交直流多端口户用型能量路由器协调控制策略

杨新华 张景帆

交直流多端口户用型能量路由器协调控制策略

杨新华 张景帆

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州 730050）

能量路由器是家庭区域能源网与电网之间能量接口的重要组成部分，本文针对一种交直流户用型能量路由器结构，研究设计实现分布式发电、储能系统、电网与负荷之间能量平衡的协调控制策略。为延长由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统中蓄电池的使用寿命，设计模糊控制算法电源管理策略；采用改进的下垂控制策略，实现户用型能量路由器并网时的平滑切换，提高系统的鲁棒性。在Matlab/Simulink平台上搭建户用型能量路由器仿真模型进行分析，仿真结果表明，本文所研究控制策略在保持系统稳定性的同时，能够有效抑制可再生能源输出波动及负载变化带来的影响。

能量路由器；混合储能；协调控制；模糊控制；下垂控制

0 引言

为满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出局部消纳的方法，以微电网、智能小区为单元，形成自下而上的能量互联单元，保证新能源电力及储能系统、能量管理系统等形成电网渗透率可控、能源就地消费的能源互联网[1]。能量路由器作为能源互联网的核心和关键设备，可视为电力系统追求开放的一种自然需求，也可视为电力电子设备研究网络层面与系统层面的延伸，具备能量的双向流动，优化电源端与电力负荷端的需求，在电力物联网配网侧有重大意义，实现电力系统 “源-网-荷-储”各环节信息流的互联[2-3]。

近年来，围绕分布式能源大规模部署的需求，相关学者在智能家居能源管理领域开展了大量工作。文献[4]提出户用型能量路由器根据各端口信息和内部直流母线电压实现各个层区之间的无缝切换和协调管理，但该文献并未考虑能量路由器并网情况下的工作状态。文献[5]针对新型多端口电能路由器，采用功率交叉解耦策略实现功率协同控制和三相电压与负荷不平衡情况下交流端口的控制。文献[6]研究了一种针对家庭区域直流微电网的能量管理系统，采用模糊逻辑控制器对电池的荷电状态（state of charge, SOC）进行期望状态管理。文献[7]提出基于下垂移相的三端口直流能量路由器，将单个微电网下垂特性进行标幺化，以减小微电网母线电压偏差，确保各种模式下稳定运行。文献[8]提出家用能量路由器的协调控制策略，并针对家用能量路由器的功率分配特性进行分析，建立了低压小容量家用能量路由器的典型应用场景。文献[9]为了平滑可再生能源发电与负载的波动对家用能量路由器造成的影响，提出一种实用的考虑单位时间充电的模糊逻辑控制器，提高了用户侧经济效益。

针对目前户用型能量路由器研究中存在的问题，本文采用无隔离变压器结构的户用型能量路由器，意在提高其功率密度，简化系统结构。基于此结构，设计协调控制策略，利用模糊控制方法实现能源的最大利用，延长蓄电池的使用寿命，提高系统的稳定性。为实现交直流多端口能量路由器的可靠并网，在能量路由器中AC-DC变换器端口采用改进的下垂控制实现能量路由器在各种工况下的平滑切换，通过仿真证明控制策略的可行性。

1 能量路由器结构

户用型能量路由器是实现低电压小容量负载、交直流混合供电、分布式电源即插即用、能源灵活管理的关键设备。典型户用型能量路由器的结构如图1所示。

图1所示户用型能量路由器拓扑结构包含五个端口，分别是电网端口、交流负载端口、直流负载端口、光伏电池端口、混合储能端口。结构中光伏电池通过Boost变换电路接入直流母线；混合储能端口包括蓄电池与超级电容接口，分别通过双向DC-DC变换器并联接入直流母线来释放或吸收电能，双向DC-DC变换电路通过IGBT的导通方式来决定储能单元充放电模式；电网端口将电网能量输入能量路由器；交流负载端口为负载供电并接入电网；直流负载端口具有独立的Buck变换器，以实现对低压直流负载供电。

图1 户用型能量路由器结构

能量路由器运行模式分为停机、并网、孤岛三种模式，如图2所示。并网模式与孤岛模式对应工

作状态，停机模式下，能量路由器暂停工作等待起动命令。孤岛模式下，变换器根据自身下垂曲线和负载功率运行工作点，通过电压、电流双闭环控制为直流母线提供电压、频率支撑[10-11]。孤岛模式下存在可再生能源输出变化及负载突变而造成直流母线电压波动的问题，为解决这一问题，在系统中接入由蓄电池与超级电容组成的混合储能元件，通过蓄电池与超级电容充放电来平抑直流母线电压的波动。并网模式下，通过功率闭环调节下垂曲线，并通过电压、电流双闭环控制使变换器跟随有功功率和无功功率指令工作。

图2 能量路由器运行模式

2 能量路由器协调控制策略

2.1 DC-AC变换器控制策略

户用型能量路由器主要面对户级用户或小型社区，其特点是负荷容量较小，考虑到并/离网无缝切换的要求，选择下垂控制作为其控制策略。在并/离网双模式下稳定运行时，两种模式之间能否平滑切换则是能量路由器稳定运行的关键问题之一。本文在传统下垂控制基础上增加相位前馈补偿，实现在工作模式转换过程中能量路由器并网端口频率、电压、相位与主电网之间的无差控制，从而实现在并网的过程中平滑切换。

通过积分环节消除误差使端口电压接近主网电压。系统频率调节也采用同样方法。

2.2 基于功率的混合储能系统电流跟踪控制策略

混合储能系统由蓄电池与超级电容组成，利用其互补优势稳定直流母线电压。混合储能系统的充放电控制框图如图4所示，蓄电池和超级电容分别通过非隔离Buck/Boost电路并联连接到直流母线[13]。双向DC-DC变换器采用电流跟踪控制方式，相比于直接控制充电或放电电流的方法，可以更好地维护瞬时功率的平衡。

图4 混合储能系统的充放电控制框图

从满足系统功率平衡考虑，有

式中：dc为母线侧电容；dc为直流母线电压；pv为光伏输出功率；bat为蓄电池充放电功率；sc为超级电容充放电功率；ac为负载消耗功率。

在母线电压恒定的情况下，推导公式为

考虑蓄电池与超级电容所担任的角色，能量路由器中蓄电池负责平抑系统内部大部分能量波动，超级电容主要用于改善当系统可再生能源输出波动及负载变化时直流母线电压的瞬时特性，电流跟踪控制主要通过控制双向DC-DC变换器中电感电流的变换调节占空比，从而调节蓄电池与超级电容之间的充电或放电电流，蓄电池或超级电容之间电压电流的关系为

基于式（5）推导出DC-DC变换器调制电压及调制信号为

式中：p为比例系数；i为积分系数；sref为参考电流。

3 能量路由器电源管理策略

3.1 模糊逻辑控制的设计

混合储能系统作为户用型能量路由器的能量缓冲器，抑制分布式能源接入系统所引起的功率波动。传统的混合储能功率分配采用分频控制，原则上超级电容承担功率波动高频部分，蓄电池承担功率波动低频部分，该方法并未根据储能元件的荷电状态进行分配。同时也存在其他方法，如文献[14]通过小波分解对系统的功率进行分配，以减少蓄电池频繁放电并提高超级电容吸收高频功率、平抑可再生能源的波动，但是系统过于复杂不利于分析。而本文采用模糊控制的方法，通过模糊控制器近似推理，实现对储能元件的合理分配。

下面根据能量路由器的运行工况，采用模糊控制算法对混合储能系统储能元件进行管理。根据确定的隶属度函数，对蓄电池荷电状态、蓄电池充放电状态、光伏输出功率与负荷之间的需求这三个变量进行模糊化，得到相应的状态语言变量；再按照模糊推理将所得的模糊变量去模糊化，使其应用在能量路由器实际运行场景中。

图5 输入、输出隶属度函数

3.2 模糊逻辑规则的建立

通过上述分析，根据蓄电池与超级电容充放电的基本特性建立模糊逻辑规则，设计功率分配方案，减少储能元件的放电状态，通过分类得到三种状态如图6所示。

图6 状态分类

由此设定以下规则：

根据上述所设定的规则，设计模糊逻辑规则见表1。

表1 模糊逻辑规则

图7 输入输出隶属度函数三维图

4 仿真验证

为了验证本文所采用协调控制策略能实现对能量路由器各端口的合理分配，在Matlab/Simulink仿真平台搭建了图1所示户用型能量路由器系统仿真模型。能量路由器中电池采用锂电池模型，分布式能源光伏模型采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）算法，充分利用光伏输出功率。当光照强度为1 000W/m2，温度为25℃时，最大输出功率为5kW。系统主要仿真参数见表2。

表2 系统主要仿真参数

1）户用型能量路由器从孤岛模式向并网模式过渡的特性

图8 负载消耗和储能系统总充放电功率

图9 不同工况下直流母线电压

图10 不同工况下蓄电池和超级电容充放电功率

图11 不同控制策略下的蓄电池荷电状态对比

相位预同步波形如图12所示，在预同步过程中，大约在1.3s时实现相位同步。且在切换模式时电压波形连续，相比于传统下垂控制，电压波形没有出现失真与突变。改进下垂控制与传统下垂控制的交流三相电压波形如图13所示。

图12 相位预同步波形

图13 交流三相电压波形

2）户用型能量路由器并网模式特性

分析户用型能量路由器在光伏发电输出功率变化时的并网模式特性。光伏输出功率和储能系统总充放电功率如图14所示，太阳辐照度在0.4s、0.6s、1.0s时刻发生变化，光伏输出功率在0.4s时从3kW增加到5kW，在0.6s时减少到2kW，在1.0s时增加到4kW。同时，有功负荷功率保持在5kW，无功负荷保持在0。图15为并网模式下直流母线电压。图16为并网模式下蓄电池和超级电容充放电功率，在初始情况下光伏输出小于负荷需求，此时根据储能元件特性超级电容迅速放电防止母线电压下跌，随后蓄电池在模糊控制器的控制下持续放电直到系统内部能量平衡。在0.4～0.6s光伏输出和负荷需求之间能量平衡，超级电容与蓄电池既不充电也不放电。在0.6s之后光伏输出一直小于负荷需求，处在供不应求的状态下，在模糊控制器的控制下，蓄电池与超级电容一直处在交替充放电状态来平抑光伏输出功率波动所带来的影响。直流母线电压的波动在整个系统运行过程中维持在0.5%以内。所得结果充分验证了所提控制策略在实现功率精准分配的同时也同样能维持母线电压稳定。当蓄电池处在连续放电过程中时，传统分频控制与模糊控制相比较，如图17所示，蓄电池放电达到一定下限时，采用模糊控制的蓄电池放电相对缓慢，有利于延长蓄电池寿命。

图14 光伏输出功率和储能系统总充放电功率

图15 并网模式下直流母线电压

图16 并网模式下蓄电池和超级电容充放电功率

图17 蓄电池荷电状态

5 结论

本文针对户用型能量路由器，分析了各端口的电路结构，设计了基于端口的能量协调控制策略。为提高系统的稳定性，延长混合储能系统中蓄电池的使用寿命，采用模糊控制算法制定了电源管理策略。为提高户用型能量路由器平滑并网特性，采用改进的下垂控制。在Matlab/Simulink平台上建立仿真模型，仿真结果表明：

1）所提改进下垂控制能够实现户用型能量路由器平滑并网。

2）所提基于模糊控制的电源管理策略，对保持户用型能量路由器内部瞬时功率平衡和抑制分布式能源输出与负荷消耗突变所产生的功率波动具有明显的效果。

[1] 陈敏, 李义强, 田浩, 等. 户用型能量路由器的微电网应用技术[J]. 太阳能, 2018(1): 58-61.

[2] 曾林翠, 金猛, 王莉, 等. 能量路由器在泛在电力物联网配网侧的应用研究[J]. 电气技术, 2020, 21(2): 77-80, 118.

[3] 余晓丹, 徐宪东, 陈硕翼, 等. 综合能源系统与能源互联网简述[J]. 电工技术学报, 2016, 31(1): 1-13.

[4] 王建元, 张泽强, 宋月航. 户用型能量路由器控制策略研究[J]. 电测与仪表, 2021, 58(6): 174-179.

[5] 文武松, 赵争鸣, 莫昕, 等. 基于高频汇集母线的电能路由器能量自循环系统及功率协同控制策略[J]. 电工技术学报, 2020, 35(11): 2328-2338.

[6] CHEN Yu-Kai, WU Yung-Chun, SONG Chau-Chung, et al. Design and implementation of energy mana- gement system with fuzzy control for DC microgrid systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(4): 1563-1570.

[7] 涂春鸣, 栾思平, 肖凡, 等. 基于下垂移相的三端口直流能量路由器功率协调控制策略[J]. 电网技术, 2019, 43(11): 4105-4114.

[8] LI Zhen, LI Penghua, SHENG Wangxing, et al. Research on a household energy router for energy internet[C]//2018 13th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Wuhan, 2018.

[9] LIU Bin, WU Weihan, ZHOU Chunxiao, et al. An AC- DC hybrid multi-port energy router with cordinated control and energy management strategies[J]. IEEE Access, 2019, 7: 109069-109082.

[10] 梁建钢. 微电网变流器并网运行及并网和孤岛切换技术研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2015.

[11] 郑文迪, 刘丽军, 曾静岚. 采用改进相位控制方法的微网并网/孤岛平滑切换策略[J]. 电网技术, 2016, 40(4): 1155-1162.

[12] 王晓寰, 张旭东, 郭红强. 基于相位簇扰动的下垂控制并网逆变器孤岛检测[J]. 电工技术学报, 2020, 35(8): 1728-1738.

[13] 柳丹, 张宸宇, 郑建勇, 等. 基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略[J]. 电器与能效管理技术, 2016(6): 47-52.

[14] 郑熙东, 江修波. 基于小波分解的含备用系统混合储能系统功率分配[J]. 电气技术, 2020, 21(7): 30-34.

[15] 郑熙东, 江修波. 基于完备经验模态分解与能量熵的混合储能系统功率分配[J]. 电气技术, 2020, 21(11): 61-65, 70.

Coordinated control strategy of AC/DC multi-port household energy router

YANG Xinhua ZHANG Jingfan

(School of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

Energy router is an important part of the energy interface between home regional energy network and power grid. Aiming at an AC/DC household energy router structure, this paper studies and designs the energy balance coordination control strategy between distributed generation, energy storage system, power grid and load. To extend the battery life in the hybrid energy storage system composed of batteries and supercapacitors, fuzzy control algorithms and power management strategies are designed. The improved droop control strategy is adopted to realize the smooth switching of household energy router when connected to the grid, and improve the robustness of the system. The home energy router simulation model is established and analyzed on the Matlab/Simulink platform. The simulation results show that the control strategy studied in this paper can effectively restrain the influence of renewable energy output fluctuations and load changes while maintaining the stability of the system.

energy router; hybrid energy storage; coordinated control; fuzzy control; droop control

2021-09-29

2021-11-05

杨新华（1966—），男，教授，主要研究方向为电力电子与特种电源。