基于电力电子变压器的能量路由器研究

赖柏竹，吴靖，章玮明，吴文联，王源涛

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009）

基于电力电子变压器的能量路由器研究

赖柏竹，吴靖，章玮明，吴文联，王源涛

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009）

能量路由器作为能源互联网的核心部件，为分布式电源、分布式储能和负载提供了即插即用的接口并使之与电网互联，需要针对能量路由器的电路设计与控制实现进行深入分析。提出了一种基于电力电子变压器的能量路由器拓扑结构，并给出了适用于该结构的一种分层控制方法，详细分析了并网和孤岛运行下的能量管理策略，实现了能量路由器中的能量协调控制。最后通过仿真分析验证了所提出方法的有效性。

可再生能源；能量路由器；直流电网；能量管理；分层控制

0 引言

由于日益紧张的不可再生能源供需问题和环境压力，使可再生能源得到了广泛的关注。然而，光伏和风电等分布式电源输出的功率具有随机性和间歇性，阻碍了可再生能源的发展。为此，提出了将信息技术与可再生能源技术相结合构建能源互联网，支撑“第三次工业革命”[1-6]。2011年美国北卡罗来纳州立大学开展了FREEDM（未来可再生能源传输和管理系统）的研究[7]，其中包括3个环节：即插即用接口，即LVDC（低压直流母线）或LVAC（低压交流母线）；能量路由器，主要是连接MVAC（中压交流）配网和低压交直流母线，并且识别和管理所有连接在这些母线上的分布式电源、储能单元、以及负载设备等；开放的标准协议，叫做DGI（分布式电网智能）单元，嵌入在每个能量路由器设备中，利用通信网络来协调所有的能量路由器的工作[8]。目前，国内外对于能源互联网的研究大多基于FREEDM结构展开。由于相关概念的提出时间较短，所以目前的研究重点大多还是停留在能量路由器。

文献[9]从能源、信息、定制化和系统运行需求详细阐述能量路由器应具备的功能，并以电力路由器为例给出了一种实施方案；文献[10]给出了能量路由器的架构：电力电子变压器模块、通信模块和分布式电网智能模块。文献[11]提出了用于风电场的智能转换系统，该系统的核心电路就是以电力电子变压器为主的能量路由器。

以下提出一种基于电力电子变压器的能量路由器，其中电力电子变压器作为高低压母线之间的关键环节，以实现电压和功率的灵活控制和管理。以下给出了该能量路由器的架构设计、系统的分层控制体系以及能量管理策略，并对能量路由器的工作模式和控制器进行了设计。最后，搭建了仿真平台，验证了系统的有效性。

1 基于电力电子变压器的能量路由器拓扑

能量路由器可以连接中压配电网和低压区域网，并且能够调节低压直流母线，同时为可再生能源设备、储能装置及负荷提供低压直流母线，实现能量的双向流动。基于上述要求，设计的能量路由器为多输入多输出的即插即用接口电路，如图1所示，主要由电力电子变压器，光伏系统，储能装置和直流负载组成。

图1 基于电力电子变压器的能量路由器拓扑

该系统并网运行时，高压直流母线可以通过电力电子变压器向负荷供电；直流微电网也可以通过直流变压器向配电网馈电。系统故障时，光伏发电与储能装置可以构成低压直流微电网运行在孤岛模式。

此处的电力电子变压器采用DAB（双主动全桥变换器）级联形式，实现电压变换和电气隔离，多个完全相同的DAB在高压端串联接入中压直流配电网，在低压端并联接入低压直流微电网，并且作为光伏系统、储能装置和负载的即插即用接口，能够实现兼容性和灵活性。光伏发电单元接口电路为Boost电路，储能装置由蓄电池和双向Boost/Buck变流器组成。

图2为DAB的拓扑结构图，由2个全桥变换器、2个直流电容、1个辅助电感和1个高频变压器组成。高频变压器两端的变流器分别产生50%方波电压uh1和uh2，通过调节2个方波电压之间的移相角，实现功率的双向流动。传输功率可以表示为：

式中：PDAB为传输功率；n为变压器变比；fs为开关频率；U1和U2为两侧直流电压；L为辅助电感；D为移相比。

图2 DAB拓扑结构

由（1）式知通过D可以调节DAB功率流动大小和方向，进而调节输出电压的大小。

能量路由器采用多个完全相同的DAB级联接入直流电网，DAB单元在串联侧电流相等，并联侧电压相等，电力电子变压器传输功率为每个DAB单元传输功率之和，即

式中：Pi为DAB传输功率；i=1，2，…，n。

对于高频链电力电子变压器的控制，不仅要对各个DAB单元进行控制，同时还有实现各个DAB单元在中压端的电压平衡和低压端的电流平衡。DAB的传输功率在输入端与输出端相等，即

式中：UMVi和ULVi分别为DAB单元中压端电压和低压端电压；IMVi和ILVi分别为DAB单元中压端电压和低压端电流。

2 能量路由器控制体系与能量管理

2.1 分层控制体系设计

此处设计的分层控制体系如图3所示。其中Ipv为光伏电流；Upv为光伏电压；Ub为蓄电池终端电压；Ib为蓄电池的输出电流；Uload为负载电压；Iload为负载电流；Udc为直流电压；Idc为直流电流。控制体系分为3层：上层为功能定制层；中层为能量管理层；下层为执行层。

图3 分层控制体系

功能定制层将光伏的输出功率，储能电池的剩余容量，实时电价等信息作为输入信号来确定系统的调度模式，此处将系统的调度模式主要分为经济模式与自定义模式。经济模式下，用户依据当前的电价情况和储能系统剩余容量情况，在储能系统剩余容量充足且电价高时，可以向外电网输出功率获得经济利益；在储能系统剩余容量不足且电价低时，从外电网吸收功率给储能系统充电。自定义模式下，当外电网输出指定的功率时，在参考分布式光伏单元输出能力和分布式储能单元的剩余容量情况下，用户可以根据自身的能源使用情况确定能源使用策略。两种模式下，都将产生系统工作模式信号。

能量管理层根据上层产生的控制信号以及光伏的输出功率，储能电池的剩余容量来确定系统所处的工作模式，即并网模式与孤岛模式。同时也产生相应的逻辑控制信号传递给执行层。

执行层主要功能是通过接收逻辑控制信号，控制器进行逻辑组合并使能，同时按照特定的算法进行计算，进一步产生脉冲调制信号，并根据脉冲调制信号产生相应的驱动管脉冲。系统只需要向变流器发送指令，各变流器即可按照指令去执行。

2.2 并网运行能量管理

此处能量路由器的能量管理从并网运行与孤岛运行两种工作模式展开。

在并网模式下，由于光伏发电等可再生能源发电形式的成本高，为了充分利用其产生的电能，一般将其设置为MPPT（最大功率追踪）模式。在自定义模式下，外电网处于恒功率发电时，此时的功率若高于或低于负荷需求功率时，由储能负责维持微网内功率平衡和电压稳定；在经济模式下，当电价高且储能剩余容量充足时，储能电池以恒功率放电。当电价低且储能剩余容量不足时，储能电池以恒功率充电。外部的电网看作系统中充分大能量缓冲单元。当分布式电源输出的功率大于负载的需求功率时，外部电网可以吸收额外的功率防止母线电压的升高。当分布式电源输出的功率不能满足负载的需求时，外部电网可以补充分布式电源的功率缺额，防止母线电压的跌落。

如上所述，低压直流母线电压由电力电子变压器控制，并且电力电子变压器由n个DAB在高压端串联、低压端并联。因此，电力电子变压器采用主从控制。主从控制系统中包含了1个带有电压环和电流环的主DAB变换器以及n-1个只包含电流环的从DAB变换器，主变换器负责母线电压控制，其输出电流可以作为从变换器的输出电流指令，以此达到各个DAB输出或吸收电流均等的目的。这种控制方式较为精准，但是系统中会存在高频的通信线。

电力电子变压器主DAB控制策略如图4所示。其中，低压直流母线和各DAB单元串联端电压平衡均由电力电子变压器控制，功率流动的方向和大小由负载决定。电压控制器将母线电压Ubus和电压参考值Ubus-ref间的误差送入PI（比例和积分调节）控制器，为DAB生成统一电流参考值。均压控制器采集各DAB的电压Ux1，并按照（4）式计算其平均电压Uaver，并根据Ux1和Uaver之差计算出电流校正量。统一电流参考值和电流校正量之和为每一个DAB单元的电流参考值。

图4 电力电子变压器控制模型

式中：Uaver为平均电压；Ui1为DAB单元中压端，i=1，2，…，n。

当系统并网运行时，储能为恒功率模式如图5所示，采用功率外环电流内环控制。

图5 储能电池恒功率控制策略

光伏接口单元控制策略如图6，经过MPPT控制器后产生电压参考值，电压参考值由变步长电导增量法计算得出，同时采用双闭环控制方案跟踪电压参考值。

图6 光伏接口单元MPPT控制策略

2.3 孤岛运行能量管理

当以光伏、储能为主的直流微电网与外部直流母线断开时，本地的直流微电网处于孤岛运行。此时，系统中的功率主要由光伏输出功率，储能电池输出功率，负荷需求功率构成。一般情况下，光伏的接口变换器工作在MPPT模式下，只向母线注入功率，而储能单元用于维持母线电压，通过将母线电压维持在一定的范围内来平衡系统中的功率流动。例如：光伏注入母线的功率较大时，储能电池为了抑制母线电压的上升而进入充电状态；光伏注入母线的功率较小时，储能电池为了抑制母线电压的下降而进入放电状态。当光伏的输出功率高于负载需求功率，并且储能充电状态达到极值后，储能电池不再维持母线电压，光伏由MPPT模式切换到恒压模式。

光伏和储能的总输出功率不满足负载需求时，母线电压低于直流微电网要求的最低限度，在此阶段直流微电网母线电压将会出现大幅度的下降，造成微电网瘫痪，因此为了维持直流微电网的稳定性，需要根据甩负荷算法，选择性的切除不重要的负载，避免母线电压崩溃。

储能电池处于充放电状态下，对于各个电池单元通常采用下垂控制，以实现各个分布式储能单元的即插即用和优化控制。

采用下垂控制的优势在于：

（1）满足可再生能源分布式接入需求，易于实现即插即用。

（2）变换器之间无需高频通信线，降低了成本，提升系统运行的可靠性。

通常采取下垂控制时，输出电压和输出电流的关系为：

式中：Uref为低压母线电压的参考值；U0为母线空载时低压母线电压值，通常取400 V；Ib为储能电池接口变换器输出电流；k为下垂系数。

下垂系数可以控制每个变换器的输出功率，并将其按比例分配给负载。下垂系数计算公式如式（6）所示：

式中：Udcmax，Udcmin分别为母线电压最大值和最小值；Ib-dcmax，Ib-dcmin分别为母线电压最大值和最小值所对应的电流值。

储能电池在放电时，通常用改进型下垂控制，即对于下垂系数的选取与储能电池SOC（电池荷电状态）有关，输出电压和输出电流的关系为：

式中：k0为储能电池初始下垂系数，通常按照公式（6）求得。

储能电池接口单元下垂控制策略见图7，图中引入了下垂环，低压母线电压参考值按式（5）。

图7 储能电池下垂控制策略

光伏恒压模式如图8所示。直流母线电压与参考电压比较后，经过PI控制器生成PWM信号，此时由光伏变换器来维持直流母线电压恒定。

图8 光伏接口单元恒压控制

3 仿真分析

采用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真，验证能量管理及控制策略的有效性和可行性。基于电力电子变压器的能量路由器由1个光伏单元，2个储能单元，1个高压直流电网接口单元和本地负载组成，各接口单元和负载都通过低压直流母线连接。其中，直流微电网母线电压为400 V，具有5%的电压波动，最高阈值为420 V，最低为380 V。电力电子变压器由4个DAB单元构成，蓄电池SOC上限为90%、下限为10%。

3.1 并网运行

系统并网运行，稳态运行工作波形如图9所示。图9（a）中低压母线电压由电力电子变压器控制，基本稳定在400 V。图9（b）为电力电子变压器中单个DAB工作情况，高低压两侧全桥交流输出电压uh11和uh12均为方波，彼此间移开角度，并且uh11超前uh12，功率由高压侧流向低压侧。图9（c）为uh11滞后uh12，功率由低压侧流向高压侧的情况。原边电感电流iL1为近似于梯形波的高频交流。

图9 并网运行下系统稳定运行曲线

图9（d）中光伏以MPPT模式运行，储能电池以恒定的功率充电，充电比为1∶2。此时光伏发出功率不足时，高压母线侧通过电力电子变压器向低压侧传输功率，此处储能电池以充电为正方向。图9（e）中电力电子变压器相当于负载从直流母线侧吸收功率。0～2 s储能电池以恒定的功率充电，2 s后随着负载的增加，储能由恒功率充电切换为恒功率放电，此处储能电池以充电为正方向。

3.2 孤岛运行

系统孤岛运行，当光伏输出功率小于负荷需求功率时，储能电池放电，设定2个电池的SOC分别为80%与60%时。储能电池维持母线电压，稳态下电压波形和功率分配图如图10（a）和（b）所示。由于储能电池的下垂系数选取与SOC有关，因此SOC大的储能电池发出功率多，SOC小的储能电池发出功率小。图10（c）为储能电池充放电模式转换图。光伏始终处于最大功率追踪模式，储能电池通过充放电来平衡系统功率的波动。低压直流母线电压始终维持在400±5%V范围内。

图10 孤岛运行下储能充放电稳定运行曲线

当光伏的输出功率高于负载的输出功率，并且储能充电功率达到极值后，光伏处于恒压模式，稳态运行工作波形如图11所示。图11（a）中低压直流母线电压由光伏控制，基本稳定在400 V。图11（b）2个储能电池分别以各自的极限功率进行充电。

光伏处于恒压模式，当光照度发生变化时，其直流电压波形如图12所示。从图12可知t=1 s，3时光照度发生变化，直流电压经短暂过渡后维持稳定。

图11 孤岛运行下光伏恒压模式系统稳定运行曲线

图12 光伏恒压模式不同光照度下直流电压稳定运行曲线

4 结语

此处提出一种基于电力电子变压器的能量路由器拓扑，其中电力电子变压器作为高低压母线之间的关键环节以实现电压和功率的灵活控制和管理。给出了该能量路由器分层控制体系以及能量管理策略，并对能量路由器的工作模式和控制器进行了设计。同时，基于Matlab/Simulink的仿真结果验证了系统能量管理策略和控制器的正确性以及整个系统的有效性。

[1]RIFKIN J．The third industrial revolution：how lateral power is transforming energy，the economy，and the world[M]．New York：Palgrave MacMillan，2011．

[2]董朝阳，赵俊华，文福栓，等．从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J]．电力系统自动化，2014，38（15）∶1-11．

[3]吕诗宁，颜拥，丁麒，等．能源互联网中的区块链应用：优势、场景与案例[J].浙江电力，2017，36（3）∶1-4.

[4]童家麟，吕洪坤，齐晓娟，等.国内生物质发电现状及应用前景[J].浙江电力，2017，36（3）∶62-66.

[5]刘维亮，范云其，李峰，等．并网方式对分布式光伏发电项目成本与收益的影响[J].浙江电力，2016，35（11）∶23 -26.

[6]王海波，许路广，朱胜辉，等．一种新型Boost变换器前馈控制策略[J].浙江电力，2015，10（7）∶10-15.

[7]XU SHE，SRDJAN LUKIC，HUANG ALEX Q.Performance evaluation of solid state transformer based microgrid in FREEDM systems[J]．IEEE，2011∶182-188.

[8]黄如，叶乐，廖怀林.可再生能源互联网中的微电子技术[J].中国科学：信息科学，2014，44（6）∶728-742.

[9]曹军威，孟坤，王继业，等.能源互联网与能源路由器[J].中国科学：信息科学，2014（44）∶714-727.

[10]YI XU，ZHANG JIANHUA，WANG WENYE，et al.Energy Router：Architectures and Functionalities toward Energy Internet[J].IEEE，2011，47（10）∶31-36.

[11]XU SHE，WANG FEI，BURGOS ROLANDO，et al.Solid State Transformer Interfaced Wind Energy System with Integrated Active Power Transfer，Reactive Power Compensation and Voltage Conversion Functions[J].IEEE， 2012，11（4）∶3140-3147.

[12]罗志远，汤金兴，王聪.一种基于Boost变换器的蓄电池并网放电系统研究[J].浙江电力，2016，35（12）∶69-72.

[13]吴跨宇，蔡慧，卢岑岑，等.变频器测试用模拟电子负载设计研究及仿真验证[J].浙江电力，2016，35（4）∶35-40.

[14]吴跨宇，卢岑岑，陈凯，等.低压变频器及其电压支撑装置测试系统研究开发[J].浙江电力，2016，35（2）∶1-6.

（本文编辑：陆莹）

Research on Energy Router Based on Power Electronic Transformer

LAI Baizhu，WU Jing，ZHANG Weiming，WU Wenlian，WANG Yuantao
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

As a core part of Energy Internet，energy router provides plug-and-play interface for distributed generation，distributed storage and load to interconnect with power grid.It is needed to have an in-depth analysis on circuit design and control implementation of energy router.The paper presents a topological structure of energy router based on power electronic transformer and expounds a hierarchical control method.The energy management strategies for integrated operation and islanding operation are analyzed in detail，and the coordinated energy control in energy router is implemented.Finally，the effectiveness of the proposed method is verified by simulation analysis.

renewable energy；energy router；DC power grid；energy management；hierarchical control

10.19585/j.zjdl.201708002

1007-1881（2017）08-0007-06

TM41

A

2017-06-05

赖柏竹（1991），男，硕士，研究方向为新能源电力系统。