基于交直流混合微网构架的电能路由器

刘迎澍, 马　川

(天津大学电气与自动化工程学院，天津　300072)

The Power Router Based on Hybrid AC/DC Microgrid FrameworkLIU Yingshu, MA Chuan

(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China )



基于交直流混合微网构架的电能路由器

刘迎澍, 马川

(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)

0引言

微网技术作为整合分布式电源的有效解决方案，近年来在工作机理、控制方法及典型应用等方面都取得了丰硕的研究成果[1-2]。但是微网的构建成本较高，通常需要配置可控电源(如小型燃气轮机或小型柴油机)、储能装置及独立的供电线路，不适合普通的电能用户。因此，拥有小容量分布式电源(如屋顶光伏)的普通用户只能采用直接并网的方式。但是，大量引入此类接入方式会对配电网的监控、管理及保护带来一定的负面影响。

由此可见，普通用户的分布式能源与配电网之间需要更加灵活、可靠的智能化电气连接装置，从而在确保电网安全、稳定运行的前提下，充分利用各种分布式能源。近年来兴起的电能路由技术[3-4]，是一种新型的智能电气连接和电能管理方法，有助于实现各种分布式电源和负载在微网和配电网中的即插即用和可靠管理。

为此，本文提出了一种基于交直流混合微网构架的电能路由器，研究了其工作原理及典型应用。该电能路由器结构简单，能够方便可靠地整合各种小型分布式电源(如光伏、风机)及储能装置，满足普通电能用户对于利用分布式电源的需要。论文在对电能路由器运行模式和控制策略分析的基础上，建立电能路由器系统的整体模型，并在并网和孤岛两种运行模式下进行了仿真研究。

1电能路由器结构

电能路由器是整合多种分布式电源及储能单元，并使其与配电网协调配合、共同向负载供电的智能化电气连接装置。本文所研究的电能路由器由交流母线、直流母线、双向交直流变换器(以下简称逆变器)以及用于将分布式电源和储能单元连接到直流母线的功率变换器构成，如图1所示。

图1　电能路由器示意图

电能路由器的交流母线与负载端口和电网端口相连，可以在并网或孤岛状态下向负荷供电。各分布式电源及储能单元通过电源端口接入电能路由器，再通过功率变换器连接到直流母线，然后经过逆变器将直流电变换成工频交流电输送到交流母线，从而形成交直流混合微网的构架[5-6]。这种构架的优点在于：

①直流母线充分发挥了电能传输过程中的“缓冲”作用，通过逆变器与储能单元之间的有效配合，能够在有效抑制分布式电源间歇性输出对电网造成冲击的前提下，充分利用可再生能源来为负载供电，还可以通过储能单元的合理使用来实现“削峰填谷”的功能；

②由于各分布式电源及储能单元是直接接入电能路由器的，因此直流母线实际上是一个节点，因而可以简化各分布式电源及储能单元的并联输出控制问题；

③在直流母线与交流母线之间仅通过单个逆变器实现交直流变换，避免了交流微网中常见的因逆变器并联输出造成的环流及母线电压不稳定的问题。

2电能路由器的控制

2.1逆变器的工作模式

作为连接直流母线和交流母线的中间环节，逆变器在电能路由器的主电路中发挥着核心作用，其功能包括：

①将分布式电源及储能单元产生的直流电逆变成工频交流电；

②维持系统的输入/输出功率平衡及输出端的电压、频率稳定。

逆变器可工作在并网或孤岛两种模式下。不同工作模式下其控制策略和控制目标各不相同[7]：

①并网时采用PQ控制策略，依靠电网对电压/频率的支撑，逆变器只需要通过控制有功/无功的输出，维持其直流侧功率的平衡，就能实现电能路由器系统的功率平衡；

②孤岛时采用V/f控制策略，逆变器的控制目标是保证交流母线的电压和频率稳定，以满足负荷需要。此时，系统的功率平衡依靠储能单元来辅助完成。

2.2并网模式下逆变器控制

逆变器的有功/无功控制策略如图2所示。

图2　逆变器基于有功/无功控制原理图

由上述控制原理图可知，并网模式下逆变器可以分别控制id和iq进而独立控制有功Pg和无功Qg。

2.3孤岛模式下逆变器控制

孤岛模式下的工作频率是由逆变器系统自主控制。此时，逆变器的输出电压和频率为工频额定值，逆变器与交流系统交换的有功和无功取决有所连接的负载。基于V/f的控制策略如图3所示。

图3　逆变器基于电压/频率控制原理图

与图2相比，图3中的控制内环仍然是电流环，区别主要在于，外环由原来的功率环变为电压环，这是由两种运行状态下不同的控制策略及控制目标决定的。

2.4逆变器和储能单元的协调配合

电能路由系统内部的功率平衡需要逆变器和储能单元协调配合来完成。而且，在电能路由器不同的工作模式下，二者的作用也不同。

系统功率平衡的重要参量为直流微网母线电压Udc，当系统有功过剩时，Udc上升，反之则Udc下降[8]。因此，电能路由器的控制单元可通过Udc判断系统功率平衡情况，进而进行协调控制。

2.4.1并网模式

并网模式下，逆变器采用基于P/Q独立控制的策略，交流侧负载功率PL主要由电能路由器输出有功功率Pg提供。当PL>Pg时，系统功率欠缺，缺额部分由电网提供；当PL

电能路由器输出无功功率Qg既可以由上级控制单元根据电力系统级的无功补偿来给定，也可以根据本地电压需要的无功补偿算法来给定。逆变器直流侧的瞬时输入输出功率如图4所示。

图4　直流母线的瞬时功率

由图可知，DG向系统输入的功率为

(1)

逆变器的输入功率为

(2)

式中：Pext等于各分布式电源和储能单元发出的功率之和，直流侧功率平衡的条件是Pext=Pdc，此时直流母线电压稳定于额定值。

但由于没有直流电压源的支撑，任何的功率不平衡状况都会导致直流母线电压Udc发生偏移。系统平衡方程如下

(3)

忽略逆变器内部开关损耗，则逆变器交流侧输出功率Pt为

(4)

将(4)代入(3)可以得到

(5)

由于并网模式下逆变器的控制目标是控制Pg和Qg的输出，所以要用Pg和Qg来表述控制输入Pt。根据文献[9]，有

(6)

(7)

综上所述，逆变器的控制策略可以简化为图5所示的基于功率外环和电流内环的双环控制策略。

图5　并网模式逆变器双环控制策略示意图

图中，无功功率的参考值Qgref既可以来自远程指令控制，也可以来自本地的无功补偿算法，因此Qgref可以独立于本地的有功功率控制。通常在并网模式下令Qgref为零，这样逆变器工作在单位功率因数下，其转换效率较高。

图中kv(s)为有功控制环中直流母线电压控制补偿器，且由于式(7)中Pg前的系数为负，所以在kv(s)前添加负号。该控制环节中，Pext作为前馈补偿添加到补偿器的输出，使得逆变器能够及时追踪分布式电源输出功率而调节自身的有功输出。这种对Pext的获取可以通过各分布式电源测量各自输出功率，并传输给逆变器的控制单元来实现。

2.4.2孤岛模式

孤岛模式下，逆变器采用V/f控制策略。此时电能路由系统需要借助储能单元来实现功率平衡，其控制策略如图6所示。

图6　孤岛模式下储能单元控制策略示意图

储能单元采用恒功率输出的控制策略，根据直流母线电压的波动情况，由补偿器C(s)给定储能单元输出功率参考值Pref。这里，不同的储能单元具有不同的动态特性，补偿器C(s)也各不相同。图中，Pref若为正值则储能单元放电，若为负值则储能单元充电。

3仿真研究

基于前文对电能路由器控制策略详细分析，本文在MATLAB/Simulink环境下，利用其提供的SimPowerSystem仿真工具箱，建立了电能路由器的整体模型，在具体的应用场景下，针对电能路由器不同的工作模式进行了仿真[10]。

3.1并网模式仿真

仿真过程中，连接到电能路由器的分布式电源包括光伏电池和风力发电机，额定功率均为200kW。假定在0.2s时，光照强度发生突变，光伏电池输出功率从200kW下降到150kW；在0.4s时风速发生突变，风力发电机输出功率从200kW下降到100kW；交流侧连接公共电网，并为额定有功功率100kW的负荷供电，负荷在0.6s时切除。

由于在并网模式下，储能单元可以处于自由运行模式，此时令储能单元既不充电也不放电。设计仿真过程中的负荷均为有功负荷，因此设定Qgref为零。

3.1.1算例1

假定电能路由器系统中分布式电源不能与逆变器通信，逆变器无法获得各分布式电源的实时输出功率。仿真结果如图7所示。

图7　并网模式下无DG功率前馈补偿仿真结果

从仿真结果可以看到，逆变器输出的有功功率以及逆变器向电网馈送的有功功率符合分布式电源的功率变化和负载变化情况，满足了电能路由器的系统功率平衡。而且，在0.2s和0.4s时分布式电源的输出功率变化影响了直流母线电压，但是由于逆变器中直流母线电压控制环的存在，及时控制了逆变器的有功输出，使直流母线电压及时回复到正常水平。由于在电能路由器的输入侧缺少DG输出功率前馈补偿，逆变器有功控制略微滞后，使得直流母线电压变化明显。由于电网的缓冲，逆变器交流侧负载的变化并没有影响到直流侧的功率平衡，这从直流母线电压的变化情况也可以看出。

3.1.2算例2

假定电能路由器系统中逆变器能够与分布式电源通信，可以获得分布式电源的实时输出功率信息，因而能够在直流母线电压控制环节中实现前馈补偿。仿真结果如图8所示(本算例中，光伏电池和风机的输出功率曲线与算例1相同)。

图8　并网模式下有DG功率前馈补偿仿真结果

从图8的仿真结果来看，稳态时电压与功率曲线与无DG功率前馈补偿时相同，符合分布式电源的功率变化和负载变化情况，满足了电能路由器的系统功率平衡。由于在直流母线电压控制环节中使用了前馈控制，逆变器可以快速追踪DG输出功率变化，与无前馈补偿的仿真结果相比，直流母线电压并没有随DG输出功率变化而出现明显波动。不仅如此，在DG前馈补偿的作用下，逆变器输出功率的控制更加快速，暂态反应时间变短，提高了系统的暂态性能。通过仿真实验的前后对比DG功率前馈补偿环节的作用，充分体现了电能路由器系统中通信机制的重要性。

3.2孤岛模式仿真

孤岛模式下，同样假设连接到电能路由器的分布式电源包括光伏和风电，额定功率均为200kW。假定在0.4s时，光照强度发生突变，光伏电池输出功率从200kW下降到150kW；在0.6s时风速发生突变，风力发电机输出功率从200kW下降到100kW。逆变器交流侧的连接负载初始时有功功率为500kW，0.3s时下降为200kW，0.7s时上升到300kW。

由于在孤岛模式下逆变器的控制目标是保证输出电压及频率的稳定，电能路由系统功率平衡的任务主要是由储能单元来完成。此时，储能单元根据直流母线电压控制输入输出功率，来平衡电能路由器的有功功率。储能单元的控制也需要依靠功率前馈补偿，这里功率前馈补偿不仅包括DG功率前馈，还包括负载的功率前馈。具备功率前馈补偿的仿真结果如图9所示。

图9　孤岛模式下有功率前馈补偿仿真结果

从储能单元输入输出功率曲线和直流母线电压曲线可以看出，由于具备功率前馈补偿，储能单元可以快速跟踪DG和负载的功率变化，及时做出反应，使得系统迅速实现功率平衡，直流母线电压保持稳定。从交流侧三相电压曲线和单相电流曲线可以看出，当负荷变化时，由逆变器控制的交流电压在0.3s和0.7s产生轻微的改变，但很快稳定在额定值，电流随之进入新的稳态值，整个系统具有良好的暂态和稳态性能。

4结束语

微网作为分布式能源利用的有效解决方案，是电力能源领域研究的热点。在此背景下，本文研究了一种基于交直流混合微网构架的电能路由器，分析了核心单元逆变器的工作模式和控制策略。在此基础上，进行了电能路由器系统在并网和孤岛两种工作模式下的仿真研究。结果表明，基于交直流混合微网构架的电能路由器能够有效整合各种分布式电源和储能单元，实现系统可再生能源的充分利用。此外，通过通信模块在逆变器和储能单元的控制回路中引入分布式电源功率输出的前馈补偿，可以明显改善系统的暂态性能。

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刘迎澍(1971—)，男，博士，副教授，研究方向为智能电网、微网等,E-mail:liu_ysh@tju.edu.cn;

马川(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为智能电网、微网等,E-mail:machuan01@126.com。

(责任编辑：杨秋霞)

The Power Router Based on Hybrid AC/DC Microgrid FrameworkLIU Yingshu, MA Chuan

(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

摘要：研究了一种基于交直流混合微网构架的电能路由器，分析了其工作模式，并设计了相应的控制策略。对集成了分布式电源和储能单元的电能路由器系统，在并网和孤岛两种工作模式下进行了仿真研究，验证了本方案的有效性和可靠性。此外，通过在逆变器和储能单元控制回路中引入功率前馈补偿验证了通信机制在电能路由系统中的重要性。研究结果表明，电能路由器可以有效整合各种分布式电源，是一种有前途的可再生能源利用方案。

关键词：电能路由器；交直流混合微网；功率前馈补偿；分布式电源

Abstract：A power router based on the hybrid AC/DC microgrid framework is investigated as well as the analysis of operation modes and the design of related control strategies. Then in the power router system integrated with distributed generations (DGs) and energy storage unit (ESU), both modes of grid connected and islanded operation are simulated to verify the effectiveness and reliability of the proposed design. Furthermore, power feed-forward compensation is also introduced into the control loop of the inverter as well as ESU, which demonstrates the contribution of the communication mechanism to the power router system. The research results show that the presented electric power router can integrate various DGs, and will be a promising utilization scheme for renewable energy.

Keywords：power router; hybrid AC/DC microgrid; power feed-forward compensation；distributed generation(DG)

作者简介：

收稿日期：2014-05-12

文章编号：1007-2322(2015)01-0013-06

文献标志码：A

中图分类号：TM743