应用于通信电源系统的MMC电能路由器研究

杨昆，李菡

(1 河北省标准化研究院，石家庄 050000；2 中移在线服务有限公司河北分公司，石家庄 050000)

随着信息科技和通信技术发展，通信设备对供电可靠性要求越来越高，用电量也日益增加。目前通信电源系统包括市电、柴油发电机组、UPS提供的380 V/220 V交流电源，蓄电池、开关电源提供的-48 V直流电源，以及近年开始在通信行业、数据中心推广应用的336 V和240 V高压直流电源。通信电源种类和供电设备繁多，不同等级电源和用电设备兼容需要大量电能变换装置，导致供配电系统复杂，可靠性差，设备投资高且重复投资、电能损耗大等问题，因此需要研究能够整合通信供配电系统各种电源、并实现电能高效管理利用的智能化电气连接和电能管理方法。

在微电网技术中，电能路由器从需求侧出发管理电力负荷和分布式电源，提高微电网系统的整体运行效率和电能质量，可以实现各种分布式电源和负载在微电网中的互联和可靠管理，并简化电源系统结构。以电能路由器为核心，构建包含市电并网端，电能变换装置（高、低压开关电源），自备应急电源（柴油发电机）、直流储能节点（蓄电池组）等多个分布式能源系统以及网级控制装置（电能路由器）的通信电源微电网系统，给通信机楼、数据中心各种传输、交换、IT设备供电可以有效解决上述问题。

本文为构建通信电源微电网系统，提出适用于通信核心局的MMC电能路由器，设计路由器硬件电路，分析其工作原理、数学模型，并提出控制方法。在Mabtlba/Simulink中搭建MMC电能路由器仿真实验平台，验证MMC电能路由器控制方法的有效性，并且说明了电能路由器互联各种电源设备，简化电源系统，实现主动功率控制和提高电源系统稳定性的功能和可行性。

1 基于电能路由器的通信电源微电网系统结构

1.1 现有通信核心局电源系统架构及问题

图1 现有通信核心局电源系统架构

由于通信核心局耗电量大，为提高供电容量并方便运营单位管理维护，通信电源系统通常采用以集中供电方式为主的树干式结构，拓扑结构如图1所示，从中、高压市电开始逐级变换、分配电能。在通信核心局中集中设置高低压变配电室，通过电力变压器将10 kV中压交流电变换到380 V/220 V低压交流电，再通过低压配电柜将电能分配到各电力电池室。电力电池室电源系统包括交、直流配电箱/屏、UPS电源、-48 V开关电源、336 V高压直流电源、蓄电池组等电源设备，根据不同负载的供电等级和电源需求，给各种通信负载和空调、电气消防、智能化等建筑负载供电。

这种树干式多级变换的通信电源系统拓扑主要问题在于：网络结构复杂，电源种类和供电设备繁多；不同电源和用电设备之间不兼容，需要大量电能变换装置，导致网络损耗大；不同种类电源之间为上下游关系，电能从交流市电到通信电源设备再到负载单相流动，能量不能交换，为保证通信可靠性，各类电源、各个供电节点需要设计备用单元，导致设备利用率低，系统冗杂；电源系统工作于稳压模式，功率潮流开环，不能主动控制，调度灵活性低；故障点多，运维成本高，可靠性差。

1.2 电能路由器及通信电源微电网系统结构

1.2.1 电能路由器功能框图及硬件架构

采用电能路由器构建通信电源微电网系统解决上述问题，路由器功能框图及硬件架构如图2(a)所示。图中（1）、（2）、（3）分别为 380V 交流、-48 V直流、336 V直流母线，（4）、（5）分别是双向交流/直流（AC/DC）和双向直流/直流（DC/DC）电力电子变流器，（6）是电能路由器控制单元，（7）并网开关。通过控制单元内部传感器反馈3条母线电压电流信息，并根据设定的电能路由器工作模式、母线电压参数、电流和功率调度指令进行计算，产生符合控制要求的驱动脉冲控制双向AC/DC、DC/DC变换器工作，实现稳定母线电压、控制有功和无功在各条母线间流动的功能，同时控制单元监控、交直流电网、电能路由器本体和并网电源、负载设备的工作状态，在电网内某节点异常或故障时，通过控制路由器有功、无功或给并网电源设备发送联动指令排除故障，电网故障无法排除时断开并网开关隔离故障，保证通信核心局微电网的安全运行。在单一母线故障情况下，通过双向AC/DC、DC/DC变换器将其它母线能量馈入故障母线，实现不间断供电能力。

1.2.2 电能路由器在通信电源微电网系统的应用

基于电能路由器组网的通信电源微电网架构如图2(b)所示，采用电能路由器产生380 V/220 V交流母线，以及336 V和-48 V直流母线，设计初期选择足够大载流量的母线，后期负载增加时，只需增加电能路由器和相应配电屏即可满足扩容需求。由于电能路由器具有通信核心局配电网中3种电源种类接口，可以省去大量开关电源、整流器等电能变换设备，简化网络；不同电源之间能量能够进行交换，因此各母线上电源设备可以互为备份，可以有效提高电源设备利用率，减少相同种类电源备份，并且根据情况省去UPS电源；各母线都接有相应备用电源设备，当外市电故障断电，或微电网内部某分布式电源故障停机时，通过电能路由器将其它母线电源设备能力馈入故障母线，保证通信设备的不间断供电，提高电源系统可靠性。

图2 电能路由器功能框图及通信电源微电网系统架构

2 MMC电能路由器及控制方法

2.1 MMC电能路由器结构及工作原理

电能路由器主电路拓扑是其实现功率变换和各种控制要求的主体，根据电能路由器输出交流380 V/220 V、直流-48 V和直流336 V三种电源电平的需求，采用具有3种电平输出的模块化多电平变换器（MMC）拓扑结构进行改进，设计满足通信微电网应用的电能路由器。其结构如图3(a)所示，图中（1）、（2）、（3）分别为三相交流、低压直流和高压直流端子。

路由器每一相分上下两个桥臂（下标p、n分别表示上下桥臂），每个桥臂由一个桥臂电感Lr和N个子模块（图中的SM模块）串联组成。上下桥臂电感感值相等，其作用一部分是作为输出电感抑制交流电流输出谐波，另一部分是作为直流母线间的能量缓冲，抑制环流。子模块的结构如图中所示，每一个子模块由支撑电容C、低压蓄电池组和S1、S2两只IGBT开关管构成，路由器正常工作时子模块直流电压设计为U*SM，当子模块上管S1开通，下管S2关断时，桥臂电流流经直流侧蓄电池和电容，子模块直流电压串入电路，此时其交流端输出电压为Uab=U*SM；反之，当子模块上管关断，下管开通时，桥臂电流流过下管，子模块直流电压被旁路，此时其交流端输出电压为Uab=0。每个桥臂通过控制串入或者旁路的子模块数量来控制整个桥臂的输出电压Uarm从0～NU*SM之间阶梯变化。经过桥臂电感滤波后，每个桥臂输出电压基波可以等效为一个受控电压源，通过调制方法控制上下桥臂输出电压，进而控制三相桥臂中点输出交流电压UcABC。变压器原副边变比为0.5，使电能路由器交流输出为Ucabc=UcABC，其作用是匹配电平以满足通信电源系统应用需求，同时减少MMC所需子模块数量，降低控制系统复杂度和制作成本。在任意时刻，控制每一相上下两桥臂串入电路的子模块总数量为N，则公共高压直流母线电压始终保持在

为满足通信电源微电网系统应用需求，将电能路由器三端分别作为380 V交流、-48 V低压直流和336 V高压直流母线。考虑到电路压降和实际单体电池电压，令每个桥臂子模块数量N=6，子模块电压U*SM=60 V，公共直流母线电压Udc=NU*SM=360 V。采用载波移相调制方法控制电能路由器内部各子模块开关工作，设调制信号调制比为M，相位为ω0t，则交流侧输出电压基波控制关系如公式（1）所示，通过调节调制比和相位，控制交流端子输出与市电同步的380 V交流，满足并网和交流侧功率控制需求。通过控制子模块开关状态，调整串入电路子模块数量，及可实现交流侧、子模块直流侧和公共直流侧能量的交换。

2.2 MMC电能路由器等效电路

根据上述原理阐述，首先忽略变压器影响，只考虑低压侧输出电压UcABC，则MMC电能路由器单相等效电路如图3(b)所示，图中Ux（x=a，b，c）为市电三相交流电压，ix（x=a，b，c）为交流电流，每相桥臂子模块数目为N=6，三相的上下桥臂输出电压分别为Upx(x=a，b，c)和Unx(x=a，b，c)，上下桥臂电流分别为ix（x=a，b，c）p和ix（x=a，b，c）n，等效中性点为 n。

根据基尔霍夫电压和电流定律可以分别得到公式（2）、（3），式中R为桥臂电感等效电阻。

图3 MMC电能路由器结构原理及等效电路

将上式整理，可以得到MMC电能路由器的交流侧输出方程为

其中桥臂输出电压为

2.3 MMC电能路由器数学模型及控制方法

2.3.1 交流侧数学模型及控制方法

将电能路由器交流侧输出方程组进行同步旋转坐标变换，即dq变换，并进行拉普拉斯变换后可得同步旋转坐标下电能路由器等效模型如公式（6）所示，根据公式（6）设计MMC电能路由器交流侧控制方法如图4(a)所示。

其中Gid、Giq分别为d、q轴电流控制器，电能路由器在主动功率控制工作模式时，根据微电网能量调度需求，给定有功和无功电流指令Idref、Iqref，即可实现功率的主动控制；不需要功率主动控制时，反馈路由器交流侧输出电压后转化为dq坐标系下的电压反馈信号Ucd，将其和电压指令Ucdref进行比较后，采用电压控制器Gud转化为电流控制指令，即可达到稳定交流母线电压的控制目的。

2.3.2 直流侧数学模型及控制方法

MMC电能路由器工作时，同一相上下两个桥臂串入电路的子模块数量固定，公共直流母线电压衡为Udc=NU*SM，只要控制子模块电压在设定值，公共直流侧电压也会维持在设定值，因此路由器直流侧控制设计为代表直流侧总体电压的子模块电压平均控制和不同子模块电压的平衡控制。

子模块电压平均控制框图如图4(b)所示。控制系统包括电压控制外环和电流控制内环，其中为子模块电压的设定值，为某一相上下桥臂子模块电压的平均值。由于子模块电压的平均值与流经同一相上下两桥臂的环流大小有直接关系，环流定义为izx=1/2(ipx+inx)，x=a，b，c，将子模块电压的平均值与设定电压的误差经过一个PI控制器GPI(s)输出得到环流指令i*zx，与环流实际值izx作差，其误差输入电流内环比例控制器GPI(s)，UAx为叠加到每个子模块上面的电压平均控制指令。

G1av(s)和G2av(s)分别为电流内环和电压外环系统传递函数，其传递函数表达式分别为

得到内、外环传递函数后，根据闭环控制框图设计PI和比例控制器，使子模块平均电压维持在标定值60 V，即可将作为高压直流输出端子的公共直流母线电压维持在360 V，满足高压直流通信负载供电需求；根据功率输出要求，微调参考电压U*SM，即可实现高压直流侧能量的主动控制功能，如高压直流侧蓄电池组充放电、交流市电断电时直流侧逆变供电等。

子模块电压平衡控制框图如图4(c)所示，USMj，j=1～6为某桥臂内各子模块直流侧电压，GP2(s)为比例平衡控制器，UBj为输入到每个子模块的平衡电压控制信号，G3in(s)为平衡控制环节的传递函数，表达式如公式（9）所示，其中Ix表示三相输出电流的有效值。

子模块电压平衡控制和子模块电压平均控制相对独立，满足叠加原理，反馈子模块电压与电压设定值比较的误差，经过比例控制器调节后，产生平衡电压控制信号，叠加到电压平均控制指令，从而实现子模块电压平衡控制目的。控制公共直流母线电压保持在标定值的情况下，子模块电压平衡即可保证子模块电压的稳定，满足低压直流通信负载供电需求。正常交流市电供电情况下，子模块蓄电池组处于并联浮充状态，负载能量主要由市电提供；市电断电时，直流侧蓄电池组保证持续供电，并且通过路由器逆变工作，可以将直流能量转换为交流能量，给交流负载供电，保证交流侧供电稳定。

图4 MMC电能路由器结构原理及等效电路

3 MMC电能路由器仿真验证

在Matlab/Simulink环境中搭建基于MMC电能路由器的通信电源微电网仿真平台，MMC电能路由器通过变压器并网，三端母线分别连接380 V交流电网、336 V蓄电池组和-48 V蓄电池组，各母线还分别并联相应负载，其中380 V交流母线负载功率为50 kW，336 V直流母线负载为90 kW，-48 V母线为36个子模块单元，每个单元直流侧接3 kW负载，负载总功率为108 kW。在仿真平台上进行仿真实验，验证各端母线电源正常工作、单一母线电源断电时主动控制其它母线给停电母线供电时MMC电能路由器的工作情况，从而验证本文提出方法可行性。

仿真结果分别给出：母线电压仿真波形，包括交流380 V母线电压、36条-48 V直流母线电压、336 V高压直流母线电压；电能由器380 V交流端口功率仿真波形，包括380 V市电输出功率，交流负载功率、电能路由器交流端口输出功率；电能路由器-48 V端口功率波形，包括各条母线所接负载总功率，以及与各母线并联的各蓄电池组输出总功率；电能路由器336 V端口功率波形，包括负载功率和蓄电池组输出功率。

3.1 交流市电故障停电工况下仿真结果

交流市电停电工况下，MMC电能路由器运行仿真结果如图5(a)所示，仿真初始时刻，各电源设备正供电，在0.5 s时，将交流市电断开，模拟停电情况，并给定路由器交流端有功电流指令，使交流端输出负载所需功率，以保证交流负载正常供电。

从仿真结果可以看出，故障发生前，各条母线上电源设备正常供电，母线电压与设计值相符，分别为交流380 V、-60 V和360 V。交流380 V母线所接负载功率为50 kW，电能路由器输出功率为0，说明交流负载功率全部由市电提供；-48 V母线所接负载总功率为108 kW，与低压蓄电池组输出功率相等，说明低压直流负载功率全部由低压蓄电池组提供；336 V母线所挂负载功率总功率为90 kW，与高压蓄电池组输出功率相等，说明高压直流负载功率全部由高压蓄电池组提供。功率仿真波形说明正常情况下，各条母线负载功率由相应电源提供，通过电能路由器交换功率为零。

交流市电断电情况下，其它两条母线电压不受影响，仍正常供电。市电断电时，电网输出功率下降为0，路由器交流端输出功率上升为50 kW，交流负载正常供电，可见路由器输出功率随指令变化，与预计结果相符。并且低压、高压蓄电池组输出功率分别上升30kW和20 kW，总功率上升50 kW，各自母线上所接负载功率不受影响仍为108 kW和90 kW，可知交流端输出功率由高、低压直流端电源提供。

各-48 V母线电压因为SM开关工作，产生一定波动，脉动电压Upulse小于3 V，由于实际电路中存在各种寄生参数，负载侧的实际脉动电压为负载阻抗与寄生参数的分压，具体为

其中Zload为负载阻抗，Zbattery、Zc为蓄电池组和直流电容内阻抗，ZL1、ZL2分别为蓄电池组和电容与子模块直流侧连接铜排或电缆的寄生阻抗，由于在实际电路中且因此实际负载侧电压脉动远小于仿真值，可以忽略，336 V侧由于各SM脉动叠加后相互抵消，因此波动值较小，下面仿真也有类似情况，不再赘述。低压、高压蓄电池组增加功率与电流比例相关，理论上分别为交流输出功率的1/3和2/3，仿真结果与计算相符，具体原理不再阐述。

3.2 336 V直流母线故障停电工况下仿真结果

336 V直流母线故障停电工况下，MMC电能路由器运行仿真结果如图5(b)。仿真初始时刻，各电源设备正供电，在0.5 s时，将336 V蓄电池组断开，模拟停电情况，给定路由器交流端有功电流指令为90 kW，由交流市电提供336 V母线负载所需功率，以保证高压直流负载正常供电。故障前仿真波形与上节相同，不再赘述。

从仿真波形可以看出，故障后高压蓄电池组断电，输出功率下降为0，而高压负载功率不变，说明由其它母线电源补偿了高压母线能量；电能路由器交流端输出功率下降到-90 kW，表示交流端从市电吸收功率90 kW，低压蓄电池组输出总功率不变，相应交流负载和低压直流负载功率不受影响仍为50 kW和108 kW，说明高压直流母线能量由交流市电提供，与预计结果相符。

上述市电或高压直流蓄电池组断电工况下的仿真和分析结果，验证了本文提出的MMC电能路由器控制策略的正确性和有效性，并且说明在母线故障情况下，MMC电能路由器可以从其它正常母线吸收能量馈入故障母线，并且可以通过主动功率控制，根据电源容量和调度需求控制能量流向，选择馈入故障母线能量的来源，验证了电能路由器互联电源设备，提高电源系统的可靠性和能量管理功能。由于不同电源母线设备可以互联馈能，因此可以减少同类电源设备备用数量和容量，提高电源设备利用率，从而将带电源投资和运维成本。

图5 MMC电能路由器仿真结果

4 结束语

本文提出一种基于MMC拓扑的电能路由器装置，基于MMC电能路由器构建包含交流380 V/220 V，-48 V低压直流和336 V高压直流3条母线的通信电源微电网系统，用于整合各类通信电源，实现各种分布式通信电源和负载在通信电源微电网中互联和可靠管理，提高系统可靠性和可扩展性，为通信电源系统设计、管理提供了一种新的组网方案。

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