基于多端口能量路由器的微网系统及其调试

张程翔，陆 莹，贺 军，邵乔乐，叶琪超，钟 玲

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014)

传统化石能源枯竭以及环境恶化迫使全球能源危机问题亟待解决。近年来各国专家学者陆续提出了构建全球能源互联网的设想[1-6]：美国北卡罗来纳大学基于FREEDM构建高渗透率分布式可再生能源发电和分布式储能并网的配电系统；欧盟启动FINSENY项目建立未来能源互联网的ICT平台；国家电网也定义了以特高压网络为骨干输电网，输送清洁能源为主导的能源互联网。各国对于能源互联网的设想百花齐放，但都具备一个核心设备——能量路由器，其融合了信通技术与电力电子技术，可实现能源流与信息流的高效传输[7]。

文献[8]阐述了固态变压器拓扑图，提出反步控制策略削弱了级联子系统之间的零序环流，并基于固态变压器进行分布式发电设备并网，已具备能量路由器的雏形。文献[9]提出了一种基于能量平衡的多端口能量路由器关键参数设计方案，于实验平台上进行仿真分析，验证了设计方法的有效性与正确性。文献[10]将虚拟同步电机的转子惯性方程加入到能量路由器AC/DC变换器与DC/DC变换器的控制策略中，经仿真验证，电网频率波动与直流负载突变时，能量路由器直流母线电压在所提控制策略下较传统下垂控制而言更为平稳。文献[11]不仅提出一种改进的能量路由器拓扑结构，输入级采用多电平换流器结构，隔离级采用ISOS与ISOP混联结构，便于能量路由器接入不同电压等级的交直流电网，还提出一种通过调整直流电压协调端口间功率流动的控制策略。最后仿真验证此拓扑结构与协调控制策略的可靠性与有效性。但是，目前专家与学者对于多端口能量路由器的研究仍以理论与仿真为主，实际工程应用尚且不多。

以浙江某分布式能源示范工程为依托，对工程所使用能量路由器及其构建的小型微网进行研究与调试：首先，阐述多端口双向能量路由器拓扑结构与技术参数；其次，利用能量路由器各端口“即插即用”的特性于项目基地构建小型微网，不仅包含晶硅光伏、储能装置，还配备电能自给自足的智慧小屋系统；最后，解决调试过程中所遇光伏与能量路由器端口之间功率无法输送以及电压波动的问题，并对微网并、离网试运行过程及结果进行分析。以期为今后实际多端口能量路由器工程提供借鉴与参考。

1 多端口能量路由器

1.1 能量路由器拓扑结构

工程采用五端口双向能量路由器，通过1#AC/DC端口与配电网相连。1#端口内部包含380/315隔离变压器，其二次侧连接三相全桥变流器，在能量路由器内部建立极间电压为750 V的公共直流母排。2#±375 V端口由直流母排通过两个DC/DC变换器分别建立两路正负极间电圧均为375 V直流输出，输出侧可引出新直流母线承载分布式电源与额定电压为375 V的直流负载。同理，直流母排经DC/DC变换器分别构建了可承载48 V直流负载，光伏电源与储能装置的3#48 V负载端口，4#光伏端口，5#储能端口，其拓扑图如图1所示。

图1 五端口能量路由器拓扑结构

图1中，Udcbus为能量路由器内部直流母排,其极间电压udcbus=750 V；DC/DC均为boost-buck双向DC/DC变换器，保证能量路由器2#±375 V端口的能量双向流动与5#储能端口蓄电池的充放电功能，且通过闭锁晶闸管及其控制策略，确保3#48 V负载端口与4#光伏端口的能量单向流动。如图2所示为工程用双向五端口能量路由器，从左到右依次为1#端口、2#端口、4#与5#端口、3#端口与协调控制柜。

图2 五端口能量路由器

由此，五端口能量路由器能够实现交直流系统之间，不同电压等级的能源互联与能量双向流动。

1.2 能量路由器技术参数

工程所用五端口双向能量路由器主要技术参数如表1所示。

表1 能量路由器主要技术参数

2 基于能量路由器的小型微网系统

多端口能量路由器的拓扑结构与其标准化电气接口“即插即用”的特性与微网运行模式高度契合[12-13]。微网中的分布式电源与负载可通过能量路由器内部直流母排进行能量交换，当负荷需求超过其发电能力时，微网亦可通过能量路由器从配网吸纳功率，保证负载供电。

2.1 微网拓扑结构

工程以五端口双向能量路由器为核心设备，在基地七楼搭建了包括晶硅光伏、光储一体机、储能装置以及智慧小屋系统的小型微网，拓扑图如图3所示。其中，智慧小屋利用光伏瓦、光伏道路与光伏幕墙替代传统建筑的屋顶、墙面与屋外路面，减少光伏板占地面积，提高太阳能利用率。屋内除常规交流负载外，还具有供直流负载使用的375 V直流与48 V直流电源接口。智慧小屋系统通过能量路由器2#端口实现电力电量的自给自足，余量上网，其低碳环保的特性符合能源互联网的要求。

图3 基于五端口能量路由器的微网拓扑

图3中，Udcbus21与Udcbus22分别为能量路由器2#±375 V端口输出侧引出的两条直流母线，其极间电压udcbus21=udcbus22=375 V；Uacbus为配网交流母线。

Udcbus21与Udcbus22对智慧小屋系统中直流375 V负载实行一供一备的运行策略，并依据额定功率均分智慧小屋系统中的光伏电源。光伏幕墙1与光伏瓦经DC/DC变换器接入Udcbus21，光伏道路经DC/DC变换器接入Udcbus22。光伏幕墙2与配网同时对光储一体机中的蓄电池储能。当市电失去时，蓄电池通过AC/DC逆变后供智慧小屋中交流220 V负载。微网中智慧小屋48 V直流负载、晶硅光伏以及储能电池分别连接至能量路由器的3#、4#、5#端口，由五端口能量路由器实现能量统一管理。

2.2 微网主要技术参数

微网中设备的主要技术参数如表2所示。

表2 微网设备技术参数

2.3 微网控制策略

工程用多端口能量路由器配备协调控制系统，以控制五个端口的运行模式与功率传输。用户通过能量路由器，不但可以监控微网电源运行状态，保证智慧小屋系统可靠运行，而且能够设置“五端口总功率期望值”调整配网与微网间功率流动的大小与方向，一定程度上起到改善配网的功率因数，调节负荷曲线的作用。

五端口能量路由器是配网和微网之间直流电源与负荷的唯一接口。分布式光伏、储能装置、负载接于能量路由器内部的直流母排，系统的可靠运行与功率传输均依赖于其电压的稳定[14]。微网并网运行时，配网经1#AC/DC端口建立直流母线电压。分布式光伏与储能装置运行于PQ控制模式，协调控制器调节储能装置的功率以满足五端口总功率期望值。微网离网运行时，1#AC/DC端口闭锁，分布式光伏保持PQ运行，储能装置切换至下垂控制模式，为微网提供双向功率支撑的同时，支撑能量路由器直流母排电压。

3 能量路由器调试异常分析及处理

在五端口能量路由器并网运行模式与离网运行模式下，分别单独启动各端口进行调试。

调试过程中发现，2#端口带分布式光伏运行时，输出侧直流母线电压udcbus21、udcbus22骤升，且存在电压振荡。此外，即使在光照良好的环境下，光伏DC/DC仍无法向能量路由器输送功率。

分布式光伏经由两台不同厂家供应的DC/DC变换器后，接入能量路由器2#端口，如图1、图3所示。能量路由器双向DC/DC变换器拓扑图如图4所示。

UL、RL、CL分别为低压侧电压、内阻与支撑电容；UH、RH、CH分别为高压侧电压、内阻与支撑电容；T1、T2为晶闸管；L为电感；iL为通过电感的电流

当晶闸管T1截止、T2动作时，通过控制T2导通或关断使DC/DC工作在Boost状态，实现升压功能；当晶闸管T1动作、T2截止时，通过控制T1导通或关断使DC/DC工作在Buck状态，实现降压功能。能量路由器2#端口输出侧直流母线电压由低压侧支撑电容CL来维持。

以能量路由器2#端口仅启动一台DC/DC变换器，带光伏道路空载运行为例，udcbus22电压波形如图5所示。

图5 控制策略与参数调整前2#端口输出侧直流母线电压

光伏侧DC/DC变换器工作模式如式(1)所示，

(1)

式(1)中，uL为光伏侧DC/DC低压侧电压，uL=udcbus22。

当光伏DC/DC启动，运行在恒流模式时，可视为一电流源向Udcbus22输送功率。由于2#端口DC/DC定电圧策略中PI控制环调节能力不足，CL不断充电导致udcbus22攀升，t=0.8 s时，udcbus22=420 V，光伏DC/DC立即切换至恒压模式，不再强迫DC/DC输出电流，停止对CL充电。udcbus22因电压过冲，最终略高于恒压限值。t=1.6 s，由于能量路由器2#端口DC/DC调节作用，udcbus22开始下降，并于t=2.4 s时达到最低值361 V。此时，能量路由器2#端口DC/DC与切换至恒流运行模式的光伏DC/DC同时对CL充电，导致udcbus22瞬间骤升，超过恒压限值并且达到过压保护限值550 V，光伏DC/DC因触发保护动作而进入待机模式。t=4.4 s时，2#端口DC/DC再次调节，udcbus22开始下降并长时间处于振荡状态，无法稳定在额定电压。

整个过程仅在CL放电时，能量路由器接收到瞬时的微弱功率。由于CL不能保持充放电的动态平衡，无法向能量路由器持续稳定放电，并且光伏DC/DC中MPPT控制器在反复扰动时均无功率输出，存在功率误判的情况。因此能量路由器显示光伏输出功率为0。

综上所述，为解决此异常，需两台DC/DC协调配合，故采取以下改进措施。

(1)上调2#端口DC/DC的控制环的PI参数，由Ki=0、Kp=500调整为Ki=3、Kp=900。由此加快能量路由器对udcbus22波动的响应速度，并提高平抑波动的能力。

(2)改进光伏DC/DC的控制策略。当母线电压超过恒压限值，使其处于恒压运行模式时，停止MPPT。防止MPPT控制器在反复扰动后将功率最大点设定为异常值，从而向2#端口输出异常功率。等待直流母线电压恢复且进入恒流模式后，再次启动MPPT。

(3)调整光伏DC/DC的MPPT时间间隔，由300 ms延长至3 s。由此降低DC/DC对光伏最大功率点的追踪频率，降低了光照度变化时光伏DC/DC输出功率的波动程度，进一步减轻了能量路由器2#端口对UL的调节压力。

采取改进措施后，2#端口带光伏道路启动瞬间，udcbus22会短暂升高，光伏DC/DC切换至恒压模式并停止MPPT，在此阶段能量路由器几乎无功率流入。t=1.3 s由于能量路由器的调节，udcbus22迅速下降，随后在额定电压值附近有小幅振荡并且振幅逐渐衰减，此阶段光伏DC/DC切换至恒流模式，启动MPPT并获取正常值，输出功率逐渐增加。t=4.1 s后，udcbus22最终稳定在375 V，2#端口流入功率稳定在5.4 kW，至此能量路由器2#±375 V端口带光伏道路能够稳定可靠运行，其输出侧直流母线电压与流入功率如图6、图7所示。

图6 控制策略与参数调整后2#端口输出侧直流母线电压

图7 控制策略与参数调整后2#端口流入功率

4 微网整体运行

启动五端口能量路由器及其所接电气设备，使微网分别运行在并网模式与离网模式，检查微网运行工况。由于一期工程未接入375 V与48 V直流负载，因此调试中不启动能量路由器3#端口，2#端口仅单向接收智慧小屋系统中分布式光伏的下送功率。定义光伏功率限值为Pvlim，储能充电功率为Ps，光伏输出功率为Pv。

4.1 微网并网运行结果分析

启动能量路由器1#端口，并设置其总功率期望值为-7 kW，即配网向微网持续输入功率7 kW，储能装置通过充电消纳光伏与1#端口输入的功率。

首先，能量路由器协调控制系统对光伏限功率运行，Pvlim=15 kW，配网与光伏通过能量路由器5#端口同时对储能装置充电。t=122 s，调整功率限值Pvlim=10 kW，储能充电功率相应下调；t=330 s时刻撤销光伏限功率运行，光伏、储能功率分别为Pv=22.21 kW，Ps=29.17 kW。调试过程中储能装置均能较好跟随光伏出力波动，实现微网内部电力平衡。微网在并网运行时，配网通过1#AC/DC端口建立恒定的直流母排电压，光伏出力的变化对其影响不大。udcbus仅在t=331 s时刻产生微小的波动，随后立刻恢复至额定。能量路由器各端口功率和直流母排电压udcbus如图8、图9所示。

图8 微网并网运行时能量路由器各端口功率

图9 微网并网运行时能量路由器直流母排电压

4.2 微网离网运行结果分析

闭锁五端口能量路由器1#端口，启动剩余端口，微网处于离网运行状态，储能装置为直流微网提供电压支撑。

光伏正常运行时，Pv=24.20 kW，在t=148 s时刻以Pvlim=15 kW限功率运行，储能随后立刻减小充电功率，跟随光伏出力，此阶段直流母排电压udcbus存在波动,但最终稳定在746.9 V。原因在于光伏功率减小瞬间，储能过充导致udcbus下降，协调控制器通过下垂控制调节储能充电功率后，udcbus重新抬升。由于下垂特性，udcbus与原电压存在偏差，无法恢复至额定值，但仍然满足运行条件。结果验证了在能量路由器的调节下，微网在离网模式也能够稳定运行。能量路由器各端口功率与直流母排电压udcbus如图10、图11所示。

图10 微网离网运行时能量路由器各端口功率

图11 微网离网运行时能量路由器母排电压

5 结论

以浙江某分布式能源示范工程为例，论述了五端口能量路由器的拓扑结构，并以能量路由器为核心载体在工程中构建包含晶硅光伏、储能装置与智慧小屋系统的微网。其中,智慧小屋借助能量路由器实现电能自发自用，该组合模式可对今后智慧小屋的广泛建设起到示范作用。通过协调DC/DC之间的控制策略与技术参数，解决能量路由器2#端口输出侧直流母线电压骤升与振荡问题，保证光伏出力可靠下送至能量路由器。此调试优化过程可对今后多DC/DC串联使用，以及分布式电源接入能量路由器方面具有借鉴与指导意义。最后，微网并、离网运行结果验证了基于多端口能量路由器构建微网系统的正确性与有效性。