微电网多端口变换器拓扑结构研究综述

2017-12-26曾进辉何智成孙志峰张伯伦

分布式能源 2017年6期

关键词：变流路由器端口

曾进辉，何智成，孙志峰，张伯伦

(湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412008)

微电网多端口变换器拓扑结构研究综述

曾进辉，何智成，孙志峰，张伯伦

(湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412008)

发展微电网已成为破解高渗透率分布式能源高效、安全接入电网的客观需要，多端口变换器(multi-port converters, MPC)作为微电网中电能转换的核心装置，在微电网的建设中有着巨大的应用价值和广阔的应用前景。首先，分析了电能变换器拓扑结构的发展过程，并在其基础上对国内外适用于微电网的二端口变换器、三端口变换器、四端口变换器以及多端口变换器的典型拓扑结构进行了分析和比较。然后，指出多端口变换器在功率密度、转换效率以及变流功能等方面具有传统双端口变换器不可比拟的优势，是未来电能变换器的发展方向。最后，在拓扑结构、潮流控制以及运行可靠性等方面指出多端口变换器在工程应用中亟待解决的几个关键技术问题，并从多个方面分析了微电网多端口变换器的发展趋势。

微电网；多端口变换器(MPC)；功率密度；拓扑结构；电能路由器；电能转换；转换效率

0 引言

微电网作为配电网的基本单元，是分布式能源消纳、电能质量改善和电能转换效率提升的关键环节[1]。根据配电技术的发展趋势，微电网将会成为与广大用户直接相连的主要供电模式[2]。目前广大科研人员对于微电网的研究主要集中在结网方式[3]、保护技术[4]和控制技术[5]等方面，在微电网关键变流设备方面，虽然已经开展了大量研究，但并未形成统一的标准拓扑和结构。

随着分布式能源的接入，微电网的潮流显现多样性[6]。功能单一的传统双端口变换器，其性能已经不能满足含有分布式电源的微电网系统[7]，能够实现能量多向流动并且具有多种变流功能[8]，有利于分布式电源稳定、高效地接入微电网的多端口变换器(multi-port converters，MPC)将会成为研究的热点。

在直流微电网中，与传统的变换器相比，MPC能实现多个端口间的互联，减少微电网系统功率变换单元的数量，简化系统的结构，优化系统潮流的分配，提高系统的稳定性。

本文对近年来国内外提出较为典型的MPC拓扑结构进行分析和比较，对应用于微电网的MPC亟待解决的问题进行一定的探讨，提出目前多端口变换器实际应用需要重要研究的几个关键问题，并结合未来电力电子技术和变流技术的发展趋势分析多端口变换器的发展趋势。

1 微电网电能变换器的发展情况

随着分布式电源应用普及和微电网技术的发展，电力系统需要接入越来越多的电能变换器，对电能变换器性能的要求也越来越高，因此电能变换器朝着大容量、高功率密度、高转换效率、多端口和具有多种变流功能等方向发展。

世界第一个半砖DC/DC变换器由Lucent公司在20世纪90年代研制成功，当时变换器的输出功率只有30 W，效率不到80%。由于电力电子技术水平的提高，如今的半砖DC/DC变换器输出功率达到300 W，转换效率已经超过90%。

20世纪90年代初，研究人员通过对MOSEFT进行了一系列的改进，并将软开关技术应用到电能变换器中，达到了降低变换电路的开关损耗、开关噪声和提高变换器功率密度的目的[9]。半导体工艺水平的提高和SiC、GaN等新型半导体材料的应用，推动电能变换器进入高频化和大容量化时代。

20世纪80年代初，双向直流变换器在人造卫星电源系统的成功应用，促进了双向电能变换器的发展。双向电能变换器具有动态性好和成本低等优势，在潮流显现多样性的微电网系统中起到至关重要的作用[10]。

2010年松下公司研究出新一代混合配电屏“Smart Energy Gateway(SEG)”，该电能变换器可以对交流和直流两种电流制式负荷供电。微电网是一种交直流电源和负载并存的电力系统，具有多种变流功能的电能变换器满足了微电网的应用需求，提高了微电网的运行可靠性。

微电网连接了多个功率输入和负载输出源，突破了传统的单输入-单输出功率变换结构形式。当前解决这一问题的办法是在微网中使用不同功能的二端口电能变换器或使用具有多种变流功能的多端口电能变换器[11-12]。单一功能的二端口变换器在实际应用中存在多装置并联环流和交互影响等突出问题[13]。用单台多端口电能变换器连接各种电源和负荷，虽然可以解决装置间的环流和协调控制等问题，但是端口之间的耦合和干扰交错复杂，而且造价也高。因此，发展一种便于工程布线和系统扩展的多端口双向电能变换器具有必要性。虽然不同功能的变换器拓扑结构上存在差异，但是变流原理大体相同，可为微电网电能变换器的拓扑结构设计提供理论支持和解决方案[14-15]。

2 多端口变换器拓扑结构及其分类

多端口变换器根据不同的分类标准有多种分类方法。根据电能转换类型的不同，可分为DC/DC型、DC/AC型和复合型三类；根据其端口能量的流动可分为能量双向流动型和能量定向流动型；根据变换器的端口数可分为两端口型、三端口型、四端口型和多端口型，一般3个端口以上的电能变换器可统称为多端口变换器。为了便于说明和对比，本文按照端口数将多端口变换器分为三端口型、四端口型和多端口型。

2.1 三端口变换器及其典型拓扑结构

三端口变换器拓扑结构较为灵活，而且功能多样，所以在电力系统中应用广泛。本文以非隔离型、磁耦合型、功率器件共用型和移相式等多种类型的三端口变换器为例，分析不同类型三端口变换器拓扑结构的特点和在微电网中应用所具有的优缺点。

2.1.1 非隔离型三端口变换器

文献[16]提出的非隔离双向三端口升降压变换器如图1所示，该变换器省去了母线电容，减少了变换器的体积和成本，且端口间为单极变换，提高了转换效率和功率密度，但是存在变换类型单一的缺点。

图1 非隔离双向三端口直流变换器Fig.1 Non-isolated three-port bidirectional converter

图2 磁耦合型三端口变换器Fig.2 Magnetic coupling type three port converter

图3 功率器件共用型半桥三端口变换器Fig.3 Converter common type three port half bridge power converter

2.1.2 磁耦合型三端口变换器

文献[17]提出的磁耦合型三端口变换器，如图2所示。其拓扑结构是在Boost双半桥电路的基础上增加一个半桥拓扑结构。该变换器在“PWM+移相”控制的基础上，实现能量的双向流动。由于该MPC拓扑结构中存在较多电感，降低了变换器的动态响应速度，而且该变换器只能实现直流-直流变换，其性能存在不足。

2.1.3 功率器件共用型三端口变换器

文献[18]提出的功率器件共用型半桥三端口变换器，如图3所示。将不同类型的变换器通过功率器件共用的方式集合在一起构成功率器件共用型MPC。储能设备和新能源可通过该变换器协调运行，对微电网系统实现电能的最优化输出。

2.1.4 移相式三端口变换器

图4 移相式三端口DC/DC变换器Fig.4 Phase shifting type three port DC/DC converter

文献[19]提出一种移相式三端口变换器，如图4所示。能量可在该变换器各端口间相互传递，因此该变换器适用于潮流显现多样性的微电网。微电网是一个交直流负载并存的系统，该变换器只能实现直流-直流的变换，其性能存在不足。

2.1.5 非隔离型三端口变换器

文献[20]提出一种能够同时管理输入源、蓄电池和负载功率的H 桥三端口变换器，如图5所示。该变换器具有拓扑结构简单、集成度高等优点。

图5 H桥三端口变换器拓扑结构Fig.5 Three-port H-bridge converter topology

2.1.6 串并联交错式三端口变换器

文献[21]提出的串并联交错方式三端口变换器如图6所示。变换器原边由2个半桥变换器的原边并联组成，通过引入移相控制形成新的功率控制策略，达到负载侧功率控制的目的。

图6 串并联交错式拓扑结构Fig.6 Topology of PSI-HB-TPC

2.2 四端口变换器及其典型拓扑结构

四端口变换器采用并行竞争的控制策略，具有保证输出电压稳定的优点，有利于含有分布式电源的微电网系统稳定运行。

文献[22]提出一种三输入单输出的四端口变换器，如图7(a)所示。该变换器对光伏发电和风能发电系进行最大功率点跟踪时，能够保证输出电压稳定。文献[23]提出的另一种三输入单输出的四端口变换器如图7(b)所示。该变换器输入端存在较多电容，增大了变换器的体积。文献[24]提出的一种双输入双输出的四端口变换器如图8所示，该变换器的2个输出端口相互隔离，输出较为灵活可实现单输出或双输出。

图7 三输入单输出四端口变换器Fig.7 Three input single output four port converter

图8 双输入双输出四端口变换器Fig.8 Two input two output four port converter

2.3 多端口电能变换器及其典型拓扑结构

多端口电能变换器可分为电能路由器型和电力电子变压器型。电能路由器型MPC是一种有利于分布式电源与微电网协调配合向负载供电的智能化电气连接装置[25-27]。电力电子变压器型MPC作为新的电力电子变换装置，在多种分布式能源混合供电的微电网系统中具有很好的应用前景。电能路由器工作过程中需要收集电源和负载的信息，实现微电网输入电源和输出负载的匹配[28]，这是2种类型MPC的最主要区别。

2.3.1 电能路由器型多端口变换器

图9 京都大学电能路由器方案Fig.9 power router scheme proposed by Kyoto university

文献[29]提出的能量包方案,如图9所示。该方案的思路是将电压等级不同的能量调制到一条公共传输线上，再根据负载的需要进行合理的分配。由于能量的传递是断续的，为了保证供电的持续性，需要在负载侧加入储能元件。

文献[30-32]提出了另一种多端口变换器，该变换器的器件复用度和集成度更高，具有高转换效率和高功率密度等优点。

要实现电能路由器在微电网中推广和应用，需要分析电能路由器端口间的耦合关系和发现存在的干扰因素，解决能量路由器的转换效率低、功率密度小、波动性电源接入的稳定性差和非正常运行条件的耐受能力弱等关键技术难题[33]。

2.3.2 电力电子变压器型多端口变换器

文献[34]提出了一种三极式模块化电力电子型MPC，如图10所示。该变换器从本质上看是将若干个不同的变换器集成在一起，形成一个含有多个端口的电能变换器，存在元件复用率低和功率密度小等缺点。

图10 三极式模块化电力电子变换器拓扑Fig.10 Three pole type modular power electronic converter topologies topology

文献[35]提出的电力电子变压器(power electronic transformer, PET)结构MPC，如图11所示。该变换器不仅可以输出120 V和240 V电压等级交流电，而且还可以同时输出交流和直流，符合微电网的应用要求，但是存在元件复用率低和功率密度小等问题。

图11 PET 结构的电力电子变换器拓扑Fig.11 PET structure of power electronic converter topologies

以上变换器功能强大，但是主要应用于交流配电网络，而且结构复杂，成本也高，在具体控制和工程实践上还处于起步阶段。

2.4 不同类型多端口变换器的对比

文献[17]提出的磁耦合型电能变换器和文献[18]提出的移相式电能变换器在拓扑结构上比较相似，具有能量双向传输功能。文献[19]提出的功率器件共用型电能变换器和文献[22]提出的四端口变换器在拓扑结构上均采用了元件复用。文献[34]提出的模块化电力电子型MPC与文献[35]提出的PET结构MPC均存在元件复用率低和功率密度小等问题，不同类型多端口变换器的对比见表1。

表1 电能变换器性能比较Table 1 Power converter performance comparison

通过对比可发现，虽然多端口变换器拓扑结构种类繁多，但是性能存在不足，而且适用于微电网的多端口电能变换器，其拓扑结构还没得到统一，不利于电能变换器的标准化，更不利于在微电网中推广使用。

3 多端口变换器工程应用中亟待解决的关键技术问题

由于微电网的概念近期才得到重视，所以目前微电网关键变流设备尚未形成统一的标准拓扑和结构，而且现有的MPC就拓扑结构而言较难实现能量的多向可控和不同电流式制电源的同时接入和输出，要实现MPC在微电网中应用和推广，亟待解决以下几个关键技术问题。

(1) 拓扑结构设计和优化。微电网是一种交直流电源和负载并存的电力系统，因此电能变换器功能上必须满足不同类型的变流需求。保证MPC具有诸多功能前提下，解决软开关功能的实现与系统参数匹配等问题，是多端口变换器拓扑结构设计和优化亟待解决的关键技术问题。

(2) 母线电压稳定与潮流控制。微电网中的分布式电源具有波动性和间歇性，为了保证供电的可靠性，潮流将会在母线间无规律转移，如何保证母线电压稳定和潮流平衡是多端口变换器母线电压稳定与潮流控制亟待解决的关键技术问题[21]。

(3) 运行可靠性。多端口变换器存在自身功率器件、直流电容等元件损坏的可能，MPC故障保护措施与传统的三端口变换器保护措施差异大，如何建立有效的MPC故障保护措施防止故障进一步扩大，是多端口变换器亟待解决的关键技术问题[36]。

针对目前多端口变换器存在的不足[2，37]，为了充分发展和利用微电网，研究一种不仅具有多种变流功能，而且结构和控制相对简单的标准化多端口电能变换器势在必行。

4 多端口变换器发展趋势

多端口变换器是未来与微电网直接相连的关键变流设备，随着新型电力电子拓扑、软开关技术、先进控制策略、变流技术等的发展，多端口变换器将具备以下新特征。

(1) 同时满足多种变流需求。微电网建设的过程中会出现不同制式用电设备和各种分布式电源在同一微电网中长期共存的情况。相对于功能分离的多台电能变换器，具有多种变流功能的变换器可同时满足多种变流需求，有效解决装置间的环流和协调控制问题，提高了微电网的稳定性。

(2) 能量协调传递。分布式电源和电力电子装置的出现增加了微电网的复杂性，母线电压稳定和潮流平衡控制变得至关重要。分布式电源具有波动性和间歇性的特点，微电网中的家庭式负载具有随机性的特点，在负荷或分布式电源波动的情况下，控制潮流在各端口间合理分配与转移。

(3) 多功能化发展。多功能变换器在具有变流功能的同时复合了电能质量治理等一些新功能。对比功能分离的多台电力电子装置，多功能化变换器在变流的同时可以完成电能质量的调节，提高了微电网的灵活性、稳定性和经济性。

5 结论

近年来，随着微电网技术研究的深入，多端口变换器作为其核心部件之一得到了广泛关注。本文对典型多端口变换器拓扑结构进行分析、对比和评价，指出目前绝大部分多端口变换器电能变换类型单一，电能路由器在具体控制和工程实践上还处于起步阶段，难以在微电网中推广适用。多端口变换器作为微电网的核心装置，将会以拓扑结构的统一化、变流功能的多模态化、并网端口的柔性化、电能质量的改善化等典型特点，为微电网的发展提供关键技术支持，并推动电力电子系统电能变换与控制技术的发展。

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ResearchReviewonMultiportConverterTopologyinMicroPowerGrid

ZENG Jinhui, HE Zhicheng, SUN Zhifeng, ZHANG Bolun

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, Hunan Province, China)

The development of micro grid has become an objective need to crack high permeability distributed energy efficient and secure access to power grid, as the key device of power conversion in micro grid, multi-port converter (MPC) has great application value and broad application pro-spects in the construction of micro grid. This paper first analyzes the development process of power converter topology, on this basis, analyzes and compares the typical topologies of two port converter, three port converter, four port converter and multi port converter for micro grid. Then, it is pointed out that the MPC in power density, conversion efficiency, converter function, etc., has advantages over conventional dual-port converter, which is the future direction of the energy converter. Finally, several key technical problems of MPC to be solved in the engineering application are pointed out from aspects of the topology, power flow control and operation reliability, and the development trend of MPC in micro grid is analyzed from several aspects.

micro power grid; multi-port converters (MPC); power density; topology; power router; electrical energy conversion; conversion efficiency

国家自然科学基金项目(51607064)；湖南省教育厅优秀青年项目(17B072)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51607064)

TM 46

2096-2185(2017)06-0001-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.001