一种户用型多端口能量路由器功率协调控制策略

季韵秋, 李锐华, 胡 波

(同济大学 电子与信息工程学院 电气工程系,上海 201804)

0 引 言

“双碳”背景下,越来越多的分布式能源接入电网,这对配电网智能化提出了更高的要求[1]。由于太阳能、风能等可再生能源发电具有随机性、间歇性的特点,使得电力系统由以往的单侧随机系统转变为“双侧随机系统”,严重影响了电力系统的安全性[2];另外,电动汽车等非线性负载导致电力用户从电网单向获取能量转为能量双向流动[3]。这些变化使得传统的配电网控制策略已无法适应新能源接入配电网的应用环境[4]。基于电力电子和信息技术的能量路由器(E-Router)能够为不同类型电能提供多种多样的电能接口[5],且具有灵活的功率控制及信息交互功能。因此,通过多端口能量路由器整合分布式发电、储能、充电桩后能够有效接入低压配电网,实现源-网-荷-储一体化优化管理的协调运行,从而提升负荷调节能力与新能源消纳水平。

E-Router最早被提出时以固态变压器为核心部件,面向中压配电网,实现交直流电网间的互联以及潮流的灵活控制。随着应用场景的不断丰富,面向低压配电网、交/直微电网应用的E-Router能量流的协调控制和优化调度研究将是未来重要发展方向之一[6]。

在能源互联网应用中,从低压用户侧能源的供应端来看,E-Router能够实现风能、太阳能等可再生能源接入的一体化运行,提高可再生能源的消纳水平。从电力用户端来看,在E-Router内部配置不同的电能转换接口,可以提高电能供应的灵活性[7]。因此,E-Router的多端口设计尤为必要。文献[8]中提出一种能接入中压柔性直流系统的通用四端口能量路由器,但缺乏对低压直流端口变流器的设计。文献[9]构建了一种基于五端口能量路由器的小型微网,通过优化光伏端口DC/DC变换器解决E-Router直流母线电压波动的问题,但其未对各端口拓扑结构及E-Router功率协调控制策略展开详细研究。文献[10]提出了一种户用型能量路由器,以E-Router内部直流母线电压大小为信号,对E-Router进行分区管理,实现离网模式下源荷储间的能量平衡,但没有对并网状态下E-Router与配电网间的能量互济情况进行详细研究。文献[11]研究了一种四端口能量路由器,提出了一种双层控制策略,能够实现并网模式下能量路由器交流端口的功率控制,但并未对离网模式下的协调控制策略进行研究。文献[12]提出了一种五端口能量路由器,能够实现端口的潮流反转、柔性互联及储能对系统自稳定的控制,但系统运行模式多,控制十分复杂,在低压配电网中的应用仍然受到一定限制和阻碍。

为了有效管理大量分布式可再生能源及电动汽车等新型不确定性负载,面向低压配电网能源互联网应用,本文提出一种基于可再生能源接入的户用型多端口能量路由器,并对其功率协调控制策略进行研究,实现E-Router各端口之间以及E-Router与低压配电网之间的功率互济,实现用户侧低碳功能区源-网-荷-储一体化运行,从而提高新能源的消纳水平和配电网的供电可靠性及安全性。最后,通过构建MATLAB/Simulink系统仿真模型进行仿真分析和验证,为系统设计与实现奠定理论基础。

1 多端口能量路由器基本结构及运行模式

1.1 能量路由器基本结构

本文所提出的多端口能量路由器主要面向低压小容量电力用户,依据用户侧实际需求应用场景进行设计,注重考虑能源互联的扩展性与灵活性。多端口能量路由器作为电能互联管理与控制的核心设备,不同种类的电能通过与直流母线互连的电力变换器单元进行电能转换与传输。本文所提出的户用型低压配电网多端口能量路由器应用场景如图1所示。

户用型多端口能量路由器作为实现低碳功能区源-网-荷-储一体化运行的关键设备,能够为可再生能源(光伏、风能)发电、储能电池、低压配电网以及常见的交直流负载提供不同的电能接口。本文所提出的多端口能量路由器端口基本结构如图2所示。

图2 户用型多端口能量路由器端口基本结构

1.2 能量路由器运行模式

为了尽可能提升用户侧低碳功能区新能源消纳水平,实现源-网-荷-储一体化运行,需要对E-Router运行模式进行分析。根据E-Router与低压配电网的连接状态,系统运行可划分为孤岛运行与并网运行两种模式。

在低压配电网中,通常E-Router运行在并网模式下。此时,主要通过网侧变流器实现E-Router与配电网之间的功率交互,并由配电网维持整个系统的功率平衡。当低压配电网故障时,E-Router能够以孤岛模式运行,孤岛模式运行期间主要通过储能单元维持整个系统的功率平衡。一旦配电网恢复,多端口能量路由器可以重新进入并网运行模式。

2 多端口能量路由器功率协调控制策略设计

为了实现用户侧低碳功能区源-网-荷-储一体化运行,本文提出了一种基于主从控制的户用型能量路由器功率协调控制策略,并给出了能量路由器不同端口变流器的设计方案。

2.1 能量路由器功率协调控制策略

能量路由器控制单元由主控制器和各端口变流器控制器组成。在不同的运行模式中:主端口变流器采用定电压控制维持 E-Router 直流母线稳定、协调系统功率流动;其他端口变流器根据控制指令,工作在相应模式下。

为了提高新能源消纳水平,本文以新能源消纳主信号,对E-Router工作模态进行如表1所示的划分。

表1 E-Router工作模态划分

根据表1中的模态,对各功能单元变换器进行功率协调控制,最终实现E-Router系统的源-网-荷-储功率平衡。即满足式(1):

PWT+PPV+Pgrid+Pbat+Pload=0

(1)

式中:Pgrid为电网与E-Router的功率交互,Pgrid为正表示E-Router从配电网吸收功率;PWT、PPV分别为风电端口、光伏端口输入到E-Router的功率;Pbat为储能单元释放功率。

2.2 能量路由器端口变流器功率控制策略

2.2.1 网侧端口变流器

在E-Router并网运行模式下,网侧端口变流器主要用于实现E-Router与配电网之间的功率交互。本文选择电压源型变换器(VSC)作为E-Router网侧端口变流器,其为双向DC/AC变换器,具备能量双向流动的功能。

为了维持并网运行模式下E-Router内部系统的功率平衡和直流母线电压稳定,网侧VSC采用定直流电压控制,控制框图如图3所示。图3中,us(abc)、uc(abc)和i(abc)分别表示交流系统三相电压、VSC交流端三相电压和电流瞬时值;us(dq)和i(dq)分别表示交流系统三相电压和交流侧三相电流在dq坐标轴上的等效分量;Udc、idc分别表示直流侧电压和电流;Udcref表示直流侧电压给定值;假设三相主电路参数完全相同,Lx为等效电感;θ为电压空间矢量极角,由交流侧电压锁相环获取;ω为系统额定电压频率。

图3 网侧端口变流器控制框图

基于瞬时功率理论,且在电网电压定向的同步旋转坐标系中,交流系统输出的瞬时有功功率Ps、无功功率Qs可表示为

(2)

在三相VSC中,直流侧输入有功功率瞬时值为p=idcUdc,不考虑变换器及线路损耗,则根据功率平衡原理,VSC输出到直流侧的有功功率等于配电网输入到VSC的有功功率,则有:

idcUdc=p=3/2usdid

(3)

Udc=3usdid/2idc

(4)

由式(3)和式(4)可以看出,由于配电网三相交流电压保持不变,因此需要在功率波动时通过控制有功电流id来稳定直流母线电压Udc。如图3所示,本文采用了电压外环和电流内环的双闭环控制结构。外环将直流电压给定值与反馈值的偏差经过PI调节后输出作为有功电流的参考值idref,将q轴电流给定值设置为0以实现单位功率因数。内环控制为实现VSC交流侧输出电流快速跟随电流参考值,本文中采用直接电流控制法,基于dq旋转坐标系对有功电流与无功电流进行解耦,电流控制器的输出量作为VSC输出电压的期望值,通过脉宽调制后可获得各桥臂的触发脉冲。

2.2.2 风力发电端口变流器

由于VSC具有独立控制有功功率和无功功率的特性[13],风力发电单元选用VSC作为风力发电端口变流器,将风力发电机所发电能接入到E-Router内部的直流母线。此时VSC工作在整流模式下。

为了保证风力发电接入端口能够有效吸收风力发电交流系统发出的电能,风电端口变流器采用PQ控制策略。其控制框图如图4所示。图4中,Pref为风电交流系统发出的有功功率;P为风力发电端口变流器输出的有功功率;Qref为风电交流系统发出的无功功率。

图4 风电端口变流器控制框图

由式(1)可知,由于三相交流系统电压保持不变,即usd保持不变,有功电流参考值idref可由有功功率参考值Pref计算得到,q轴电流给定值设置为0以实现单位功率因数。通过实现对VSC输出有功功率和无功功率的独立控制,使得风力发电端口变流器输出功率能有效跟踪风力发电机发出的电能,为E-Router提供新能源发电电能。

2.2.3 交流负载端口变流器

能量路由器交流负载端口能够为用户提供电压幅值和频率稳定的交流电,保障用户交流负荷的用电需求。因此交流负载端口仍选用VSC拓扑结构,并采用恒压/恒频控制策略。此时VSC工作在逆变模式下,控制框图如图5所示。

图5 交流负载端口变流器控制框图

图5中,udref、uqref表示电压参考值。恒压/恒频控制是在下垂控制的基础之上实现的,其参考电压在线路设计时直接给定。考虑到交流电网频率稳定,控制系统参考频率及角频率由给定频率为50 Hz的虚拟锁相环提供。恒压/恒频控制采取如图5所示外环电压、内环电流的双闭环控制方式,以保证负载负荷的电压幅值和频率大小近似保持不变。

2.2.4 光伏发电端口变流器

光伏发电端口变流器主要用于将光伏发出的电能接入到E-Router直流母线,供能量路由器进行电能分配。由于光伏发电受光照的影响较大,其输出功率具有随机性和波动性,并且输出电压波动范围大。因此,为了实现光伏发电宽电压范围接入,提高E-Router的适用性,本文采用一种通用型双向DC/DC变流器[14],以满足E-Router不同直流端口的接入需求,其拓扑结构如图6所示。用作光伏接入端口变流器时,该双向DC/DC变换器工作在Boost模式下,实现功率的单向流动。

图6 光伏发电端口DC/DC变换器控制框图

由图6可知,该DC/DC变换器由内置变压器、一对交错半桥双向电路和一个辅助三电平电路组成。其中:uH、uL和iH、iL分别为变换器高/低压侧电压和电流;L1、L2分别为低压侧耦合滤波电感;内置变压器变比n=N1/N2;Lr等效为变压器原边漏感和外加电感;Lm为变压器副边侧的等效励磁电感;C1、C2、C3分别为箝位电容;Pref为光伏发电装置产生的电能;P为变换器实际输出功率。

变流器的电压增益为[14]

(5)

传输功率表达式如式(6)所示:

(6)

为了保证光伏端口变流器输出的有功功率P能有效跟踪光伏装置发出的电能,其控制策略如图6所示。控制环节为电压调节环和功率环,根据式(5)可以计算得到占空比,功率环将功率给定值与反馈值的偏差经过PI调节后得到φ,通过控制φ实现对功率流向的控制,实现光伏发电装置产生的电能的有效接入。

2.2.5 储能端口变流器

储能端口DC/DC变换器的主要作用是在E-Router孤岛运行时支撑和维持E-Router的直流母线电压并为负载提供电能,从而保证E-Router正常运行。储能端口变流器选用图6所示的通用型双向DC/DC变换器拓扑结构,其高压侧连接E-Router内部直流母线,低压侧连接储能电池。本文仅考虑在孤岛模式下,储能单元作为源参与E-Router功率分配,考虑到功率平衡,仅讨论储能工作于放电模式下的情况。

孤岛运行状态下,储能端口变换器采用定高压侧直流电压控制策略。针对储能侧变流器设计的控制策略如 7 所示。图7中,uL、uH分别为储能装置输出电压和E-Router内部直流母线电压;uHref为母线电压参考值;iL为储能装置电流。其控制环节由电压外环和电流内环组成,通过控制φ实现高压侧电压的稳定控制。

图7 储能端口DC/DC侧变换器控制策略框图

3 仿真分析及验证

为了验证本文所提出的E-Router功率协调控制策略的可行性及有效性,在MATLAB/Simulink中搭建了由1路联网单元、风力发电单元、光伏单元、储能单元和交流负载单元组成的多端口能量路由器仿真模型,仿真系统参数如表2所示。

表2 多端口能量路由器仿真参数

3.1 能量路由器并网运行仿真验证

3.1.1 能量路由器功率释放模式仿真分析

应用场景:当系统光伏和风电出力无法完全被负荷消纳,即:PPV+PWT>PL时,E-Router需要向配电网释放电能。其能量路由器各端口功率及直流母线电压波形如图8所示,仿真结果见表3。

表3 仿真结果 kW

图8 能量路由器各端口功率及直流母线电压波形

由图8和表3可以看出,分布式单元出力发生变化,负载突增/减时,网侧变换器能够维持E-Router的母线电压实现快速稳定。

3.1.2 能量路由器功率吸收模式仿真分析

应用场景:当系统光伏和风电出力无法满足负荷需求,即:PPV+PWT

表4 仿真结果 kW

由图9和表4可以看出,在分布式单元出力发生变化、负载突增/减时,E-Router的母线电压也能够快速稳定在600 V。

3.1.3 能量路由器功率潮流反转仿真验证

应用场景:当E-Router发生潮流反转时,E-Router需要根据本地负荷大小,从配电网吸收/释放电能维持系统稳定运行。其能量路由器各端口功率及直流母线电压波形如图10所示,仿真结果见表5。

表5 仿真结果 kW

图10 能量路由器各端口功率及直流母线电压波形

由图10和表5可以看出,在分布式单元出力发生变化、负载突增/减时,E-Router的母线电压能够快速稳定。

3.2 能量路由器孤岛模式仿真验证

应用场景:当低压配电网故障时或在偏远地区,E-Router将以孤岛模式运行,孤岛模式运行期间主要通过储能单元支撑系统母线电压和维持整个系统的功率平衡。此时若系统光伏和风电出力无法满足负荷需求,E-Router通过从储能电池吸收功率弥补负荷用电需求。其能量路由器各端口功率及直流母线电压波形如图11所示,仿真结果见表6。

表6 仿真结果 kW

图11 能量路由器各端口功率及直流母线电压波形

由图11和表6可以看出,在分布式单元出力发生变化,负载突增/减时,E-Router的母线电压能够快速稳定在600 V,验证了E-Router在离网模式下能实现系统内功率平衡。

4 结 语

本文提出了一种面向低压配电网的户用型多端口能量路由器应用方案,设计了能量路由器各端口变流器的功率控制策略,并进行了仿真分析。仿真结果表明:本文所提出的户用型多端口能量路由器及其功率协调控制策略实现了用户侧低碳功能区源-网-荷-储一体化运行,有效提升了低压配电网中的负荷调节能力与新能源消纳水平,为新能源利用提供了一种有效的解决方案。