交直流混合多端口能量路由器拓扑与控制研究

王加澍，王颖，李梦月，张健，居荣，马刚

(南京师范大学 电气与自动化工程学院，江苏 南京 210046)

0 引 言

为了缓解能源危机，提高可再生能源发电水平，国内外学者们提出了能源互联网战略[1-2]。能量路由器是能源互联网的重要组成部分，不仅可以作为传统变压器实现电压变换，还可以提供电压隔离和不同电压等级的交直流端口，实现不同分布式发电装置的接入[3]。

能量路由器的拓扑结构及控制策略作为能源互联网的研究热点，受到了专家们的广泛关注。在拓扑结构方面，文献[4]设计的三级式模块化结构为能量路由器的典型结构。文献[5]提出一种新型能量路由器结构，能满足多电压等级需求。文献[6]针对交直流混合微网能量路由器，分析了四种工作模态及其切换方式。目前大多采用下垂控制方法[7-8]，但当线路参数变化较大时会造成系统功率失衡，不利于电网的运行。文献[9]利用虚拟同步机控制策略，提高了系统的阻尼及惯性。文献[10]针对应用于直流微电网的能量路由器，提出一种标幺化下垂移相控制方法，实现不同工况下微网间能量合理分配。

在上述背景下，本文在传统的电力电子变压器的基础上，提出了交直流混合多端口能量路由器的拓扑与控制方法，拓扑采用的分布式控制方法无需对各个端口的能量进行实时采集，只需通过直流母线的电压变化做出相应的功率调整即可实现端口间能量的平衡。此外，能量路由器在实现高低压侧能量稳定传输的同时还能隔离传输干扰，提高了配电网电能质量。

1 能量路由器拓扑

能量路由器的拓扑模型如图1所示，由输入级、隔离级和输出级三部分构成。来自电网10 kV的交流电经过级联H桥电路整流器转换为中压直流电。隔离级采用双向DC/DC变换器，实现端口间的电气隔离功能。输出级包括低压交、直流端口。

图1 能量路由器拓扑图

2 能量路由器控制策略

对能量路由器整体采用分布式控制方法，将负载侧的直流母线电压作为衡量系统内平衡的唯一标准。理由如下：

(1)公共直流母线有利于分布式电源及负载接入。

(2)当负载侧接入各种功率等级的负载时，低压交、直流端口的功率也会发生变化，从而导致功率平衡被破坏，直流母线电压也会改变。

2.1 整流级控制策略

H桥级联电路与电网直接相连，将交流电逆变为直流电，并需保持直流侧电压的稳定。H桥级联电路在三相静止坐标系的数模模型如式(1)所示。

(1)

式中:Vsa(t)、Vsb(t)、Vsc(t)分别为电网的三相瞬时电压值;Vca(t)、Vcb(t)、Vcc(t)分别为整流级交流侧瞬时电压值;ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为整流级交流侧瞬时电流值;L为网侧电感;R为线路阻抗。

为了简化模型，将式(1)静止坐标系下的电流电压变换到dq同步旋转坐标系下，变换后的电流方程如式(2)所示。

(2)

(3)

图2 H桥级联电路的双环控制原理图

此外，还需考虑级联H桥电路直流侧电容电压的稳定，应用基于均压环的直流侧电容电压控制策略平衡电容电压。将直流侧电压Vdci(i=1,2,…,N)与参考电压相比较，经过PI控制得到H桥的d轴补偿量△di，再与原始的调制量dd相加经过dq反变换得到H桥各级的调制信号di，如图3所示。

图3 直流侧电容电压平衡控制原理图

2.2 隔离级控制策略

经过H桥级联电路产生的高压直流需通过DC/DC换流器实现电压等级变换，本文采用双向隔离型全桥DC/DC变换器(dual-active-bridge,DAB)。DAB采用移相角控制方法，通过控制变压器桥臂上驱动信号的相角差实现不同大小的功率双向流动，从而灵活控制传输功率。DAB的传输功率为[11]：

(4)

式中:P为DAB传输的有功功率;n为变压器变比;UH和UL分别为DAB的输入端和输出端的电压;I为输入端电流;d为移相角差;fs为开关频率;Ls为变压器漏感。

图4 DAB级控制原理图

2.3 输出级控制策略

2.3.1 低压交流端口的控制

低压交流端口的控制目标为将DAB隔离级输出的低压直流电逆变为工频所需的380 V交流电，且当网侧电压和负载发生波动时保证端口电压的稳定，作为标准化接口供交流负载接入，采用电压电流前馈的双环控制。

2.3.2 低压直流端口的控制

DAB输出电压经过Buck-Boost电路连接直流负载，其控制目标是提供大小恒定的400 V直流电，以供光伏、风电、电动汽车和负载等接入，采用电压电流双闭环控制。

3 仿真验证

为了验证所提拓扑及控制策略的有效性，本文根据图1能量路由器拓扑在MATLAB/Simulink中搭建了相应的仿真模型，具体参数设置如表1所示。

表1 仿真参数

图5为能量路由器由空载到接入负载的暂态仿真图。在0.5 s前，10 kV配电网给级联H桥直流侧电容充电并建立完直流母线电压；在0.5 s时低压交流端口接入32 kW负载，直流端口接入22 kW负载。图5(a)和图5(b)分别为低压交流端口的电压和电流波形，在0.5 s时端口电流增大，电压几乎没有变化。由图5(c)可知，低压直流端口的电压在短暂的波动后迅速恢复到400 V稳定值。端口电压的稳定依赖于分布式控制方法，当负载端口功率增大时会从直流母线上吸收功率来平衡端口电压，母线电压的变化如图5(d)所示。

图5 能量路由器暂态仿真波形

图6为能量路由器接入负载后稳态仿真图。从图6(a)和图6(b)可以看出，交直流负载端口带负载运行在稳态时，端口电压和电流波形良好。另外，低压直流端口设计值为400 V，稳态运行时平均值大小为403 V，见图6(c)，误差小于1%。由于不需从母线吸收功率，母线电压几乎不变，见图6(d)。

图6 能量路由器稳态仿真波形

此外，能量路由器还具有改善电能质量的作用。设定1.10 s～1.30 s，电网电压暂降50%，如图7(a)所示。经过DC/DC隔离电路的控制，低压直流母线依然稳定在500 V的标准值，见图7(b)。当电网电压暂升50%，如图8(a)所示。低压直流母线电压受到的影响可以忽略，见图8(b)。说明当电网电压暂降/暂升时，经过能量路由器隔离调节，几乎不会对低压负载端口产生影响。

图7 电网电压暂降50%仿真波形

图8 电网电压暂升50%仿真波形

4 结束语

建立了能量路由器的拓扑模型，提出一种分布式控制策略。当端口负载发生突变时，端口电压仍能稳定在标准值，使能量路由器提供不同电压等级的交、直流标准化接口。此外，能量路由器能够改善电能质量问题，在为提供标准电压的同时，还可以有效缓解电网电压畸变。最后通过仿真验证了结论的有效性。