面向能源互聯(lián)網(wǎng)的多端口雙向能量路由器

李亞昕，杜耀鵬

（國網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

現(xiàn)階段，電力需求不斷增多，傳統(tǒng)能源卻在不斷枯竭，基于此很多新能源技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用在電力生產(chǎn)中，能源互聯(lián)網(wǎng)概念因此被提出和應(yīng)用。本文提出了一種多端口雙向能量路由器模式，旨在滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。

1 多端口雙向能量路由器運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

本文構(gòu)建的多端口雙向能量路由器運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中高壓網(wǎng)側(cè)變流器端口能夠連接交流配電網(wǎng)，負(fù)責(zé)控制直流母線電壓，一旦電壓超過既定范圍，便會通過切除方式來確保能量路由器的安全運(yùn)行。低壓交流負(fù)載端口能夠連接交流電標(biāo)準(zhǔn)接口，負(fù)責(zé)為端口內(nèi)部的交流負(fù)載供電，并且連接分布式電源。低壓直流負(fù)載端口能夠連接直流電標(biāo)準(zhǔn)接口，負(fù)責(zé)為端口內(nèi)部的直流負(fù)載供電，并且連接直流設(shè)備。

圖1 多端口雙向能量路由器運(yùn)行結(jié)構(gòu)

2 多端口雙向能量路由器電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述多端口雙向能量路由器運(yùn)行結(jié)構(gòu)可以確定，能量路由器主電路為高壓網(wǎng)側(cè)變流器端口電路，下面進(jìn)行具體的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計及選擇分析。

2.1.1 級聯(lián)H橋變流器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

面向能源互聯(lián)網(wǎng)的多端口雙向能量路由器接入配網(wǎng)的電壓等級需要超過10 kV，因此選擇模塊化電路結(jié)構(gòu)，不但能夠提高電平數(shù)值，還能夠避免安裝工頻變壓器。按照電網(wǎng)接入方式，可以將級聯(lián)H橋變流器電路結(jié)構(gòu)分為Δ形電路結(jié)構(gòu)和Y形電路結(jié)構(gòu)。Δ形電路結(jié)構(gòu)下，電路轉(zhuǎn)換承擔(dān)的是額定線電壓及額定相電流，Y形電路結(jié)構(gòu)下，電路轉(zhuǎn)換承擔(dān)的是額定相電壓及額定線電流，電壓較低且電流較大，相比較Δ形電路結(jié)構(gòu)需要的模塊數(shù)量更少，為此變流器選擇應(yīng)用Y形電路結(jié)構(gòu)[1]。

2.1.2 半橋DC/DC變換器選擇

面向能源互聯(lián)網(wǎng)的多端口雙向能量路由器高壓側(cè)接入配網(wǎng)的電壓等級需要超過10 kV，低壓側(cè)接入交流負(fù)載的電壓等級需要超過380 kV，接入直流負(fù)載的電壓等級需要超過400 kV。由此可見，兩側(cè)接入電壓等級相差較大，為了確保路由器的安全運(yùn)行，需要采取電氣隔離措施[2]。因此選擇應(yīng)用半橋DC/DC變換器，此變換器具有靈活性和可變性較強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠結(jié)合路由器具體需求自行調(diào)節(jié)電壓和功率，同時還支持多種結(jié)構(gòu)，為路由器系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)，適合應(yīng)用在電氣隔離中。

2.2 參數(shù)設(shè)計

2.2.1 變壓器參數(shù)設(shè)計

多端口雙向能量路由器應(yīng)用的是高頻變壓器，主要具備轉(zhuǎn)換電壓等級、實(shí)現(xiàn)電氣隔離以及儲存和傳遞電能能量等功能。變壓器是變換器的核心元件，其參數(shù)設(shè)計同時決定了變壓器運(yùn)行效率及變換器應(yīng)用性能，并且能量路由器結(jié)構(gòu)中的其他設(shè)備參數(shù)設(shè)計也與變壓器參數(shù)設(shè)計相關(guān)，因此首先開展變壓器參數(shù)設(shè)計。

具體來講，變壓器參數(shù)設(shè)計包括漏感值設(shè)計和變比設(shè)計，漏感值設(shè)計依據(jù)為變換器額定輸出功率，具體取值可以通過仿真軟件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，變比設(shè)計依據(jù)為低壓側(cè)電壓、高壓側(cè)電壓[3]。

2.2.2 交流側(cè)電感參數(shù)設(shè)計

在多端口雙向能量路由器中，交流側(cè)電感主要具備如下功能。對電力系統(tǒng)電壓及變流器電壓進(jìn)行隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對短路電流的有效抑制，形成對輸入電流諧波的有效抑制，匹配電力系統(tǒng)電流與電壓之間的相位關(guān)系，儲存和傳遞電能能量等。如果交流側(cè)電感超過一定數(shù)值，指令電流的被追蹤速度將會下降，如果交流側(cè)電感低于一定數(shù)值，高壓側(cè)變流器的電流諧波將會增加，因此開展交流側(cè)電感參數(shù)設(shè)計時需要考慮到指令電流被追蹤速度和高壓側(cè)變流器電流諧波兩方面需求，實(shí)現(xiàn)均衡設(shè)計[4]。

具體來講，想要確保指令電流被追蹤速度，需要確保交流側(cè)電感電流變化與指令電流變化相匹配，而指令電流經(jīng)過零點(diǎn)時刻時的變化最大，據(jù)此便可以計算出交流側(cè)電感電流參數(shù)。想要減少高壓側(cè)變流器電流諧波，需要將交流側(cè)電感電流變化控制在一定范圍內(nèi)，通常情況下選擇交流側(cè)電感電流峰值的20%[5]。

2.2.3 直流母線電容參數(shù)設(shè)計

在多端口雙向能量路由器中，直流母線電容的主要功能為確保電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。變換器低壓側(cè)直流母線電容的主要功能是為電力系統(tǒng)提供低壓直流母線，轉(zhuǎn)換高壓側(cè)變流器與低壓側(cè)變流器之間的能量，進(jìn)而確保直流母線電壓的穩(wěn)定。由此可見，直流母線電容參數(shù)設(shè)計十分重要，一般需要考慮直流電壓控制速度和抗干擾性能[6]。

具體來講，考慮到直流電壓控制速度，直流母線電容需要盡量選擇最小值，這樣跟蹤直流電壓的速度越快，直流電壓控制速度越快，抗干擾性能便會降低?？紤]到抗干擾性能，直流母線電容需要盡量選擇最大值，這樣直流電壓變化越小，直流電壓的抗干擾性能越良好，但是直流電壓控制速度便會降低。由此可見，直流電壓控制速度和抗干擾性能難以實(shí)現(xiàn)兼得，需要設(shè)計人員綜合多端口雙向能量路由器實(shí)際需求，進(jìn)行合理設(shè)計與選擇。

3 多端口雙向能量路由器分散控制方式

3.1 分散控制方式分析

本文多端口雙向能量路由器應(yīng)用的是分散控制方式，具體如圖2所示。從供電模式來看，能量路由器的主電源始終為高壓側(cè)變流器，供電對象為低壓直流母線，這種方式與主從控制模式十分相似，即高壓側(cè)變流器為電力系統(tǒng)的主控制器，其他端口為從控制器[7]。從供電結(jié)構(gòu)來看，能量路由器的供電結(jié)構(gòu)與直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分相似，即變流器為低壓端口、直流負(fù)載端口與直流母校連接的設(shè)備，因此只要確保直流電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，便能夠確保各個端口功率的平衡。此外，在分散控制方式下，設(shè)計人員不需要考慮相位同步和電力系統(tǒng)運(yùn)行頻率問題，因此系統(tǒng)的控制難度得到了大幅度降低。

圖2 分散控制方式示意圖

3.2 高壓網(wǎng)側(cè)變流器端口控制方式

3.2.1 級聯(lián)H橋變流器控制方式

級聯(lián)H橋變流器控制方式分為間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制指的是對變流器電壓相位及數(shù)值進(jìn)行控制，具有控制難度較低、靜態(tài)性能良好以及不需要進(jìn)行解耦的應(yīng)用優(yōu)勢，但是主要針對的是能量路由器穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但由于此方式下電力系統(tǒng)應(yīng)用的電流為開環(huán)控制模式，因此間接電流控制方式并不能起到良好的應(yīng)用效果[8]。直接電流控制指的是對電網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制，此方式下電力系統(tǒng)應(yīng)用的電流為閉環(huán)控制模式，盡管需要進(jìn)行解耦，但是動態(tài)性能良好，適合應(yīng)用在能量路由器級聯(lián)H橋變流器控制中，控制原理如圖3所示。

圖3 聯(lián)H橋變流器直接電流控制原理圖

3.2.2 隔離型半橋DC/DC變換器控制方式

變流器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生高壓直流，直流需要通過變換器才能生成公共直流母線電壓，這表示電能能量需要在高壓側(cè)和低壓側(cè)同時實(shí)現(xiàn)流動，這對于變換器功率有雙向傳輸需求，為此需要實(shí)現(xiàn)對變換器的移相角控制，控制原理如圖4所示[9]。

圖4 隔離型半橋DC/DC變換器控制原理圖

3.3 低壓交流負(fù)載端口控制方式

基于能量路由器的控制要求，低電壓側(cè)端口和直流負(fù)載端口實(shí)際上是需要滿足隨時連接隨時應(yīng)用要求的標(biāo)準(zhǔn)接口，無論端口內(nèi)部的負(fù)載發(fā)生什么形式的變化，端口輸出的電壓都需要能夠滿足電力系統(tǒng)對電能的要求，這便涉及到了對低電壓側(cè)端口和直流負(fù)載端口電壓的控制，控制原理如圖5所示。電壓電流雙向控制模式不但實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載電流的應(yīng)用前反饋，還實(shí)現(xiàn)了對端口內(nèi)電壓電流的調(diào)整。在耦合電流和端口電流的共同控制下，低壓交流負(fù)載端口能夠得到變流器電流指令值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電流的控制。在耦合電壓和端口電壓的共同控制下，低壓交流負(fù)載端口能夠得到變流器電流指令值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電路的控制[10]。

圖5 低壓交流負(fù)載端口控制原理圖

3.4 低壓直流負(fù)載端口控制方式

低壓直流負(fù)載端口控制與低壓交流負(fù)載端口控制較為相似，其控制目標(biāo)是為電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電流標(biāo)準(zhǔn)接口，控制原理如圖6所示。在圖中，電壓電流雙向控制模式形成了較為良好的控制效果，其中電壓控制模式為單閉環(huán)模式，考慮到電力系統(tǒng)的動態(tài)性能，還需要配合應(yīng)用電流控制模式，即內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為電壓控制[11]。具體的控制原理與上文相似，即對比實(shí)際電壓值和參考電壓值，實(shí)際電流值和參考電流值，通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行放大處理，進(jìn)而生成控制指令進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖6 低壓直流負(fù)載端口控制原理圖

4 結(jié) 論

能量路由器支持不同制式的電壓、不同等級的電壓標(biāo)準(zhǔn)化接口，因此能夠在變壓器與負(fù)載端口之間實(shí)現(xiàn)雙向功率傳輸，并且確保隨時連接隨時應(yīng)用，適合應(yīng)用在能源互聯(lián)網(wǎng)中。目前，關(guān)于多端口雙向能量路由器在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究相對較少，因此本文只能夠在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)設(shè)計方案。