新型多端能量路由器的结构及控制策略研究
2020-06-18卫璐璐刘天保刘立群刘春霞
卫璐璐，刘天保，刘立群,刘春霞，董 栋
(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)
随着外部用电需求的改变，传统电网系统内接入大量“分布式储能设备”“新型负荷”“可再生能源设备”等，传统电力系统已无法满足多样性的供电需求，在交直流混联，电压等级不同等要求下，传统电网系统无法适应未来能源互联网的需要，新型多端口能量路由器是能源互联网的关键支撑设备之一，能源互联网以传统电网系统为基础，以先进电子技术、信息技术为驱动，增加大量清洁性良好的可再生能源，是一种新型电网结构[1]。能源互联网能有效控制人类对化石能源依赖程度，降低能源耗用。
能量路由器属于电磁能变换设备，主要组成部分包括高频变压器、电力电子开关器件(全控型)，一方面能解决传统变压器中电气隔离与电压变换问题，另外一方面可控制能量流向、调整电能质量、排除故障、接入多种电荷符合等功能，具有很大的研究意义[2-3]。
目前，世界范围内存在不同种类能量路由器，例如，瑞士苏黎世大学的研究成果——固态变压器(1MVA)；英国诺丁汉大学和意大利Rome Tor Vergata大学联合研发的背靠背多变换器(UNIFLEX-PM系统)；美国High Point University研究中心所研发的第一代固态变压器；中国电力研究所盛万兴先生所提出的电能交换器[4-6]。上述关于能量路由器的研究都以变压器为主要功率变化电路为基础，多数采用单输入输出结构，并且可以兼顾多种形式、多个等级、不同电源、不同负载的结构。
本文所分析的新型能量路由器相对灵活，扩展性、兼容性相对突出，能同时符合多种形式分布电源、交直流负荷接入电网的要求。并且在高压交直流端口采用模块化多电平换流器(MMC)结构，能有效控制电能损耗程度，便于故障处理，并实现高质量的输出波形。中间部分选择使用ISOP结构，以此控制DC/DC模块数量，提升电压等级，并保持电网的灵活性，使能量路由器更简单、实用、经济。
1 能量路由器的拓扑结构
能量路由器由五部分组成，分别是高压交流输入、低压直流输出、高压直流输入、中低压交流输出、中间多变换器模块串并联组合系统部分，其结构拓扑图如图1所示。其中N为MMC子模块个数，M为中间部分DC/DC变换器的个数，Ls为高压交流输入部分网侧等效阻抗，R0,L0分别为高压交流输出部分、上桥臂损耗、下桥臂损耗、滤波电感等。R1则是交流输出网侧滤波电阻，L1是滤波电感[7-8]。
在能量路由器的高压交流输入部分，实现MMC、高压交流电网的结合，但是MMC电路表现出模块化，并与低开关频率形成高波形品质的输出电压，以此减少换流器开关时产生的损耗，实现高效换流器，保持良好的经济性。可利用不同子模块将不同电压、功率进行串联，以此提升拓扑灵活程度[9]。中低压交流输出部分可以根据不同的电压等级采用不同的结构，若输出电压较低可采用传统的三相桥式逆变器，本文书的电压较高，采用MMC结构。
中间部分以多变换器模块组成，但是因为系统本身属于标准化模块，为降低实践周期和开发成本，可以在系统基础上扩容。结合联接方式的差异可分成四个类型：输入并联+输出串联、输入并联+输出并联、输入串联+输入串联、输入串联+输出串联[10]。本文选择使用输入串联输出并联，具体如图1所示。
图1 新型能量路由器结构拓扑图
高压直流输入、低压直流输出两个部分均选择使用DC/DC变换器(Buck-Boost型)。
2 能量路由器控制方法
2.1 高压交流输入控制方法
2.1.1 数学模型
高压交流输入所选择的是MMC结构，具体拓扑图如图2所示。公式中Ls=交流侧等效电感；isj=网侧等效电流；usj(j=a,b,c)=网侧等效电压。R0、L0均属于MMC相桥臂等值损耗电阻与滤波电感(N是指子模块数量、SM是指子模块)，SM、N值需要按照交流侧母线电压进行评估。a、b、c上下桥臂子模块数保持相同，upj是j相上桥臂电压；unj是j相下桥臂电压；ipj是j相上桥臂电流；inj是j相下桥臂电流；Udc是直流侧电压。
图2 高压交流输入部分拓扑图
就基尔霍夫电流定律而言，可将a相网侧输出电流如式(1)表示：
isa=ian-iap
(1)
因为MMC在拓扑结构上表现对称性，因此直流母线Idc当置于a、b、c三相时，出现均匀分布，而
上桥臂、下桥臂间也近似均匀分布，则a相上、下桥臂电流如式(2)所示：
(2)
结合基尔霍夫电压定律的内容，上桥臂、桥臂输出电压可用如式(3)表示:
(3)
通过相减上面两个式子，可判断直流母线电压、上桥臂、下桥臂输出电压的对应关系如式(4)：
(4)
通过求出两者的总和，可以判断网侧输出相电压、上桥臂输出电压、下桥臂输出电压的相互关系，如式(5)所示：
(5)
化简如式(6)：
(6)
因为MMC拓扑结构本表现为两边对称，所以在坐标不变的情况下，可以a相分析结果对其他两相进行类比，可得MMC的数学模型如式(7)：
(7)
由于数学模型中的电压和电流均为交流时变分量，无法对MMC工作原理进行合理分析。为单独控制电流有功分量、电流无功分量，并进行Park变换。在保证其两相旋转坐标系前提下，可利用三相坐标数学模型进行转换，最终得到式(8)所示模型：
(8)
由于上式存在微分变量，为了MMC设计需要，利用拉普拉斯配合MMC转换，并设计式(9)数字模型：
(9)
2.1.2 控制方法
MMC最关键的功能就是满足多种电能形式的转换问题，电流是电能的重要切换入口，在换流器发挥管家作用。所以，MMC以交流侧输入电流、上桥臂电流、下桥臂电流为主要研究对象。
本系统使用直流电流进行控制，外环部分则选用功率控制。具体控制框架如图3所示。
图3 高压交流输入部分控制系统图
(1)内环电流控制
三相静止坐标系中的数学模型清晰度较高，各项指标相对清楚，但是利用MMC交流测试各项物理指标，所得结果都是交流量，在时间的变化下，不利于系统控制器设计，并且没办法单独跟进电流信号有功分量、无功分量问题，上文结合MMC数学模型已对坐标进行转化处理，具体如式(10)所示:
(10)
如上式所示，通过分析dq坐标分布，发现MMC网侧d轴分量、q轴分量间表现耦合关系，为可独立控制无功分量与有功分量，应对公式中微分分量实施有效转化，故引入PI控制器，并结合上式得式(11)：
(11)
其中，idref是d电流参考量、iqref是q电流参考量，可通过控制外环功率计算具体数值。
(2)外环功率控制
在分析三相静止坐标系时，应该以瞬时无功功率理论为基础，在网侧三相交流源部分进行Q和P的输出，具体如式(12)、(13)所示：
(12)
(13)
为了可以单独控制无功功率、有功功率，需要针对式(13)的Park进行转换，并列入dq坐标中，在保持系统稳定的同时，网侧交流电压的Uq=0，具体如式(14)：
(14)
从上式分析可得，MMC网侧输入有功无功功率和输入相电流有功id表现线性关系，而无功功率和输入相电流无功分量iq表现线性关系。通过有效把控id、iq，可单独实现P和Q的控制和管理。使用PI控制器降低稳态误差的影响，具体如式(15)：
(15)
(3)MMC调制方式
MMC以电容电压排序为基础，选择电平逼近调制的手段，与阶梯波调制相类似，控制手段作用机理相对明确，实现容易，效率较高，适用于高电压高电平场合[11-14]。
a相为例，假设不同时刻a相上下桥臂所需子模块数是nu、nd，可用如式(16)表达：
(16)
2.2 高压直流输入部分控制方法
高压直流输入时需要DC/DC变换器(Buck-Boost型)配合，选择使用电压外环电流内环双闭环控制的手段，保持输入直流电压的稳定性。其拓扑结构及控制框图如图4所示。
图4 高压直流输入端口拓扑图及控制框图
2.3 中间部分控制方法
图5 ISOP控制框图
2.4 交流输出部分
如图1所示，在交流输出端口部分，MMC保持与交流电网的连接，但是需要选择使用以电容电压排序为基础的调制手段，以此约束篇幅的增加，使系统有所简化。
2.5 低压直流输出部分
针对低压直流输出端口部分可选择使用DC/DC换流器(Buck或者Boost型)，选择使用电压外环电流内环双闭环的方式进行控制，以此保持输入直流电压的稳定性，具体拓扑结构示意图如图6所示：
图6 中低压直流输出部分拓扑图
3 仿真验证
为了评估新型能量路由器是否适用于本次系统，以MATLAB为基础建立仿真模型(图1所示)。高压交流输入中MMC上下桥臂间应保证有4个子模块，分别以10 kV，50 Hz高压交流配电网连接，高压直流电应保持在10 kV，各个部分均与前文所提出的控制策略相呼应，具体仿真参数如下表所示：
表1 高压交流输入部分参数
表2 高压直流输入部分参数
表3 中间部分参数
表4 中低压交流输入部分参数
表5 低压直流输入部分参数
图7为整体电路运行仿真图。其中，图7(a)为新型能量路由器高压交流部分输出电压波形图；图7(b)为中间部分ISOP系统输出电压波形图；图7(c)和图7(d)分别是中低压交流部分输出电压、低压直流部分输出电压示意图。
图7 仿真系统运行图
4 结论
新型多端口电网能量路由器的开发，对于解决新能源消纳瓶颈，实现城市配电网的高效，可靠和稳定运行，具有非常重要的作用，在理论意义和实践作用方面尤为明显。本文以目前路由器为分析基础，针对性提出满足供电形式多样性和交直流混联的新型能量路由器，分析对应板块的控制手段，与此同时利用仿真试验的方式对控制手段的可行性进行检验。针对性提出新型能量路由器结构的问题，交流输入和输出均采用MMC结构，中间部分采用ISOP系统，可以满足不同形式等级的电源负荷，应用场景比较广阔。
