應用于通信電源系統(tǒng)的MMC電能路由器研究

楊昆，李菡

(1 河北省標準化研究院，石家莊 050000；2 中移在線服務有限公司河北分公司，石家莊 050000)

隨著信息科技和通信技術發(fā)展，通信設備對供電可靠性要求越來越高，用電量也日益增加。目前通信電源系統(tǒng)包括市電、柴油發(fā)電機組、UPS提供的380 V/220 V交流電源，蓄電池、開關電源提供的-48 V直流電源，以及近年開始在通信行業(yè)、數(shù)據(jù)中心推廣應用的336 V和240 V高壓直流電源。通信電源種類和供電設備繁多，不同等級電源和用電設備兼容需要大量電能變換裝置，導致供配電系統(tǒng)復雜，可靠性差，設備投資高且重復投資、電能損耗大等問題，因此需要研究能夠整合通信供配電系統(tǒng)各種電源、并實現(xiàn)電能高效管理利用的智能化電氣連接和電能管理方法。

在微電網(wǎng)技術中，電能路由器從需求側(cè)出發(fā)管理電力負荷和分布式電源，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行效率和電能質(zhì)量，可以實現(xiàn)各種分布式電源和負載在微電網(wǎng)中的互聯(lián)和可靠管理，并簡化電源系統(tǒng)結構。以電能路由器為核心，構建包含市電并網(wǎng)端，電能變換裝置（高、低壓開關電源），自備應急電源（柴油發(fā)電機）、直流儲能節(jié)點（蓄電池組）等多個分布式能源系統(tǒng)以及網(wǎng)級控制裝置（電能路由器）的通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)，給通信機樓、數(shù)據(jù)中心各種傳輸、交換、IT設備供電可以有效解決上述問題。

本文為構建通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出適用于通信核心局的MMC電能路由器，設計路由器硬件電路，分析其工作原理、數(shù)學模型，并提出控制方法。在Mabtlba/Simulink中搭建MMC電能路由器仿真實驗平臺，驗證MMC電能路由器控制方法的有效性，并且說明了電能路由器互聯(lián)各種電源設備，簡化電源系統(tǒng)，實現(xiàn)主動功率控制和提高電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能和可行性。

1 基于電能路由器的通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)結構

1.1 現(xiàn)有通信核心局電源系統(tǒng)架構及問題

圖1 現(xiàn)有通信核心局電源系統(tǒng)架構

由于通信核心局耗電量大，為提高供電容量并方便運營單位管理維護，通信電源系統(tǒng)通常采用以集中供電方式為主的樹干式結構，拓撲結構如圖1所示，從中、高壓市電開始逐級變換、分配電能。在通信核心局中集中設置高低壓變配電室，通過電力變壓器將10 kV中壓交流電變換到380 V/220 V低壓交流電，再通過低壓配電柜將電能分配到各電力電池室。電力電池室電源系統(tǒng)包括交、直流配電箱/屏、UPS電源、-48 V開關電源、336 V高壓直流電源、蓄電池組等電源設備，根據(jù)不同負載的供電等級和電源需求，給各種通信負載和空調(diào)、電氣消防、智能化等建筑負載供電。

這種樹干式多級變換的通信電源系統(tǒng)拓撲主要問題在于：網(wǎng)絡結構復雜，電源種類和供電設備繁多；不同電源和用電設備之間不兼容，需要大量電能變換裝置，導致網(wǎng)絡損耗大；不同種類電源之間為上下游關系，電能從交流市電到通信電源設備再到負載單相流動，能量不能交換，為保證通信可靠性，各類電源、各個供電節(jié)點需要設計備用單元，導致設備利用率低，系統(tǒng)冗雜；電源系統(tǒng)工作于穩(wěn)壓模式，功率潮流開環(huán)，不能主動控制，調(diào)度靈活性低；故障點多，運維成本高，可靠性差。

1.2 電能路由器及通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)結構

1.2.1 電能路由器功能框圖及硬件架構

采用電能路由器構建通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)解決上述問題，路由器功能框圖及硬件架構如圖2(a)所示。圖中（1）、（2）、（3）分別為 380V 交流、-48 V直流、336 V直流母線，（4）、（5）分別是雙向交流/直流（AC/DC）和雙向直流/直流（DC/DC）電力電子變流器，（6）是電能路由器控制單元，（7）并網(wǎng)開關。通過控制單元內(nèi)部傳感器反饋3條母線電壓電流信息，并根據(jù)設定的電能路由器工作模式、母線電壓參數(shù)、電流和功率調(diào)度指令進行計算，產(chǎn)生符合控制要求的驅(qū)動脈沖控制雙向AC/DC、DC/DC變換器工作，實現(xiàn)穩(wěn)定母線電壓、控制有功和無功在各條母線間流動的功能，同時控制單元監(jiān)控、交直流電網(wǎng)、電能路由器本體和并網(wǎng)電源、負載設備的工作狀態(tài)，在電網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點異?；蚬收蠒r，通過控制路由器有功、無功或給并網(wǎng)電源設備發(fā)送聯(lián)動指令排除故障，電網(wǎng)故障無法排除時斷開并網(wǎng)開關隔離故障，保證通信核心局微電網(wǎng)的安全運行。在單一母線故障情況下，通過雙向AC/DC、DC/DC變換器將其它母線能量饋入故障母線，實現(xiàn)不間斷供電能力。

1.2.2 電能路由器在通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)的應用

基于電能路由器組網(wǎng)的通信電源微電網(wǎng)架構如圖2(b)所示，采用電能路由器產(chǎn)生380 V/220 V交流母線，以及336 V和-48 V直流母線，設計初期選擇足夠大載流量的母線，后期負載增加時，只需增加電能路由器和相應配電屏即可滿足擴容需求。由于電能路由器具有通信核心局配電網(wǎng)中3種電源種類接口，可以省去大量開關電源、整流器等電能變換設備，簡化網(wǎng)絡；不同電源之間能量能夠進行交換，因此各母線上電源設備可以互為備份，可以有效提高電源設備利用率，減少相同種類電源備份，并且根據(jù)情況省去UPS電源；各母線都接有相應備用電源設備，當外市電故障斷電，或微電網(wǎng)內(nèi)部某分布式電源故障停機時，通過電能路由器將其它母線電源設備能力饋入故障母線，保證通信設備的不間斷供電，提高電源系統(tǒng)可靠性。

圖2 電能路由器功能框圖及通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)架構

2 MMC電能路由器及控制方法

2.1 MMC電能路由器結構及工作原理

電能路由器主電路拓撲是其實現(xiàn)功率變換和各種控制要求的主體，根據(jù)電能路由器輸出交流380 V/220 V、直流-48 V和直流336 V三種電源電平的需求，采用具有3種電平輸出的模塊化多電平變換器（MMC）拓撲結構進行改進，設計滿足通信微電網(wǎng)應用的電能路由器。其結構如圖3(a)所示，圖中（1）、（2）、（3）分別為三相交流、低壓直流和高壓直流端子。

路由器每一相分上下兩個橋臂（下標p、n分別表示上下橋臂），每個橋臂由一個橋臂電感Lr和N個子模塊（圖中的SM模塊）串聯(lián)組成。上下橋臂電感感值相等，其作用一部分是作為輸出電感抑制交流電流輸出諧波，另一部分是作為直流母線間的能量緩沖，抑制環(huán)流。子模塊的結構如圖中所示，每一個子模塊由支撐電容C、低壓蓄電池組和S1、S2兩只IGBT開關管構成，路由器正常工作時子模塊直流電壓設計為U*SM，當子模塊上管S1開通，下管S2關斷時，橋臂電流流經(jīng)直流側(cè)蓄電池和電容，子模塊直流電壓串入電路，此時其交流端輸出電壓為Uab=U*SM；反之，當子模塊上管關斷，下管開通時，橋臂電流流過下管，子模塊直流電壓被旁路，此時其交流端輸出電壓為Uab=0。每個橋臂通過控制串入或者旁路的子模塊數(shù)量來控制整個橋臂的輸出電壓Uarm從0～NU*SM之間階梯變化。經(jīng)過橋臂電感濾波后，每個橋臂輸出電壓基波可以等效為一個受控電壓源，通過調(diào)制方法控制上下橋臂輸出電壓，進而控制三相橋臂中點輸出交流電壓UcABC。變壓器原副邊變比為0.5，使電能路由器交流輸出為Ucabc=UcABC，其作用是匹配電平以滿足通信電源系統(tǒng)應用需求，同時減少MMC所需子模塊數(shù)量，降低控制系統(tǒng)復雜度和制作成本。在任意時刻，控制每一相上下兩橋臂串入電路的子模塊總數(shù)量為N，則公共高壓直流母線電壓始終保持在

為滿足通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)應用需求，將電能路由器三端分別作為380 V交流、-48 V低壓直流和336 V高壓直流母線。考慮到電路壓降和實際單體電池電壓，令每個橋臂子模塊數(shù)量N=6，子模塊電壓U*SM=60 V，公共直流母線電壓Udc=NU*SM=360 V。采用載波移相調(diào)制方法控制電能路由器內(nèi)部各子模塊開關工作，設調(diào)制信號調(diào)制比為M，相位為ω0t，則交流側(cè)輸出電壓基波控制關系如公式（1）所示，通過調(diào)節(jié)調(diào)制比和相位，控制交流端子輸出與市電同步的380 V交流，滿足并網(wǎng)和交流側(cè)功率控制需求。通過控制子模塊開關狀態(tài)，調(diào)整串入電路子模塊數(shù)量，及可實現(xiàn)交流側(cè)、子模塊直流側(cè)和公共直流側(cè)能量的交換。

2.2 MMC電能路由器等效電路

根據(jù)上述原理闡述，首先忽略變壓器影響，只考慮低壓側(cè)輸出電壓UcABC，則MMC電能路由器單相等效電路如圖3(b)所示，圖中Ux（x=a，b，c）為市電三相交流電壓，ix（x=a，b，c）為交流電流，每相橋臂子模塊數(shù)目為N=6，三相的上下橋臂輸出電壓分別為Upx(x=a，b，c)和Unx(x=a，b，c)，上下橋臂電流分別為ix（x=a，b，c）p和ix（x=a，b，c）n，等效中性點為 n。

根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以分別得到公式（2）、（3），式中R為橋臂電感等效電阻。

圖3 MMC電能路由器結構原理及等效電路

將上式整理，可以得到MMC電能路由器的交流側(cè)輸出方程為

其中橋臂輸出電壓為

2.3 MMC電能路由器數(shù)學模型及控制方法

2.3.1 交流側(cè)數(shù)學模型及控制方法

將電能路由器交流側(cè)輸出方程組進行同步旋轉(zhuǎn)坐標變換，即dq變換，并進行拉普拉斯變換后可得同步旋轉(zhuǎn)坐標下電能路由器等效模型如公式（6）所示，根據(jù)公式（6）設計MMC電能路由器交流側(cè)控制方法如圖4(a)所示。

其中Gid、Giq分別為d、q軸電流控制器，電能路由器在主動功率控制工作模式時，根據(jù)微電網(wǎng)能量調(diào)度需求，給定有功和無功電流指令Idref、Iqref，即可實現(xiàn)功率的主動控制；不需要功率主動控制時，反饋路由器交流側(cè)輸出電壓后轉(zhuǎn)化為dq坐標系下的電壓反饋信號Ucd，將其和電壓指令Ucdref進行比較后，采用電壓控制器Gud轉(zhuǎn)化為電流控制指令，即可達到穩(wěn)定交流母線電壓的控制目的。

2.3.2 直流側(cè)數(shù)學模型及控制方法

MMC電能路由器工作時，同一相上下兩個橋臂串入電路的子模塊數(shù)量固定，公共直流母線電壓衡為Udc=NU*SM，只要控制子模塊電壓在設定值，公共直流側(cè)電壓也會維持在設定值，因此路由器直流側(cè)控制設計為代表直流側(cè)總體電壓的子模塊電壓平均控制和不同子模塊電壓的平衡控制。

子模塊電壓平均控制框圖如圖4(b)所示。控制系統(tǒng)包括電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)，其中為子模塊電壓的設定值，為某一相上下橋臂子模塊電壓的平均值。由于子模塊電壓的平均值與流經(jīng)同一相上下兩橋臂的環(huán)流大小有直接關系，環(huán)流定義為izx=1/2(ipx+inx)，x=a，b，c，將子模塊電壓的平均值與設定電壓的誤差經(jīng)過一個PI控制器GPI(s)輸出得到環(huán)流指令i*zx，與環(huán)流實際值izx作差，其誤差輸入電流內(nèi)環(huán)比例控制器GPI(s)，UAx為疊加到每個子模塊上面的電壓平均控制指令。

G1av(s)和G2av(s)分別為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)表達式分別為

得到內(nèi)、外環(huán)傳遞函數(shù)后，根據(jù)閉環(huán)控制框圖設計PI和比例控制器，使子模塊平均電壓維持在標定值60 V，即可將作為高壓直流輸出端子的公共直流母線電壓維持在360 V，滿足高壓直流通信負載供電需求；根據(jù)功率輸出要求，微調(diào)參考電壓U*SM，即可實現(xiàn)高壓直流側(cè)能量的主動控制功能，如高壓直流側(cè)蓄電池組充放電、交流市電斷電時直流側(cè)逆變供電等。

子模塊電壓平衡控制框圖如圖4(c)所示，USMj，j=1～6為某橋臂內(nèi)各子模塊直流側(cè)電壓，GP2(s)為比例平衡控制器，UBj為輸入到每個子模塊的平衡電壓控制信號，G3in(s)為平衡控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表達式如公式（9）所示，其中Ix表示三相輸出電流的有效值。

子模塊電壓平衡控制和子模塊電壓平均控制相對獨立，滿足疊加原理，反饋子模塊電壓與電壓設定值比較的誤差，經(jīng)過比例控制器調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生平衡電壓控制信號，疊加到電壓平均控制指令，從而實現(xiàn)子模塊電壓平衡控制目的?？刂乒仓绷髂妇€電壓保持在標定值的情況下，子模塊電壓平衡即可保證子模塊電壓的穩(wěn)定，滿足低壓直流通信負載供電需求。正常交流市電供電情況下，子模塊蓄電池組處于并聯(lián)浮充狀態(tài)，負載能量主要由市電提供；市電斷電時，直流側(cè)蓄電池組保證持續(xù)供電，并且通過路由器逆變工作，可以將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量，給交流負載供電，保證交流側(cè)供電穩(wěn)定。

圖4 MMC電能路由器結構原理及等效電路

3 MMC電能路由器仿真驗證

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建基于MMC電能路由器的通信電源微電網(wǎng)仿真平臺，MMC電能路由器通過變壓器并網(wǎng)，三端母線分別連接380 V交流電網(wǎng)、336 V蓄電池組和-48 V蓄電池組，各母線還分別并聯(lián)相應負載，其中380 V交流母線負載功率為50 kW，336 V直流母線負載為90 kW，-48 V母線為36個子模塊單元，每個單元直流側(cè)接3 kW負載，負載總功率為108 kW。在仿真平臺上進行仿真實驗，驗證各端母線電源正常工作、單一母線電源斷電時主動控制其它母線給停電母線供電時MMC電能路由器的工作情況，從而驗證本文提出方法可行性。

仿真結果分別給出：母線電壓仿真波形，包括交流380 V母線電壓、36條-48 V直流母線電壓、336 V高壓直流母線電壓；電能由器380 V交流端口功率仿真波形，包括380 V市電輸出功率，交流負載功率、電能路由器交流端口輸出功率；電能路由器-48 V端口功率波形，包括各條母線所接負載總功率，以及與各母線并聯(lián)的各蓄電池組輸出總功率；電能路由器336 V端口功率波形，包括負載功率和蓄電池組輸出功率。

3.1 交流市電故障停電工況下仿真結果

交流市電停電工況下，MMC電能路由器運行仿真結果如圖5(a)所示，仿真初始時刻，各電源設備正供電，在0.5 s時，將交流市電斷開，模擬停電情況，并給定路由器交流端有功電流指令，使交流端輸出負載所需功率，以保證交流負載正常供電。

從仿真結果可以看出，故障發(fā)生前，各條母線上電源設備正常供電，母線電壓與設計值相符，分別為交流380 V、-60 V和360 V。交流380 V母線所接負載功率為50 kW，電能路由器輸出功率為0，說明交流負載功率全部由市電提供；-48 V母線所接負載總功率為108 kW，與低壓蓄電池組輸出功率相等，說明低壓直流負載功率全部由低壓蓄電池組提供；336 V母線所掛負載功率總功率為90 kW，與高壓蓄電池組輸出功率相等，說明高壓直流負載功率全部由高壓蓄電池組提供。功率仿真波形說明正常情況下，各條母線負載功率由相應電源提供，通過電能路由器交換功率為零。

交流市電斷電情況下，其它兩條母線電壓不受影響，仍正常供電。市電斷電時，電網(wǎng)輸出功率下降為0，路由器交流端輸出功率上升為50 kW，交流負載正常供電，可見路由器輸出功率隨指令變化，與預計結果相符。并且低壓、高壓蓄電池組輸出功率分別上升30kW和20 kW，總功率上升50 kW，各自母線上所接負載功率不受影響仍為108 kW和90 kW，可知交流端輸出功率由高、低壓直流端電源提供。

各-48 V母線電壓因為SM開關工作，產(chǎn)生一定波動，脈動電壓Upulse小于3 V，由于實際電路中存在各種寄生參數(shù)，負載側(cè)的實際脈動電壓為負載阻抗與寄生參數(shù)的分壓，具體為

其中Zload為負載阻抗，Zbattery、Zc為蓄電池組和直流電容內(nèi)阻抗，ZL1、ZL2分別為蓄電池組和電容與子模塊直流側(cè)連接銅排或電纜的寄生阻抗，由于在實際電路中且因此實際負載側(cè)電壓脈動遠小于仿真值，可以忽略，336 V側(cè)由于各SM脈動疊加后相互抵消，因此波動值較小，下面仿真也有類似情況，不再贅述。低壓、高壓蓄電池組增加功率與電流比例相關，理論上分別為交流輸出功率的1/3和2/3，仿真結果與計算相符，具體原理不再闡述。

3.2 336 V直流母線故障停電工況下仿真結果

336 V直流母線故障停電工況下，MMC電能路由器運行仿真結果如圖5(b)。仿真初始時刻，各電源設備正供電，在0.5 s時，將336 V蓄電池組斷開，模擬停電情況，給定路由器交流端有功電流指令為90 kW，由交流市電提供336 V母線負載所需功率，以保證高壓直流負載正常供電。故障前仿真波形與上節(jié)相同，不再贅述。

從仿真波形可以看出，故障后高壓蓄電池組斷電，輸出功率下降為0，而高壓負載功率不變，說明由其它母線電源補償了高壓母線能量；電能路由器交流端輸出功率下降到-90 kW，表示交流端從市電吸收功率90 kW，低壓蓄電池組輸出總功率不變，相應交流負載和低壓直流負載功率不受影響仍為50 kW和108 kW，說明高壓直流母線能量由交流市電提供，與預計結果相符。

上述市電或高壓直流蓄電池組斷電工況下的仿真和分析結果，驗證了本文提出的MMC電能路由器控制策略的正確性和有效性，并且說明在母線故障情況下，MMC電能路由器可以從其它正常母線吸收能量饋入故障母線，并且可以通過主動功率控制，根據(jù)電源容量和調(diào)度需求控制能量流向，選擇饋入故障母線能量的來源，驗證了電能路由器互聯(lián)電源設備，提高電源系統(tǒng)的可靠性和能量管理功能。由于不同電源母線設備可以互聯(lián)饋能，因此可以減少同類電源設備備用數(shù)量和容量，提高電源設備利用率，從而將帶電源投資和運維成本。

圖5 MMC電能路由器仿真結果

4 結束語

本文提出一種基于MMC拓撲的電能路由器裝置，基于MMC電能路由器構建包含交流380 V/220 V，-48 V低壓直流和336 V高壓直流3條母線的通信電源微電網(wǎng)系統(tǒng)，用于整合各類通信電源，實現(xiàn)各種分布式通信電源和負載在通信電源微電網(wǎng)中互聯(lián)和可靠管理，提高系統(tǒng)可靠性和可擴展性，為通信電源系統(tǒng)設計、管理提供了一種新的組網(wǎng)方案。

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