交直流混合多端口能量路由器拓?fù)渑c控制研究

王加澍，王穎，李夢月，張健，居榮，馬剛

(南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

為了緩解能源危機(jī)，提高可再生能源發(fā)電水平，國內(nèi)外學(xué)者們提出了能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略[1-2]。能量路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，不僅可以作為傳統(tǒng)變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換，還可以提供電壓隔離和不同電壓等級的交直流端口，實(shí)現(xiàn)不同分布式發(fā)電裝置的接入[3]。

能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略作為能源互聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)，受到了專家們的廣泛關(guān)注。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的三級式模塊化結(jié)構(gòu)為能量路由器的典型結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]提出一種新型能量路由器結(jié)構(gòu)，能滿足多電壓等級需求。文獻(xiàn)[6]針對交直流混合微網(wǎng)能量路由器，分析了四種工作模態(tài)及其切換方式。目前大多采用下垂控制方法[7-8]，但當(dāng)線路參數(shù)變化較大時(shí)會造成系統(tǒng)功率失衡，不利于電網(wǎng)的運(yùn)行。文獻(xiàn)[9]利用虛擬同步機(jī)控制策略，提高了系統(tǒng)的阻尼及慣性。文獻(xiàn)[10]針對應(yīng)用于直流微電網(wǎng)的能量路由器，提出一種標(biāo)幺化下垂移相控制方法，實(shí)現(xiàn)不同工況下微網(wǎng)間能量合理分配。

在上述背景下，本文在傳統(tǒng)的電力電子變壓器的基礎(chǔ)上，提出了交直流混合多端口能量路由器的拓?fù)渑c控制方法，拓?fù)洳捎玫姆植际娇刂品椒o需對各個(gè)端口的能量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，只需通過直流母線的電壓變化做出相應(yīng)的功率調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)端口間能量的平衡。此外，能量路由器在實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)能量穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r(shí)還能隔離傳輸干擾，提高了配電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1 能量路由器拓?fù)?/h2>

能量路由器的拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示，由輸入級、隔離級和輸出級三部分構(gòu)成。來自電網(wǎng)10 kV的交流電經(jīng)過級聯(lián)H橋電路整流器轉(zhuǎn)換為中壓直流電。隔離級采用雙向DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)端口間的電氣隔離功能。輸出級包括低壓交、直流端口。

圖1 能量路由器拓?fù)鋱D

2 能量路由器控制策略

對能量路由器整體采用分布式控制方法，將負(fù)載側(cè)的直流母線電壓作為衡量系統(tǒng)內(nèi)平衡的唯一標(biāo)準(zhǔn)。理由如下：

(1)公共直流母線有利于分布式電源及負(fù)載接入。

(2)當(dāng)負(fù)載側(cè)接入各種功率等級的負(fù)載時(shí)，低壓交、直流端口的功率也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致功率平衡被破壞，直流母線電壓也會改變。

2.1 整流級控制策略

H橋級聯(lián)電路與電網(wǎng)直接相連，將交流電逆變?yōu)橹绷麟姡⑿璞３种绷鱾?cè)電壓的穩(wěn)定。H橋級聯(lián)電路在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)模模型如式(1)所示。

(1)

式中:Vsa(t)、Vsb(t)、Vsc(t)分別為電網(wǎng)的三相瞬時(shí)電壓值;Vca(t)、Vcb(t)、Vcc(t)分別為整流級交流側(cè)瞬時(shí)電壓值;ia(t)、ib(t)、ic(t)分別為整流級交流側(cè)瞬時(shí)電流值;L為網(wǎng)側(cè)電感;R為線路阻抗。

為了簡化模型，將式(1)靜止坐標(biāo)系下的電流電壓變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，變換后的電流方程如式(2)所示。

(2)

(3)

圖2 H橋級聯(lián)電路的雙環(huán)控制原理圖

此外，還需考慮級聯(lián)H橋電路直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，應(yīng)用基于均壓環(huán)的直流側(cè)電容電壓控制策略平衡電容電壓。將直流側(cè)電壓Vdci(i=1,2,…,N)與參考電壓相比較，經(jīng)過PI控制得到H橋的d軸補(bǔ)償量△di，再與原始的調(diào)制量dd相加經(jīng)過dq反變換得到H橋各級的調(diào)制信號di，如圖3所示。

圖3 直流側(cè)電容電壓平衡控制原理圖

2.2 隔離級控制策略

經(jīng)過H橋級聯(lián)電路產(chǎn)生的高壓直流需通過DC/DC換流器實(shí)現(xiàn)電壓等級變換，本文采用雙向隔離型全橋DC/DC變換器(dual-active-bridge,DAB)。DAB采用移相角控制方法，通過控制變壓器橋臂上驅(qū)動(dòng)信號的相角差實(shí)現(xiàn)不同大小的功率雙向流動(dòng)，從而靈活控制傳輸功率。DAB的傳輸功率為[11]：

(4)

式中:P為DAB傳輸?shù)挠泄β?n為變壓器變比;UH和UL分別為DAB的輸入端和輸出端的電壓;I為輸入端電流;d為移相角差;fs為開關(guān)頻率;Ls為變壓器漏感。

圖4 DAB級控制原理圖

2.3 輸出級控制策略

2.3.1 低壓交流端口的控制

低壓交流端口的控制目標(biāo)為將DAB隔離級輸出的低壓直流電逆變?yōu)楣ゎl所需的380 V交流電，且當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓和負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)保證端口電壓的穩(wěn)定，作為標(biāo)準(zhǔn)化接口供交流負(fù)載接入，采用電壓電流前饋的雙環(huán)控制。

2.3.2 低壓直流端口的控制

DAB輸出電壓經(jīng)過Buck-Boost電路連接直流負(fù)載，其控制目標(biāo)是提供大小恒定的400 V直流電，以供光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車和負(fù)載等接入，采用電壓電流雙閉環(huán)控制。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提拓?fù)浼翱刂撇呗缘挠行?，本文根?jù)圖1能量路由器拓?fù)湓贛ATLAB/Simulink中搭建了相應(yīng)的仿真模型，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖5為能量路由器由空載到接入負(fù)載的暫態(tài)仿真圖。在0.5 s前，10 kV配電網(wǎng)給級聯(lián)H橋直流側(cè)電容充電并建立完直流母線電壓；在0.5 s時(shí)低壓交流端口接入32 kW負(fù)載，直流端口接入22 kW負(fù)載。圖5(a)和圖5(b)分別為低壓交流端口的電壓和電流波形，在0.5 s時(shí)端口電流增大，電壓幾乎沒有變化。由圖5(c)可知，低壓直流端口的電壓在短暫的波動(dòng)后迅速恢復(fù)到400 V穩(wěn)定值。端口電壓的穩(wěn)定依賴于分布式控制方法，當(dāng)負(fù)載端口功率增大時(shí)會從直流母線上吸收功率來平衡端口電壓，母線電壓的變化如圖5(d)所示。

圖5 能量路由器暫態(tài)仿真波形

圖6為能量路由器接入負(fù)載后穩(wěn)態(tài)仿真圖。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，交直流負(fù)載端口帶負(fù)載運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí)，端口電壓和電流波形良好。另外，低壓直流端口設(shè)計(jì)值為400 V，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)平均值大小為403 V，見圖6(c)，誤差小于1%。由于不需從母線吸收功率，母線電壓幾乎不變，見圖6(d)。

圖6 能量路由器穩(wěn)態(tài)仿真波形

此外，能量路由器還具有改善電能質(zhì)量的作用。設(shè)定1.10 s～1.30 s，電網(wǎng)電壓暫降50%，如圖7(a)所示。經(jīng)過DC/DC隔離電路的控制，低壓直流母線依然穩(wěn)定在500 V的標(biāo)準(zhǔn)值，見圖7(b)。當(dāng)電網(wǎng)電壓暫升50%，如圖8(a)所示。低壓直流母線電壓受到的影響可以忽略，見圖8(b)。說明當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降/暫升時(shí)，經(jīng)過能量路由器隔離調(diào)節(jié)，幾乎不會對低壓負(fù)載端口產(chǎn)生影響。

圖7 電網(wǎng)電壓暫降50%仿真波形

圖8 電網(wǎng)電壓暫升50%仿真波形

4 結(jié)束語

建立了能量路由器的拓?fù)淠Ｐ?，提出一種分布式控制策略。當(dāng)端口負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，端口電壓仍能穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值，使能量路由器提供不同電壓等級的交、直流標(biāo)準(zhǔn)化接口。此外，能量路由器能夠改善電能質(zhì)量問題，在為提供標(biāo)準(zhǔn)電壓的同時(shí)，還可以有效緩解電網(wǎng)電壓畸變。最后通過仿真驗(yàn)證了結(jié)論的有效性。