端口之間以及E-Router與低壓配電網(wǎng)之間的功率互濟,實現(xiàn)用戶側(cè)低碳功能區(qū)源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行,從而提高新能源的消納水平和配電網(wǎng)的供電可靠性及安全性。最后,通過構(gòu)建MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真模型進行仿真分析和驗證,為系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 多端口能量路由器基本結(jié)構(gòu)及運行模式

1.1 能量路由器基本結(jié)構(gòu)

本文所提出的多端口能量路由器主要面向低壓小容量電力用戶,依據(jù)用戶側(cè)實際需求應(yīng)用場景進行設(shè)計,注重考慮能源互聯(lián)的擴展性與靈活性。多端口能量路由器作為電能互聯(lián)管理與控制的核心設(shè)備,不同種類的電能通過與直流母線互連的電力變換器單元進行電能轉(zhuǎn)換與傳輸。本文所提出的戶用型低壓配電網(wǎng)多端口能量路由器應(yīng)用場景如圖1所示。

戶用型多端口能量路由器作為實現(xiàn)低碳功能區(qū)源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行的關(guān)鍵設(shè)備,能夠為可再生能源(光伏、風(fēng)能)發(fā)電、儲能電池、低壓配電網(wǎng)以及常見的交直流負載提供不同的電能接口。本文所提出的多端口能量路由器端口基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 戶用型多端口能量路由器端口基本結(jié)構(gòu)

1.2 能量路由器運行模式

為了盡可能提升用戶側(cè)低碳功能區(qū)新能源消納水平,實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行,需要對E-Router運行模式進行分析。根據(jù)E-Router與低壓配電網(wǎng)的連接狀態(tài),系統(tǒng)運行可劃分為孤島運行與并網(wǎng)運行兩種模式。

在低壓配電網(wǎng)中,通常E-Router運行在并網(wǎng)模式下。此時,主要通過網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)E-Router與配電網(wǎng)之間的功率交互,并由配電網(wǎng)維持整個系統(tǒng)的功率平衡。當?shù)蛪号潆娋W(wǎng)故障時,E-Router能夠以孤島模式運行,孤島模式運行期間主要通過儲能單元維持整個系統(tǒng)的功率平衡。一旦配電網(wǎng)恢復(fù),多端口能量路由器可以重新進入并網(wǎng)運行模式。

2 多端口能量路由器功率協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計

為了實現(xiàn)用戶側(cè)低碳功能區(qū)源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行,本文提出了一種基于主從控制的戶用型能量路由器功率協(xié)調(diào)控制策略,并給出了能量路由器不同端口變流器的設(shè)計方案。

2.1 能量路由器功率協(xié)調(diào)控制策略

能量路由器控制單元由主控制器和各端口變流器控制器組成。在不同的運行模式中:主端口變流器采用定電壓控制維持 E-Router 直流母線穩(wěn)定、協(xié)調(diào)系統(tǒng)功率流動;其他端口變流器根據(jù)控制指令,工作在相應(yīng)模式下。

為了提高新能源消納水平,本文以新能源消納主信號,對E-Router工作模態(tài)進行如表1所示的劃分。

表1 E-Router工作模態(tài)劃分

根據(jù)表1中的模態(tài),對各功能單元變換器進行功率協(xié)調(diào)控制,最終實現(xiàn)E-Router系統(tǒng)的源-網(wǎng)-荷-儲功率平衡。即滿足式(1):

PWT+PPV+Pgrid+Pbat+Pload=0

(1)

式中:Pgrid為電網(wǎng)與E-Router的功率交互,Pgrid為正表示E-Router從配電網(wǎng)吸收功率;PWT、PPV分別為風(fēng)電端口、光伏端口輸入到E-Router的功率;Pbat為儲能單元釋放功率。

2.2 能量路由器端口變流器功率控制策略

2.2.1 網(wǎng)側(cè)端口變流器

在E-Router并網(wǎng)運行模式下,網(wǎng)側(cè)端口變流器主要用于實現(xiàn)E-Router與配電網(wǎng)之間的功率交互。本文選擇電壓源型變換器(VSC)作為E-Router網(wǎng)側(cè)端口變流器,其為雙向DC/AC變換器,具備能量雙向流動的功能。

為了維持并網(wǎng)運行模式下E-Router內(nèi)部系統(tǒng)的功率平衡和直流母線電壓穩(wěn)定,網(wǎng)側(cè)VSC采用定直流電壓控制,控制框圖如圖3所示。圖3中,us(abc)、uc(abc)和i(abc)分別表示交流系統(tǒng)三相電壓、VSC交流端三相電壓和電流瞬時值;us(dq)和i(dq)分別表示交流系統(tǒng)三相電壓和交流側(cè)三相電流在dq坐標軸上的等效分量;Udc、idc分別表示直流側(cè)電壓和電流;Udcref表示直流側(cè)電壓給定值;假設(shè)三相主電路參數(shù)完全相同,Lx為等效電感;θ為電壓空間矢量極角,由交流側(cè)電壓鎖相環(huán)獲取;ω為系統(tǒng)額定電壓頻率。

圖3 網(wǎng)側(cè)端口變流器控制框圖

基于瞬時功率理論,且在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中,交流系統(tǒng)輸出的瞬時有功功率Ps、無功功率Qs可表示為

(2)

在三相VSC中,直流側(cè)輸入有功功率瞬時值為p=idcUdc,不考慮變換器及線路損耗,則根據(jù)功率平衡原理,VSC輸出到直流側(cè)的有功功率等于配電網(wǎng)輸入到VSC的有功功率,則有:

idcUdc=p=3/2usdid

(3)

Udc=3usdid/2idc

(4)

由式(3)和式(4)可以看出,由于配電網(wǎng)三相交流電壓保持不變,因此需要在功率波動時通過控制有功電流id來穩(wěn)定直流母線電壓Udc。如圖3所示,本文采用了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)將直流電壓給定值與反饋值的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后輸出作為有功電流的參考值idref,將q軸電流給定值設(shè)置為0以實現(xiàn)單位功率因數(shù)。內(nèi)環(huán)控制為實現(xiàn)VSC交流側(cè)輸出電流快速跟隨電流參考值,本文中采用直接電流控制法,基于dq旋轉(zhuǎn)坐標系對有功電流與無功電流進行解耦,電流控制器的輸出量作為VSC輸出電壓的期望值,通過脈寬調(diào)制后可獲得各橋臂的觸發(fā)脈沖。

2.2.2 風(fēng)力發(fā)電端口變流器

由于VSC具有獨立控制有功功率和無功功率的特性[13],風(fēng)力發(fā)電單元選用VSC作為風(fēng)力發(fā)電端口變流器,將風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電能接入到E-Router內(nèi)部的直流母線。此時VSC工作在整流模式下。

為了保證風(fēng)力發(fā)電接入端口能夠有效吸收風(fēng)力發(fā)電交流系統(tǒng)發(fā)出的電能,風(fēng)電端口變流器采用PQ控制策略。其控制框圖如圖4所示。圖4中,Pref為風(fēng)電交流系統(tǒng)發(fā)出的有功功率;P為風(fēng)力發(fā)電端口變流器輸出的有功功率;Qref為風(fēng)電交流系統(tǒng)發(fā)出的無功功率。

圖4 風(fēng)電端口變流器控制框圖

由式(1)可知,由于三相交流系統(tǒng)電壓保持不變,即usd保持不變,有功電流參考值idref可由有功功率參考值Pref計算得到,q軸電流給定值設(shè)置為0以實現(xiàn)單位功率因數(shù)。通過實現(xiàn)對VSC輸出有功功率和無功功率的獨立控制,使得風(fēng)力發(fā)電端口變流器輸出功率能有效跟蹤風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能,為E-Router提供新能源發(fā)電電能。

2.2.3 交流負載端口變流器

能量路由器交流負載端口能夠為用戶提供電壓幅值和頻率穩(wěn)定的交流電,保障用戶交流負荷的用電需求。因此交流負載端口仍選用VSC拓撲結(jié)構(gòu),并采用恒壓/恒頻控制策略。此時VSC工作在逆變模式下,控制框圖如圖5所示。

圖5 交流負載端口變流器控制框圖

圖5中,udref、uqref表示電壓參考值。恒壓/恒頻控制是在下垂控制的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)的,其參考電壓在線路設(shè)計時直接給定?？紤]到交流電網(wǎng)頻率穩(wěn)定,控制系統(tǒng)參考頻率及角頻率由給定頻率為50 Hz的虛擬鎖相環(huán)提供。恒壓/恒頻控制采取如圖5所示外環(huán)電壓、內(nèi)環(huán)電流的雙閉環(huán)控制方式,以保證負載負荷的電壓幅值和頻率大小近似保持不變。

2.2.4 光伏發(fā)電端口變流器

光伏發(fā)電端口變流器主要用于將光伏發(fā)出的電能接入到E-Router直流母線,供能量路由器進行電能分配。由于光伏發(fā)電受光照的影響較大,其輸出功率具有隨機性和波動性,并且輸出電壓波動范圍大。因此,為了實現(xiàn)光伏發(fā)電寬電壓范圍接入,提高E-Router的適用性,本文采用一種通用型雙向DC/DC變流器[14],以滿足E-Router不同直流端口的接入需求,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。用作光伏接入端口變流器時,該雙向DC/DC變換器工作在Boost模式下,實現(xiàn)功率的單向流動。

圖6 光伏發(fā)電端口DC/DC變換器控制框圖

由圖6可知,該DC/DC變換器由內(nèi)置變壓器、一對交錯半橋雙向電路和一個輔助三電平電路組成。其中:uH、uL和iH、iL分別為變換器高/低壓側(cè)電壓和電流;L1、L2分別為低壓側(cè)耦合濾波電感;內(nèi)置變壓器變比n=N1/N2;Lr等效為變壓器原邊漏感和外加電感;Lm為變壓器副邊側(cè)的等效勵磁電感;C1、C2、C3分別為箝位電容;Pref為光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能;P為變換器實際輸出功率。

變流器的電壓增益為[14]

(5)

傳輸功率表達式如式(6)所示:

(6)

為了保證光伏端口變流器輸出的有功功率P能有效跟蹤光伏裝置發(fā)出的電能,其控制策略如圖6所示?？刂骗h(huán)節(jié)為電壓調(diào)節(jié)環(huán)和功率環(huán),根據(jù)式(5)可以計算得到占空比,功率環(huán)將功率給定值與反饋值的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到φ,通過控制φ實現(xiàn)對功率流向的控制,實現(xiàn)光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能的有效接入。

2.2.5 儲能端口變流器

儲能端口DC/DC變換器的主要作用是在E-Router孤島運行時支撐和維持E-Router的直流母線電壓并為負載提供電能,從而保證E-Router正常運行。儲能端口變流器選用圖6所示的通用型雙向DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu),其高壓側(cè)連接E-Router內(nèi)部直流母線,低壓側(cè)連接儲能電池。本文僅考慮在孤島模式下,儲能單元作為源參與E-Router功率分配,考慮到功率平衡,僅討論儲能工作于放電模式下的情況。

孤島運行狀態(tài)下,儲能端口變換器采用定高壓側(cè)直流電壓控制策略。針對儲能側(cè)變流器設(shè)計的控制策略如 7 所示。圖7中,uL、uH分別為儲能裝置輸出電壓和E-Router內(nèi)部直流母線電壓;uHref為母線電壓參考值;iL為儲能裝置電流。其控制環(huán)節(jié)由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成,通過控制φ實現(xiàn)高壓側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

圖7 儲能端口DC/DC側(cè)變換器控制策略框圖

3 仿真分析及驗證

為了驗證本文所提出的E-Router功率協(xié)調(diào)控制策略的可行性及有效性,在MATLAB/Simulink中搭建了由1路聯(lián)網(wǎng)單元、風(fēng)力發(fā)電單元、光伏單元、儲能單元和交流負載單元組成的多端口能量路由器仿真模型,仿真系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 多端口能量路由器仿真參數(shù)

3.1 能量路由器并網(wǎng)運行仿真驗證

3.1.1 能量路由器功率釋放模式仿真分析

應(yīng)用場景:當系統(tǒng)光伏和風(fēng)電出力無法完全被負荷消納,即:PPV+PWT>PL時,E-Router需要向配電網(wǎng)釋放電能。其能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形如圖8所示,仿真結(jié)果見表3。

表3 仿真結(jié)果 kW

圖8 能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形

由圖8和表3可以看出,分布式單元出力發(fā)生變化,負載突增/減時,網(wǎng)側(cè)變換器能夠維持E-Router的母線電壓實現(xiàn)快速穩(wěn)定。

3.1.2 能量路由器功率吸收模式仿真分析

應(yīng)用場景:當系統(tǒng)光伏和風(fēng)電出力無法滿足負荷需求,即:PPV+PWT

表4 仿真結(jié)果 kW

由圖9和表4可以看出,在分布式單元出力發(fā)生變化、負載突增/減時,E-Router的母線電壓也能夠快速穩(wěn)定在600 V。

3.1.3 能量路由器功率潮流反轉(zhuǎn)仿真驗證

應(yīng)用場景:當E-Router發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時,E-Router需要根據(jù)本地負荷大小,從配電網(wǎng)吸收/釋放電能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。其能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形如圖10所示,仿真結(jié)果見表5。

表5 仿真結(jié)果 kW

圖10 能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形

由圖10和表5可以看出,在分布式單元出力發(fā)生變化、負載突增/減時,E-Router的母線電壓能夠快速穩(wěn)定。

3.2 能量路由器孤島模式仿真驗證

應(yīng)用場景:當?shù)蛪号潆娋W(wǎng)故障時或在偏遠地區(qū),E-Router將以孤島模式運行,孤島模式運行期間主要通過儲能單元支撐系統(tǒng)母線電壓和維持整個系統(tǒng)的功率平衡。此時若系統(tǒng)光伏和風(fēng)電出力無法滿足負荷需求,E-Router通過從儲能電池吸收功率彌補負荷用電需求。其能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形如圖11所示,仿真結(jié)果見表6。

表6 仿真結(jié)果 kW

圖11 能量路由器各端口功率及直流母線電壓波形

由圖11和表6可以看出,在分布式單元出力發(fā)生變化,負載突增/減時,E-Router的母線電壓能夠快速穩(wěn)定在600 V,驗證了E-Router在離網(wǎng)模式下能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)功率平衡。

4 結(jié) 語

本文提出了一種面向低壓配電網(wǎng)的戶用型多端口能量路由器應(yīng)用方案,設(shè)計了能量路由器各端口變流器的功率控制策略,并進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:本文所提出的戶用型多端口能量路由器及其功率協(xié)調(diào)控制策略實現(xiàn)了用戶側(cè)低碳功能區(qū)源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行,有效提升了低壓配電網(wǎng)中的負荷調(diào)節(jié)能力與新能源消納水平,為新能源利用提供了一種有效的解決方案。