含多端口能量路由器的多能互補系統故障保護功能測試研究

周一凡，蘇 適，朱 斌，孫 宬

（云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明650217）

0 引言

隨著旅游業的發展，某區域用電負荷存在無限制接入、無法準確預測等問題，且存在較嚴重的季節性過載現象，旅游旺季用電負荷明顯上升，導致供電可靠性下降。同時，該區域的水力發電和光伏發電系統存在功率波動大、穩定性較差的問題。針對以上存在的問題，如果僅采用一次手段對配電網進行改造，會造成一次設備浪費嚴重，大多數情況下低載運行。

能量路由器是配電網系統多能接入的核心裝置，最基本任務是管理接入能量和負荷，尋求最優路徑[1-3]。能量路由器具有多個電氣接口，可將配電網與各種可再生能源、各類負荷需求緊密結合，實現能源的耦合、互濟、互補[4-6]。因此，能量路由器的應用研究具有重要意義。

本文研制了多能（含水電、光伏、儲能）、多端口的能量路由器裝置及其能量管理系統，能夠就近消納小水電、光伏等新能源，綜合考慮當地多場景運行，實現資源的合理配置與利用，解決季節性過載問題。但能量路由器的引入對配電網的功能及性能會帶來影響[7-8]。因此，需要對接入能量路由器后的配電網進行測試。本文將針對含能量路由器的多能互補系統的故障保護功能進行測試研究，從而評估該多能互補系統的功能和性能。

1 能量路由器拓撲結構和工作模式

1.1 拓撲結構

如圖1所示，該能量路由器具有4個端口，總功率為500 kW，直流母線電壓為750 V，儲能端口能夠實現能量的雙向流動。系統拓撲結構如圖2所示，圖3為多端口能量路由器實際系統。

圖1 電廠布置圖Fig. 1 Power plant layout

圖2 拓撲結構Fig. 2 Topology

圖3 多端口能量路由器Fig. 3 Multi-port energy router

（1）小水電端口采用1個500 kW的中點鉗位型（NPC）三電平PWM整流器。

水電端口的輸出電壓為6.3 kV，通過工頻變壓器將6.3 kV轉化為380 V，方便能量路由器裝置的低壓接入和工程實現。

拓撲結構如圖4所示，包括12個帶有反并聯二極管的IGBT（T1～T12）和6個二極管D1～D6。相較兩電平結構，中點鉗位型（NPC）三電平結構雖然器件數量較多，控制較為復雜，但對開關管進行合理控制，可有效改善輸出電壓波形，降低諧波含量，提高電能質量[9,10]。并且開關管承受的電壓僅為Ud/2，電壓應力小，適合高壓大功率的場景下使用。

圖4 中點鉗位型（NPC）三電平PWM整流電路Fig. 4 Neutral point clamp (NPC) type three-level PWM rectifier circuit

（2）并網端口采用1個500 kW的兩電平隔離型PWM逆變器。

并網端口接入10 kV電網，故采用10 kV/380 V的工頻變壓器實現電壓等級變換，方便能量路由器裝置的低壓接入以及電氣隔離。

如圖5所示，該電路能實現能量雙向流動，可以運行在整流狀態或逆變狀態，且兩種狀態下均能實現功率因數單位化。

圖5 三相橋式兩電平PWM逆變電路Fig. 5 Three-phase bridge two-level PWM inverter circuit

電路工作原理遵循180°導電方式，上下橋臂交替導通，三相開關器件的導通起始角度依次相差120°。任意時刻均有3個開關管導通，不同開關組合時輸出的相電壓值如表1所示（設直流側電壓為1）。

表1 不同開關組合時輸出的相電壓值Tab. 1 The output phase voltage value in different switch combinations

（3）光伏/儲能端口分別采用2個250 kW的非隔離型DC/DC變換器。

光伏/儲能端口的非隔離型 DC/DC變換器采用高升壓比級聯型Buck/Boost電路，不僅可以實現雙向直流升、降壓變換[11,12]，且可以通過合理控制IGBT關斷及適當的控制策略，確保光伏端口的能量單向流動。拓撲結構如圖6所示，包含8個帶有反并聯二極管的IGBT。

圖6 高升壓比級聯型Buck/Boost電路Fig. 6 Buck/Boost circuit of high-step-up cascade

該電路的工作原理如表2所示，在能量流向不同的情況下，均可作為Buck或者Boost變換器使用，每種變換器都存在兩個不同的工作狀態，每個工作狀態下的能量通道也不同。

表2 工作原理Tab. 2 Working principle

1.2 工作模式

1.2.1 DC/AC變換器工作模式

DC/AC變換器詳細的工作模式切換過程如圖7所示。

圖7 DC/AC變換器工作模式Fig. 7 DC/AC converter working mode

并網逆變器包括兩種工作模式：

（1）并網模式：充電包括恒流充電、恒壓充電；放電包括恒功率放電、恒流放電。能實現平滑功率輸出、削峰填谷、系統調頻、改善電能質量等功能。

（2）獨立逆變模式：在電網斷電或處于孤網狀態時，穩定輸出電壓和頻率，可繼續為各種負荷供電，此時變流器處于放電狀態。

1.2.2 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器詳細的工作模式切換過程如圖8所示。

圖8 DC/DC變換器工作模式Fig. 8 DC/DC converter working mode

DC/DC變換器包括4種工作模式：

（1）恒功率模式：變流器以設定功率進行充放電。

（2）恒流模式：變流器以儲能側設定電流進行充放電。

（3）恒母線電壓模式：變流器根據設定值維持母線電壓恒定。母線電壓大于設定值時，儲能充電使母線電壓降低；母線電壓小于設定值時，儲能放電，使母線電壓升高。

（4）MPPT模式：保證光伏陣列始終以最大功率輸出。

2 故障保護功能測試

在各個端口都正常運行（光伏端口暫時未使用），直流母線電壓穩定，系統輸出功率跟隨上層功率指令工作的前提下，對實際系統在不同故障情況下的響應進行了現場測試。

2.1 正常運行狀態

如表3所示，在正常運行狀態下，小水電機組向能量路由器輸出有功功率為24.1 kW，能量路由器向電網輸出有功功率為9.9 kW，儲能電池#1和#2均處于充電狀態。

表3 正常運行狀態下的電氣參數Tab. 3 The electrical parameters under normal operating conditions

2.2 小水電端口斷電且短時間內不恢復

正常運行狀態下，其他端口正常運行，但小水電端口突然斷電，測試結果如表4所示。

由表 4可以看出，水電端口斷電后，直流母線電壓仍保持穩定，但小水電端口變流器狀態由“運行”變為“故障”，停止運行。儲能電池運行狀態變為放電，系統由儲能電池#1和#2放電提供能量維持運行。電池放電按照恒流模式運行，輸出功率固定，因此無法跟隨上層功率指令運行。此時并網輸出有功功率變大，為30.6 kW。

表4 小水電端口斷電且短時間內不恢復狀態下的電氣參數Tab. 4 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off and non-restoring in a short time

一段時間后，由于小水電端口一直未恢復供電，儲能電池#1和#2依次變為放電截止狀態，結果如表5、表6所示。

表5 儲能電池#1停止供電狀態下的電氣參數Tab. 5 The electrical parameters with the power of the energy storage battery #1 being cut off

表6 儲能電池#2停止供電狀態下的電氣參數Tab. 6 The electrical parameters with the power of the energy storage battery #2 being cut off

由表5、表6可以看出，由于小水電端口長時間未恢復供電，儲能電池#1先進入放電截止狀態，系統僅由儲能電池#2提供能量，并網變流器輸出功率大幅下降，但系統內部的直流母線電壓依然能保持穩定；當小水電端口繼續保持未恢復供電狀態，儲能電池#2也同樣進入放電截止狀態。此時由于能量路由器各端口無能量輸入，直流母線失壓，系統停機。

2.3 小水電端口斷電且短時間內恢復

小水電端口斷電后，系統運行20 min，之后恢復供電。結果如表7所示。

表7 小水電端口斷電且短時間內恢復狀態下的電氣參數Tab. 7 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off and recovering in a short time

小水電端口斷電后與表4測試結果相同，由儲能電池#1和#2供電。待20 min后小水電端口恢復供電，由表7可以看出，小水電端口變流器重新啟動運行，恢復能量輸入；儲能電池運行狀態由放電變為充電，系統輸出功率跟隨上層功率指令，系統恢復到正常運行狀態。

2.4 儲能電池側出現故障

分別對儲能電池#1單獨故障、兩組儲能電池均故障以及兩組儲能電池故障均消除3種狀態進行模擬，測試系統的故障響應狀態，結果如表8～10所示。

由表8可以看出，儲能電池#1單獨故障時，直流母線電壓始終保持穩定，儲能端口變流器1停機，儲能電池#2保持充電狀態，小水電端口輸入能量，系統連接電網供電，保持穩定運行。

表8 儲能電池#1發生故障狀態下的電氣參數Tab. 8 The electrical parameters of energy storage battery #1 under fault state

由表9可以看出，當兩組儲能電池同時故障時，直流母線電壓始終保持穩定，儲能端口變流器1、2均停機，小水電端口輸入能量，系統連接電網供電，保持穩定運行。

表9 儲能電池#1、#2均發生故障狀態下的電氣參數Tab. 9 The electrical parameters of energy storage batteries #1 and #2 under fault state

由表10可以看出，當兩組儲能電池故障均消除后，直流母線電壓依舊保持穩定，儲能電池恢復正常，系統恢復至穩定運行狀態。

表10 兩組儲能電池故障均消除后的電氣參數Tab. 10 The electrical parameters after the two sets of energy storage batteries fault being eliminated

2.5 小水電端口斷電且兩組儲能電池均故障

當小水電端口斷電且兩組儲能電池均發生故障，測試結果如表11所示。

表11 小水電端口斷電且兩組儲能電池均故障狀態下的電氣參數Tab. 11 The electrical parameters with the power of small hydropower port being cut off under the two sets of energy storage batteries faulty state

結果顯示，小水電端口斷電后，小水電端口變流器停機；儲能電池#1、#2均故障，儲能端口變流器1、2停機。能量路由器無能量輸入，所有設備進入停機狀態。

3 結論

當小水電端口斷電后，儲能電池可以迅速放電，使直流母線電壓始終穩定在700 V左右，小水電端口故障消除后，系統能快速恢復至正常運行狀態；儲能電池故障消除前后，系統均能維持正常運行，但削峰填谷等功能無法正常實現；各端口均故障時，系統能夠穩定切換至停機狀態。

綜上所述，系統各端口基本功能達到了預定目標，全端口聯合測試功能正常，各部分可以相互協調，同時工作。該系統具有較好的故障保護功能，各端口出現故障時，有效實現了不同場景下的工作模式切換，直流母線電壓穩定以及上層功率指令跟蹤等功能，能保證系統在一定故障時間內的穩定輸出能力。并且在故障消除后能夠快速恢復至正常運行狀態，所以可以用于解決當地用電負荷季節性過載和可再生能源功率波動較大的問題。