采用電力電子變壓器的多端口能源路由器

劉顯茁，鄭澤東，李永東

（清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京100084）

采用電力電子變壓器的多端口能源路由器

劉顯茁，鄭澤東，李永東

（清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京100084）

基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景，結(jié)合多繞組高頻變壓器，設(shè)計了一種新型的家庭用多端口能源路由器。這種能源路由器的優(yōu)勢在于具有相對較高的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，同時更易于實現(xiàn)多電壓等級接入，交直流混合，因此更適合于分布式電源及可再生能源的接入。給出了多繞組高頻變壓器的簡化數(shù)學(xué)模型以及基于此的控制方法，同時在最后給出了用于驗證系統(tǒng)正確可行性的仿真及實驗結(jié)果。

能源路由器；多繞組變壓器；分布式發(fā)電

隨著經(jīng)濟與工業(yè)的發(fā)展，我國的能源問題日趨嚴(yán)重，短缺的傳統(tǒng)化石能源與增長的負(fù)荷需求之間的矛盾也日益凸顯。為了緩解能源壓力，世界各國陸續(xù)開展可再生能源與分布式能源的開發(fā)與利用工作，使得新能源技術(shù)與分布式能源技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

我國的風(fēng)能、太陽能等可再生能源資源十分豐富，裝機容量也居世界前列，但是由于這些能源自身的隨機性、波動性以及電網(wǎng)架構(gòu)的特性，目前我國電網(wǎng)對于這些可再生能源及分布式能源的消納能力仍然不足。

因此，為了實現(xiàn)更大程度對可再生能源及分布式能源的接入與利用，同時對能源更高效的傳輸、調(diào)度與變換，這就需要改進目前的電網(wǎng)架構(gòu)向一個更智能、更靈活的方向發(fā)展［1］。

而隨著近幾年電力電子技術(shù)、儲能技術(shù)、直流輸配電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，這種“未來式的電網(wǎng)”的實現(xiàn)已經(jīng)成為可能。2009年，美國未來可再生能源調(diào)度及管理組織（future renewable electric energy delivery and management system，F(xiàn)REEDM）結(jié)合信息互聯(lián)網(wǎng)的概念，提出“能源互聯(lián)網(wǎng)”，旨在通過結(jié)合電力電子技術(shù)，分布式發(fā)電技術(shù)等，實現(xiàn)更智能、更高效、更靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一個未來能源基礎(chǔ)平臺的主要發(fā)展方向［2-5］。除美國外，歐洲、日本等一些發(fā)達國家也相繼提出了類似于能源互聯(lián)網(wǎng)的概念并進行技術(shù)實現(xiàn)。例如德國在2008年提出的E-Energy計劃，將電網(wǎng)的電能信息高度數(shù)字化、信息化，并通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，達到電能高效的調(diào)度與分配；2011—2013年，日本也提出“數(shù)字電網(wǎng)路由器”（digital grid router，DGR）的概念并進行研制，在肯尼亞未通電地區(qū)設(shè)立項目進行實驗［6］，旨在對日本目前電網(wǎng)進行改進，使其類似于互聯(lián)網(wǎng)一樣運轉(zhuǎn)：將“IP”地址分配給地區(qū)內(nèi)的例如風(fēng)電場、光伏場、負(fù)荷等基礎(chǔ)電力設(shè)施，并通過DGR進行調(diào)度控制，同時不同地區(qū)的DGR之間也可以互相傳遞電能。

近幾年，我國也開始了對能源互聯(lián)網(wǎng)方面的研究［7-8］。就在今年5月份，我國四川省電力公司也開始開展能源互聯(lián)網(wǎng)在中國建設(shè)的工作，并陸續(xù)與騰訊公司以及包括清華大學(xué)在內(nèi)的各大高校相關(guān)院系開展合作。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念一經(jīng)提出便在全球范圍引起了廣泛的關(guān)注，而作為能源互聯(lián)網(wǎng)中能源傳輸與轉(zhuǎn)換的樞紐—能源路由器，也成為各國學(xué)者研究的熱點［9］。能源路由器的核心為電力電子變壓器（power electronic transformer，PET），也稱為固態(tài)變壓器（solid state transformer，SST），因為采用了中高頻的電力電子器件，因此可以極大程度減小變壓器的體積和重量。而在功能上除了可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)變壓器對于電能隔離、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)幕A(chǔ)功能外，還可以對輸入輸出的電壓電流進行調(diào)整，提高電能質(zhì)量；同時電力電子變壓器也可以兼有自檢測、自診斷、自保護以及聯(lián)網(wǎng)通訊等功能［10-11］。

目前，大多數(shù)所提出的能源路由器多為兩端口結(jié)構(gòu)，或以將端口并聯(lián)在母線上的方式實現(xiàn)多端口［12-13］，這種結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)多電壓等級較為復(fù)雜，需要大量的變換器，同時端口電壓等級會被限制在一定范圍內(nèi)。本文所提出的多端口能源路由器由于系統(tǒng)隔離變壓器單元采用多繞組結(jié)構(gòu)，因此可以通過改變繞組匝數(shù)來實現(xiàn)較大范圍不同電壓等級的接入。同時對比多繞組變壓器結(jié)構(gòu)與母線結(jié)構(gòu)可以看出，能量在不同端口之間傳輸所經(jīng)過的變換器數(shù)量相對較少，因此系統(tǒng)的效率也會提高。

1　系統(tǒng)特性分析及控制策略

1.1系統(tǒng)簡介

本文所設(shè)計的多端口能源路由器旨在應(yīng)用于家庭用配電系統(tǒng)，在如今直流家用設(shè)備以及變頻設(shè)備越來越多的背景下，希望系統(tǒng)可以實現(xiàn)交直流，不同電壓等級的電源或負(fù)荷的接入。同時隨著電動汽車及屋頂光伏發(fā)電設(shè)備的普及，該系統(tǒng)也能很方便地滿足這些儲能設(shè)備及分布式能源的接入。該能源路由器的核心為多繞組高頻隔離變壓器，各端口再根據(jù)需要，例如光伏端口為實現(xiàn)MPPT，交流端口實現(xiàn)整流，各自連接不同的變換器。圖1為系統(tǒng)的總體原理示意圖。

圖1　能量路由器示意圖Fig.1　The energy router′s scheme

1.2高頻隔離單元及簡化模型分析

多端口能源路由器的多繞組高頻隔離單元采用多主動橋結(jié)構(gòu)（multi-active bridge，MAB），如圖2所示。

圖2　多繞組高頻隔離變壓器Fig.2　High frequency multi-winding transformer

變壓器各個端口的直流側(cè)母線電壓為Udc1～n，母線直流電壓經(jīng)過H橋變換為占空比為0.5的高頻方波，交流側(cè)通過濾波電感與變壓器的高頻繞組相連接。

如果將系統(tǒng)理想化，忽略線路電阻，并將各端口的輸出電壓及等效電感整合到同一端口側(cè)，分別為un'及Ln'，得到高頻隔離單元的等效簡化模型如圖3所示。

圖3　高頻隔離單元簡化模型Fig.3　Simplified model of high-frequency isolation unit

可以通過此模型得到各個端口電壓與電流的關(guān)系，如下式所示：

為了方便討論，進一步假設(shè)各端口整合后電壓及相同為Udc，那么任意兩端口間電壓及電流波形如圖4所示。

圖4　任意兩端口間電壓及電流波形Fig.4　Voltage and current waveforms of two ports

通過計算可以得出隔離單元任意2個端口間的平均傳輸功率大小。對于j端口，將其與所有端口的傳輸功率疊加，即可得到該端口的功率傳輸大小，如下式所示：

其中

可以看出，在端口電壓幅值、各繞組串聯(lián)電感及H橋開關(guān)頻率一定時，端口的傳輸功率與該段同其他端口的相位差有關(guān)。

1.3控制策略

由式（2）可以看出，各端口的傳輸功率與該端口同其他端口輸出電壓的相位差相關(guān)。而對于端口電壓，由于端口母線電壓與存儲能量的關(guān)系為，可以看出，端口母線電壓與端口傳輸功率大小相關(guān)，進而與端口相位相關(guān)。

從上面的分析可以看出，端口功率及電壓與端口相位具有非線性關(guān)系，采用解析法和迭代法都較為復(fù)雜，需要大量的計算，實現(xiàn)較為困難。由于在實際系統(tǒng)運行中，各端口之間的相位差很小，而在此相位差范圍內(nèi)，通過式（2）可以看出，端口功率與端口相位的關(guān)系可以近似做線性化處理。

綜上，對于本文中的多端口能源路由器，采用如下的控制策略：將1個端口設(shè)為參考端口，也即以此端口輸出電壓相位為零相位，同時該端口為參考電壓端口，以保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。對其余的每個端口各自設(shè)置1個PI控制器，根據(jù)各端口需要控制的電壓或功率設(shè)置參考值及實際采樣值，每個PI控制器的輸出為該端口的相對相位值，如圖5所示。

圖5　高頻隔離變壓器控制策略Fig.5　Control strategy of high frequency isolation transformer

2　仿真及實驗

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計

為了驗證本文所提出多端口能源路由器及控制策略的正確可行性，進行了相關(guān)仿真及實驗。本文用于仿真及實驗所設(shè)計的為6端口能源路由器，6個端口分別與單相電網(wǎng)（交流220 V），光伏（直流48 V），儲能（直流48 V），低壓直流負(fù)載（直流48 V），高壓直流負(fù)載（直流400 V）以及交流負(fù)載（交流220 V）。

仿真給出了系統(tǒng)在并網(wǎng)與離網(wǎng)兩種狀態(tài)下系統(tǒng)的功率及電壓波形。通過兩端口的實驗驗證了控制策略的正確可行性。

2.2仿真結(jié)果

仿真采用Matlab/Simulink進行系統(tǒng)模型的搭建。

在并網(wǎng)狀態(tài)下，將電網(wǎng)端口設(shè)為參考端口；將光伏端口設(shè)置為功率控制端口并運行在MPPT工作模式，以得到最大的功率輸出；將儲能端口設(shè)置為功率控制端口；將低壓、高壓直流及交流負(fù)荷端口設(shè)置為電壓控制端口以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

而在離網(wǎng)狀態(tài)下，則將光伏端口設(shè)為參考電壓控制端口，并將儲能端口設(shè)置為功率控制端口以補充光伏輸出功率與負(fù)荷功率之差，3個負(fù)荷端口仍然設(shè)置為電壓端口。通過圖6、圖7所示的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在0.5 s內(nèi)可以到達預(yù)期的穩(wěn)態(tài)。

圖6　并網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.6　Results of grid-connect simulation

圖7　離網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.7　Results of off-grid simulation

2.3實驗結(jié)果

本文實驗平臺采用主從式的控制方式，主控板對各個端口母線電壓及電流信息進行采集并處理計算，根據(jù)計算結(jié)果向各個分控板發(fā)送控制指令，分控板根據(jù)控制指令對各自的H橋發(fā)出驅(qū)動信號。

本文以2個端口的實驗為例：輸入端口為10 V的直流電壓源，并設(shè)置為零相位參考端口，對輸出端口采用相位-電壓控制方式，將輸出側(cè)母線電壓控制在20 V，兩端口的電壓及輸出側(cè)電流的波形如圖8所示。

圖8　實驗結(jié)果Fig.8　Results of experiment

通過電壓及電流波形可以看出，輸出端口輸出方波通過移相來控制端口流動功率的大小，進而控制端口母線電壓的幅值，最終將電壓控制在預(yù)期值，驗證了控制策略的可行性。

3　結(jié)論

本文提出了一種新型多端口能源路由器，由于采用了高頻隔離變壓器，因此在減少變壓器的體積和重量的同時，也更便于多電壓等級和交直流混合系統(tǒng)的實現(xiàn)，更適用于家庭配電系統(tǒng)以及分布式電源與儲能設(shè)備的接入。

本文通過對于多繞組高頻隔離變壓器的分析，得出了簡化等效模型，并基于此給出了功率及電壓控制策略。最后，通過仿真及實驗驗證了該系統(tǒng)的正確可行性。

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Multi-port Energy Router with Power Electronic Transformer

LIU Xianzhuo，ZHENG Zedong，LI Yongdong
（State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Proposed a novel house-used energy router based on high frequency multi-winding transformer，which caters for the energy internet.This energy router has the advantages of higher energy density and transfer efficiency as well as easier to realize a multi-voltage and AC-DC hybrid system，thus the energy router is more suitable for distribution and renewable generations.A simplified model of the high frequency multi-winding transformer and the control method are given in this paper，at the end the results of simulation and experiments are given.

energy router；high frequency multi-winding transformer；distribution generation

TM432

B

2015-09-18

劉顯茁（1991-），男，在讀碩士研究生，Email：liuxz10@yeah.net