采用电力电子变压器的多端口能源路由器

刘显茁，郑泽东，李永东

（清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，北京100084）

采用电力电子变压器的多端口能源路由器

刘显茁，郑泽东，李永东

（清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，北京100084）

基于能源互联网背景，结合多绕组高频变压器，设计了一种新型的家庭用多端口能源路由器。这种能源路由器的优势在于具有相对较高的能量密度和转换效率，同时更易于实现多电压等级接入，交直流混合，因此更适合于分布式电源及可再生能源的接入。给出了多绕组高频变压器的简化数学模型以及基于此的控制方法，同时在最后给出了用于验证系统正确可行性的仿真及实验结果。

能源路由器；多绕组变压器；分布式发电

随着经济与工业的发展，我国的能源问题日趋严重，短缺的传统化石能源与增长的负荷需求之间的矛盾也日益凸显。为了缓解能源压力，世界各国陆续开展可再生能源与分布式能源的开发与利用工作，使得新能源技术与分布式能源技术得到了迅猛的发展。

我国的风能、太阳能等可再生能源资源十分丰富，装机容量也居世界前列，但是由于这些能源自身的随机性、波动性以及电网架构的特性，目前我国电网对于这些可再生能源及分布式能源的消纳能力仍然不足。

因此，为了实现更大程度对可再生能源及分布式能源的接入与利用，同时对能源更高效的传输、调度与变换，这就需要改进目前的电网架构向一个更智能、更灵活的方向发展［1］。

而随着近几年电力电子技术、储能技术、直流输配电技术、柔性交流输电技术的迅速发展，这种“未来式的电网”的实现已经成为可能。2009年，美国未来可再生能源调度及管理组织（future renewable electric energy delivery and management system，FREEDM）结合信息互联网的概念，提出“能源互联网”，旨在通过结合电力电子技术，分布式发电技术等，实现更智能、更高效、更灵活的电网结构，被认为是一个未来能源基础平台的主要发展方向［2-5］。除美国外，欧洲、日本等一些发达国家也相继提出了类似于能源互联网的概念并进行技术实现。例如德国在2008年提出的E-Energy计划，将电网的电能信息高度数字化、信息化，并通过互联网进行数据传输，达到电能高效的调度与分配；2011—2013年，日本也提出“数字电网路由器”（digital grid router，DGR）的概念并进行研制，在肯尼亚未通电地区设立项目进行实验［6］，旨在对日本目前电网进行改进，使其类似于互联网一样运转：将“IP”地址分配给地区内的例如风电场、光伏场、负荷等基础电力设施，并通过DGR进行调度控制，同时不同地区的DGR之间也可以互相传递电能。

近几年，我国也开始了对能源互联网方面的研究［7-8］。就在今年5月份，我国四川省电力公司也开始开展能源互联网在中国建设的工作，并陆续与腾讯公司以及包括清华大学在内的各大高校相关院系开展合作。

能源互联网的概念一经提出便在全球范围引起了广泛的关注，而作为能源互联网中能源传输与转换的枢纽—能源路由器，也成为各国学者研究的热点［9］。能源路由器的核心为电力电子变压器（power electronic transformer，PET），也称为固态变压器（solid state transformer，SST），因为采用了中高频的电力电子器件，因此可以极大程度减小变压器的体积和重量。而在功能上除了可以实现传统电网变压器对于电能隔离、转换、传输的基础功能外，还可以对输入输出的电压电流进行调整，提高电能质量；同时电力电子变压器也可以兼有自检测、自诊断、自保护以及联网通讯等功能［10-11］。

目前，大多数所提出的能源路由器多为两端口结构，或以将端口并联在母线上的方式实现多端口［12-13］，这种结构在实现多电压等级较为复杂，需要大量的变换器，同时端口电压等级会被限制在一定范围内。本文所提出的多端口能源路由器由于系统隔离变压器单元采用多绕组结构，因此可以通过改变绕组匝数来实现较大范围不同电压等级的接入。同时对比多绕组变压器结构与母线结构可以看出，能量在不同端口之间传输所经过的变换器数量相对较少，因此系统的效率也会提高。

1　系统特性分析及控制策略

1.1系统简介

本文所设计的多端口能源路由器旨在应用于家庭用配电系统，在如今直流家用设备以及变频设备越来越多的背景下，希望系统可以实现交直流，不同电压等级的电源或负荷的接入。同时随着电动汽车及屋顶光伏发电设备的普及，该系统也能很方便地满足这些储能设备及分布式能源的接入。该能源路由器的核心为多绕组高频隔离变压器，各端口再根据需要，例如光伏端口为实现MPPT，交流端口实现整流，各自连接不同的变换器。图1为系统的总体原理示意图。

图1　能量路由器示意图Fig.1　The energy router′s scheme

1.2高频隔离单元及简化模型分析

多端口能源路由器的多绕组高频隔离单元采用多主动桥结构（multi-active bridge，MAB），如图2所示。

图2　多绕组高频隔离变压器Fig.2　High frequency multi-winding transformer

变压器各个端口的直流侧母线电压为Udc1～n，母线直流电压经过H桥变换为占空比为0.5的高频方波，交流侧通过滤波电感与变压器的高频绕组相连接。

如果将系统理想化，忽略线路电阻，并将各端口的输出电压及等效电感整合到同一端口侧，分别为un'及Ln'，得到高频隔离单元的等效简化模型如图3所示。

图3　高频隔离单元简化模型Fig.3　Simplified model of high-frequency isolation unit

可以通过此模型得到各个端口电压与电流的关系，如下式所示：

为了方便讨论，进一步假设各端口整合后电压及相同为Udc，那么任意两端口间电压及电流波形如图4所示。

图4　任意两端口间电压及电流波形Fig.4　Voltage and current waveforms of two ports

通过计算可以得出隔离单元任意2个端口间的平均传输功率大小。对于j端口，将其与所有端口的传输功率叠加，即可得到该端口的功率传输大小，如下式所示：

其中

可以看出，在端口电压幅值、各绕组串联电感及H桥开关频率一定时，端口的传输功率与该段同其他端口的相位差有关。

1.3控制策略

由式（2）可以看出，各端口的传输功率与该端口同其他端口输出电压的相位差相关。而对于端口电压，由于端口母线电压与存储能量的关系为，可以看出，端口母线电压与端口传输功率大小相关，进而与端口相位相关。

从上面的分析可以看出，端口功率及电压与端口相位具有非线性关系，采用解析法和迭代法都较为复杂，需要大量的计算，实现较为困难。由于在实际系统运行中，各端口之间的相位差很小，而在此相位差范围内，通过式（2）可以看出，端口功率与端口相位的关系可以近似做线性化处理。

综上，对于本文中的多端口能源路由器，采用如下的控制策略：将1个端口设为参考端口，也即以此端口输出电压相位为零相位，同时该端口为参考电压端口，以保证系统电压的稳定。对其余的每个端口各自设置1个PI控制器，根据各端口需要控制的电压或功率设置参考值及实际采样值，每个PI控制器的输出为该端口的相对相位值，如图5所示。

图5　高频隔离变压器控制策略Fig.5　Control strategy of high frequency isolation transformer

2　仿真及实验

2.1系统总体设计

为了验证本文所提出多端口能源路由器及控制策略的正确可行性，进行了相关仿真及实验。本文用于仿真及实验所设计的为6端口能源路由器，6个端口分别与单相电网（交流220 V），光伏（直流48 V），储能（直流48 V），低压直流负载（直流48 V），高压直流负载（直流400 V）以及交流负载（交流220 V）。

仿真给出了系统在并网与离网两种状态下系统的功率及电压波形。通过两端口的实验验证了控制策略的正确可行性。

2.2仿真结果

仿真采用Matlab/Simulink进行系统模型的搭建。

在并网状态下，将电网端口设为参考端口；将光伏端口设置为功率控制端口并运行在MPPT工作模式，以得到最大的功率输出；将储能端口设置为功率控制端口；将低压、高压直流及交流负荷端口设置为电压控制端口以保持输出电压的稳定。

而在离网状态下，则将光伏端口设为参考电压控制端口，并将储能端口设置为功率控制端口以补充光伏输出功率与负荷功率之差，3个负荷端口仍然设置为电压端口。通过图6、图7所示的仿真结果可以看出，系统在0.5 s内可以到达预期的稳态。

图6　并网仿真结果Fig.6　Results of grid-connect simulation

图7　离网仿真结果Fig.7　Results of off-grid simulation

2.3实验结果

本文实验平台采用主从式的控制方式，主控板对各个端口母线电压及电流信息进行采集并处理计算，根据计算结果向各个分控板发送控制指令，分控板根据控制指令对各自的H桥发出驱动信号。

本文以2个端口的实验为例：输入端口为10 V的直流电压源，并设置为零相位参考端口，对输出端口采用相位-电压控制方式，将输出侧母线电压控制在20 V，两端口的电压及输出侧电流的波形如图8所示。

图8　实验结果Fig.8　Results of experiment

通过电压及电流波形可以看出，输出端口输出方波通过移相来控制端口流动功率的大小，进而控制端口母线电压的幅值，最终将电压控制在预期值，验证了控制策略的可行性。

3　结论

本文提出了一种新型多端口能源路由器，由于采用了高频隔离变压器，因此在减少变压器的体积和重量的同时，也更便于多电压等级和交直流混合系统的实现，更适用于家庭配电系统以及分布式电源与储能设备的接入。

本文通过对于多绕组高频隔离变压器的分析，得出了简化等效模型，并基于此给出了功率及电压控制策略。最后，通过仿真及实验验证了该系统的正确可行性。

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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

刘显茁（1991-），男，在读硕士研究生，Email：liuxz10@yeah.net