基于多端口能量路由器的微網系統及其調試

張程翔，陸 瑩，賀 軍，邵喬樂，葉琪超，鐘 玲

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014)

傳統化石能源枯竭以及環境惡化迫使全球能源危機問題亟待解決。近年來各國專家學者陸續提出了構建全球能源互聯網的設想[1-6]：美國北卡羅來納大學基于FREEDM構建高滲透率分布式可再生能源發電和分布式儲能并網的配電系統；歐盟啟動FINSENY項目建立未來能源互聯網的ICT平臺；國家電網也定義了以特高壓網絡為骨干輸電網，輸送清潔能源為主導的能源互聯網。各國對于能源互聯網的設想百花齊放，但都具備一個核心設備——能量路由器，其融合了信通技術與電力電子技術，可實現能源流與信息流的高效傳輸[7]。

文獻[8]闡述了固態變壓器拓撲圖，提出反步控制策略削弱了級聯子系統之間的零序環流，并基于固態變壓器進行分布式發電設備并網，已具備能量路由器的雛形。文獻[9]提出了一種基于能量平衡的多端口能量路由器關鍵參數設計方案，于實驗平臺上進行仿真分析，驗證了設計方法的有效性與正確性。文獻[10]將虛擬同步電機的轉子慣性方程加入到能量路由器AC/DC變換器與DC/DC變換器的控制策略中，經仿真驗證，電網頻率波動與直流負載突變時，能量路由器直流母線電壓在所提控制策略下較傳統下垂控制而言更為平穩。文獻[11]不僅提出一種改進的能量路由器拓撲結構，輸入級采用多電平換流器結構，隔離級采用ISOS與ISOP混聯結構，便于能量路由器接入不同電壓等級的交直流電網，還提出一種通過調整直流電壓協調端口間功率流動的控制策略。最后仿真驗證此拓撲結構與協調控制策略的可靠性與有效性。但是，目前專家與學者對于多端口能量路由器的研究仍以理論與仿真為主，實際工程應用尚且不多。

以浙江某分布式能源示范工程為依托，對工程所使用能量路由器及其構建的小型微網進行研究與調試：首先，闡述多端口雙向能量路由器拓撲結構與技術參數；其次，利用能量路由器各端口“即插即用”的特性于項目基地構建小型微網，不僅包含晶硅光伏、儲能裝置，還配備電能自給自足的智慧小屋系統；最后，解決調試過程中所遇光伏與能量路由器端口之間功率無法輸送以及電壓波動的問題，并對微網并、離網試運行過程及結果進行分析。以期為今后實際多端口能量路由器工程提供借鑒與參考。

1 多端口能量路由器

1.1 能量路由器拓撲結構

工程采用五端口雙向能量路由器，通過1#AC/DC端口與配電網相連。1#端口內部包含380/315隔離變壓器，其二次側連接三相全橋變流器，在能量路由器內部建立極間電壓為750 V的公共直流母排。2#±375 V端口由直流母排通過兩個DC/DC變換器分別建立兩路正負極間電圧均為375 V直流輸出，輸出側可引出新直流母線承載分布式電源與額定電壓為375 V的直流負載。同理，直流母排經DC/DC變換器分別構建了可承載48 V直流負載，光伏電源與儲能裝置的3#48 V負載端口，4#光伏端口，5#儲能端口，其拓撲圖如圖1所示。

圖1 五端口能量路由器拓撲結構

圖1中，Udcbus為能量路由器內部直流母排,其極間電壓udcbus=750 V；DC/DC均為boost-buck雙向DC/DC變換器，保證能量路由器2#±375 V端口的能量雙向流動與5#儲能端口蓄電池的充放電功能，且通過閉鎖晶閘管及其控制策略，確保3#48 V負載端口與4#光伏端口的能量單向流動。如圖2所示為工程用雙向五端口能量路由器，從左到右依次為1#端口、2#端口、4#與5#端口、3#端口與協調控制柜。

圖2 五端口能量路由器

由此，五端口能量路由器能夠實現交直流系統之間，不同電壓等級的能源互聯與能量雙向流動。

1.2 能量路由器技術參數

工程所用五端口雙向能量路由器主要技術參數如表1所示。

表1 能量路由器主要技術參數

2 基于能量路由器的小型微網系統

多端口能量路由器的拓撲結構與其標準化電氣接口“即插即用”的特性與微網運行模式高度契合[12-13]。微網中的分布式電源與負載可通過能量路由器內部直流母排進行能量交換，當負荷需求超過其發電能力時，微網亦可通過能量路由器從配網吸納功率，保證負載供電。

2.1 微網拓撲結構

工程以五端口雙向能量路由器為核心設備，在基地七樓搭建了包括晶硅光伏、光儲一體機、儲能裝置以及智慧小屋系統的小型微網，拓撲圖如圖3所示。其中，智慧小屋利用光伏瓦、光伏道路與光伏幕墻替代傳統建筑的屋頂、墻面與屋外路面，減少光伏板占地面積，提高太陽能利用率。屋內除常規交流負載外，還具有供直流負載使用的375 V直流與48 V直流電源接口。智慧小屋系統通過能量路由器2#端口實現電力電量的自給自足，余量上網，其低碳環保的特性符合能源互聯網的要求。

圖3 基于五端口能量路由器的微網拓撲

圖3中，Udcbus21與Udcbus22分別為能量路由器2#±375 V端口輸出側引出的兩條直流母線，其極間電壓udcbus21=udcbus22=375 V；Uacbus為配網交流母線。

Udcbus21與Udcbus22對智慧小屋系統中直流375 V負載實行一供一備的運行策略，并依據額定功率均分智慧小屋系統中的光伏電源。光伏幕墻1與光伏瓦經DC/DC變換器接入Udcbus21，光伏道路經DC/DC變換器接入Udcbus22。光伏幕墻2與配網同時對光儲一體機中的蓄電池儲能。當市電失去時，蓄電池通過AC/DC逆變后供智慧小屋中交流220 V負載。微網中智慧小屋48 V直流負載、晶硅光伏以及儲能電池分別連接至能量路由器的3#、4#、5#端口，由五端口能量路由器實現能量統一管理。

2.2 微網主要技術參數

微網中設備的主要技術參數如表2所示。

表2 微網設備技術參數

2.3 微網控制策略

工程用多端口能量路由器配備協調控制系統，以控制五個端口的運行模式與功率傳輸。用戶通過能量路由器，不但可以監控微網電源運行狀態，保證智慧小屋系統可靠運行，而且能夠設置“五端口總功率期望值”調整配網與微網間功率流動的大小與方向，一定程度上起到改善配網的功率因數，調節負荷曲線的作用。

五端口能量路由器是配網和微網之間直流電源與負荷的唯一接口。分布式光伏、儲能裝置、負載接于能量路由器內部的直流母排，系統的可靠運行與功率傳輸均依賴于其電壓的穩定[14]。微網并網運行時，配網經1#AC/DC端口建立直流母線電壓。分布式光伏與儲能裝置運行于PQ控制模式，協調控制器調節儲能裝置的功率以滿足五端口總功率期望值。微網離網運行時，1#AC/DC端口閉鎖，分布式光伏保持PQ運行，儲能裝置切換至下垂控制模式，為微網提供雙向功率支撐的同時，支撐能量路由器直流母排電壓。

3 能量路由器調試異常分析及處理

在五端口能量路由器并網運行模式與離網運行模式下，分別單獨啟動各端口進行調試。

調試過程中發現，2#端口帶分布式光伏運行時，輸出側直流母線電壓udcbus21、udcbus22驟升，且存在電壓振蕩。此外，即使在光照良好的環境下，光伏DC/DC仍無法向能量路由器輸送功率。

分布式光伏經由兩臺不同廠家供應的DC/DC變換器后，接入能量路由器2#端口，如圖1、圖3所示。能量路由器雙向DC/DC變換器拓撲圖如圖4所示。

UL、RL、CL分別為低壓側電壓、內阻與支撐電容；UH、RH、CH分別為高壓側電壓、內阻與支撐電容；T1、T2為晶閘管；L為電感；iL為通過電感的電流

當晶閘管T1截止、T2動作時，通過控制T2導通或關斷使DC/DC工作在Boost狀態，實現升壓功能；當晶閘管T1動作、T2截止時，通過控制T1導通或關斷使DC/DC工作在Buck狀態，實現降壓功能。能量路由器2#端口輸出側直流母線電壓由低壓側支撐電容CL來維持。

以能量路由器2#端口僅啟動一臺DC/DC變換器，帶光伏道路空載運行為例，udcbus22電壓波形如圖5所示。

圖5 控制策略與參數調整前2#端口輸出側直流母線電壓

光伏側DC/DC變換器工作模式如式(1)所示，

(1)

式(1)中，uL為光伏側DC/DC低壓側電壓，uL=udcbus22。

當光伏DC/DC啟動，運行在恒流模式時，可視為一電流源向Udcbus22輸送功率。由于2#端口DC/DC定電圧策略中PI控制環調節能力不足，CL不斷充電導致udcbus22攀升，t=0.8 s時，udcbus22=420 V，光伏DC/DC立即切換至恒壓模式，不再強迫DC/DC輸出電流，停止對CL充電。udcbus22因電壓過沖，最終略高于恒壓限值。t=1.6 s，由于能量路由器2#端口DC/DC調節作用，udcbus22開始下降，并于t=2.4 s時達到最低值361 V。此時，能量路由器2#端口DC/DC與切換至恒流運行模式的光伏DC/DC同時對CL充電，導致udcbus22瞬間驟升，超過恒壓限值并且達到過壓保護限值550 V，光伏DC/DC因觸發保護動作而進入待機模式。t=4.4 s時，2#端口DC/DC再次調節，udcbus22開始下降并長時間處于振蕩狀態，無法穩定在額定電壓。

整個過程僅在CL放電時，能量路由器接收到瞬時的微弱功率。由于CL不能保持充放電的動態平衡，無法向能量路由器持續穩定放電，并且光伏DC/DC中MPPT控制器在反復擾動時均無功率輸出，存在功率誤判的情況。因此能量路由器顯示光伏輸出功率為0。

綜上所述，為解決此異常，需兩臺DC/DC協調配合，故采取以下改進措施。

(1)上調2#端口DC/DC的控制環的PI參數，由Ki=0、Kp=500調整為Ki=3、Kp=900。由此加快能量路由器對udcbus22波動的響應速度，并提高平抑波動的能力。

(2)改進光伏DC/DC的控制策略。當母線電壓超過恒壓限值，使其處于恒壓運行模式時，停止MPPT。防止MPPT控制器在反復擾動后將功率最大點設定為異常值，從而向2#端口輸出異常功率。等待直流母線電壓恢復且進入恒流模式后，再次啟動MPPT。

(3)調整光伏DC/DC的MPPT時間間隔，由300 ms延長至3 s。由此降低DC/DC對光伏最大功率點的追蹤頻率，降低了光照度變化時光伏DC/DC輸出功率的波動程度，進一步減輕了能量路由器2#端口對UL的調節壓力。

采取改進措施后，2#端口帶光伏道路啟動瞬間，udcbus22會短暫升高，光伏DC/DC切換至恒壓模式并停止MPPT，在此階段能量路由器幾乎無功率流入。t=1.3 s由于能量路由器的調節，udcbus22迅速下降，隨后在額定電壓值附近有小幅振蕩并且振幅逐漸衰減，此階段光伏DC/DC切換至恒流模式，啟動MPPT并獲取正常值，輸出功率逐漸增加。t=4.1 s后，udcbus22最終穩定在375 V，2#端口流入功率穩定在5.4 kW，至此能量路由器2#±375 V端口帶光伏道路能夠穩定可靠運行，其輸出側直流母線電壓與流入功率如圖6、圖7所示。

圖6 控制策略與參數調整后2#端口輸出側直流母線電壓

圖7 控制策略與參數調整后2#端口流入功率

4 微網整體運行

啟動五端口能量路由器及其所接電氣設備，使微網分別運行在并網模式與離網模式，檢查微網運行工況。由于一期工程未接入375 V與48 V直流負載，因此調試中不啟動能量路由器3#端口，2#端口僅單向接收智慧小屋系統中分布式光伏的下送功率。定義光伏功率限值為Pvlim，儲能充電功率為Ps，光伏輸出功率為Pv。

4.1 微網并網運行結果分析

啟動能量路由器1#端口，并設置其總功率期望值為-7 kW，即配網向微網持續輸入功率7 kW，儲能裝置通過充電消納光伏與1#端口輸入的功率。

首先，能量路由器協調控制系統對光伏限功率運行，Pvlim=15 kW，配網與光伏通過能量路由器5#端口同時對儲能裝置充電。t=122 s，調整功率限值Pvlim=10 kW，儲能充電功率相應下調；t=330 s時刻撤銷光伏限功率運行，光伏、儲能功率分別為Pv=22.21 kW，Ps=29.17 kW。調試過程中儲能裝置均能較好跟隨光伏出力波動，實現微網內部電力平衡。微網在并網運行時，配網通過1#AC/DC端口建立恒定的直流母排電壓，光伏出力的變化對其影響不大。udcbus僅在t=331 s時刻產生微小的波動，隨后立刻恢復至額定。能量路由器各端口功率和直流母排電壓udcbus如圖8、圖9所示。

圖8 微網并網運行時能量路由器各端口功率

圖9 微網并網運行時能量路由器直流母排電壓

4.2 微網離網運行結果分析

閉鎖五端口能量路由器1#端口，啟動剩余端口，微網處于離網運行狀態，儲能裝置為直流微網提供電壓支撐。

光伏正常運行時，Pv=24.20 kW，在t=148 s時刻以Pvlim=15 kW限功率運行，儲能隨后立刻減小充電功率，跟隨光伏出力，此階段直流母排電壓udcbus存在波動,但最終穩定在746.9 V。原因在于光伏功率減小瞬間，儲能過充導致udcbus下降，協調控制器通過下垂控制調節儲能充電功率后，udcbus重新抬升。由于下垂特性，udcbus與原電壓存在偏差，無法恢復至額定值，但仍然滿足運行條件。結果驗證了在能量路由器的調節下，微網在離網模式也能夠穩定運行。能量路由器各端口功率與直流母排電壓udcbus如圖10、圖11所示。

圖10 微網離網運行時能量路由器各端口功率

圖11 微網離網運行時能量路由器母排電壓

5 結論

以浙江某分布式能源示范工程為例，論述了五端口能量路由器的拓撲結構，并以能量路由器為核心載體在工程中構建包含晶硅光伏、儲能裝置與智慧小屋系統的微網。其中,智慧小屋借助能量路由器實現電能自發自用，該組合模式可對今后智慧小屋的廣泛建設起到示范作用。通過協調DC/DC之間的控制策略與技術參數，解決能量路由器2#端口輸出側直流母線電壓驟升與振蕩問題，保證光伏出力可靠下送至能量路由器。此調試優化過程可對今后多DC/DC串聯使用，以及分布式電源接入能量路由器方面具有借鑒與指導意義。最后，微網并、離網運行結果驗證了基于多端口能量路由器構建微網系統的正確性與有效性。