利用电能路由器的配电网电能质量控制*

段青，乐健，吕志鹏，万鹏飞，马春艳

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.武汉大学 电气工程学院，武汉430072）

0 引言

传统电能质量问题治理方法均需通过在系统中串联或并联额外的装置来进行，如DVR、APF、UPQC等。基于电力电子变换技术构成的电能路由器，能够实现能量的多向流动和对功率流的主动控制［1-2］，改变了传统配电网采用变压器进行电能传递与分配的运行模式，也为研究新型配电网电能质量问题治理措施提供了新的基础。

目前关于电能路由器的研究主要关注于其能量分配传递，电压隔离变换等基本功能的实现。文献［3］通过电能路由器和信息路由器的类比得出电能路由器的功能要求，介绍了国内外现有基于电力电子变换的电能路由器结构。文献［4］采用固态变压器作为核心器件，提出一种未来电力配电系统的架构，适用于分布式能源与储能设备即插即用。文献［5］提出一种基于虚拟电机控制的路由器，其特点在于基于虚拟电机理论提出该能量路由器的控制策略，增强了系统惯性和阻尼，对于提高系统稳定性有一定作用。文献［6-7］给出一种基于高频隔离的双向直流固态变压器方案，可作为柔性直流配网的关键环节，实现高低压直流配电网或微电网的电压、功率灵活控制。目前对于利用电能路由器解决进行电能质量问题的研究相对较少。文献［8］指出电力电子变压器对电能质量具有调节能力，但未深入分析调节能力大小，且未考虑储能的影响。文献［9］对电力电子变压器提高电能质量问题进行了分析，并提出一种无直流电容支撑的电力电子变压器结构，可实现功率因数和电压调节，减轻电压暂降、上升、闪变的影响，但并未就控制策略问题进行深入研究。

在上述背景下，本文在基于电力电子变换的电能路由器基础上，对其拓扑结构，功率传输，控制策略进行分析，对电能路由器减轻电网电压畸变造成的影响，抑制负载不平衡及谐波对系统的影响进行了研究。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真，验证了本文所设计的基于电力电子变压器的电能路由器设计方案的正确性和有效性。

1 电能路由器拓扑与控制

电能路由器是以电力电子技术和信息技术为基础的固态设备，其核心为电力电子变压器。一种典型的AC/DC/AC型三阶式结构包括高压级、隔离级和低压级3个部分，如图1所示。

图1 电力电子固态模块结构Fig.1 Structure of solid-state power electronics module

高压侧需采用多电平结构，本文采用H桥级联型多电平变换器实现AC/DC高压级电能变换，级联的H桥单元数为1～n，其三相电路采用星形“Y”结构形式。这种拓扑结构具有输入电压波形好、谐波含量少，电流波形质量好和功率因数可调等优点，如图2所示。

图2 输入级结构图Fig.2 Structure diagram of the input side

瞬时功率理论指出换流器交流侧的有功功率和无功功率表示为：

式中p、q分别为换流器输入的瞬时有功功率和无功功率，ud、uq分别为换流器交流侧三相电压在两相旋转坐标系d-q轴上的分量，id、iq分别为换流器交流侧三相系统电流在两相旋转坐标系d-q轴上的分量。高压输入级是配电网与电能路由器直接接触的环节，其控制目标为：实现直流电压恒定，实现交流侧电流正弦和功率因数灵活可调，其双环解耦控制策略如图3所示。

图3 高压级控制策略Fig.3 Control strategy of high-voltage side

采用直流电压控制时，外环是一个直流电压环，内环是一个交流输入电流环，在外环直流电压控制中将实际直流电压与参考电压比较后的偏差作为反馈信号，经过PI控制器后形成有功电流（即d轴电流）的参考值。在内环交流电压控制中，三相交流电流采样后转化为d、q轴分量，分别与各自的参考电流值比较，得到的偏差信号经过PI控制器后与电源前馈信号以及交叉反馈电流信号综合，形成d、q轴参考电压信号，输入到高压级控制器，产生PWM控制信号，为了实现输入单位功率因数运行，q轴电流参考值通常设置为0。

根据以上分析，给出高压输入级的控制策略如图4所示。

图4 高压级控制系统图Fig.4 Control system diagram of high voltage side

对于电能交换器的隔离环节，高频变压器原边的单相逆变电路，在开关损耗允许和变压器磁芯允许的范围内，变压器的体积和重量与开关频率成反比。对于变压器副边整流电路，只要能实现高频整流即可。因此，变压器原边逆变电路和副边整流可以用开环控制方式实现，将直流调制成占空比为50%的高频方波，变压并耦合到高频变压器的副方绕组后再同步整流还原成直流。

电能路由器的对外端口有低压直流母线和低压交流母线，直流母线的控制目标为无论系统或负载是否有扰动都能保持直流电压恒定，直流母线的电压控制由高压级控制决定。交流母线的控制目标为无论在对称负载还是不对称负载的情况下实现相电压幅值恒定和波形正弦。采用双环控制，外环为输出电压瞬时值控制，保持输出电压幅值不变，内环为滤波电容电流瞬时值负反馈。采用SPWM调制，使得电压跟踪给定正弦波，维持输出波形为良好的50 Hz正弦波，控制策略如图5所示。

其中，PI的传递函数为Kp+Ki/s。在外环，测量得到输出相电压瞬时值与正弦波参考电压比较，形成误差信号，经过PI控制器作为电流内环瞬时参考值，与三角波比较，形成脉冲信号驱动逆变器。引入滤波电容电流反馈用于抑制LC滤波电路的谐振。

图5 交流输出控制策略Fig.5 Control strategy of the AC output side

2 电能质量干扰的抑制

电能质量问题包括电网电压暂升，暂降，闪变等问题，也包括负载谐波、不平衡等问题。分析图1所示的基于电力电子变换的电能路由器，电网侧高压交流与直流母线、交流母线之间存在DC/DC隔离，通过设计适当的控制策略，可以实现两侧的电能质量干扰的隔离。

2.1 电网电压畸变的隔离

电网电压畸变包括电压谐波、电压暂升、暂降、闪变。其中电压暂降是配电网中发生最频繁且影响最严重的电能质量问题。

设电网电压三相电压有效值为V，直流母线设定值为udc。隔离变压器仅起电压隔离作用，并不影响电网电压整流。因此，在没有储能与分布式电源的作用下，直流母线平均电压Vdc需满足［10］：

当直流母线电压固定，可计算出网侧电压暂降的下限。本文研究中，网侧电压为10 kV，直流母线电压固定为800 V。则理论上系统电压可跌落至约600 V（三相有效值）。实际上考虑隔离变压器及逆变器的损耗问题，且高压侧采用多电平结构的影响，保证系统正常运行的系统电压暂降值要大于600 V。值得注意的是，当电压暂降时，若负载功率不变，则系统流入电能路由器的电流将等比放大。此时，对IGBT等开关器件的要求由耐压要求转变为耐流要求。因此，当电压暂降时继续运行电能路由器时需要综合考虑器件的耐压耐流要求。

对于电网谐波及电压暂升问题，只需能保持高压级整流功能即可。

2.2 负载突变与谐波的隔离

根据图5，可写出交流输出的传递函数：

由式（4）可知，在电路参数及控制参数确定的条件下，交流输出电压受参考电压uref和交流输出电流io的影响。在控制中，uref为固定的正弦值，结合叠加定理，独立分析交流输出电流对电压的影响。

在开关频率足够高的情况下，KPWM等效为常数，选取KPWM=0.8，Kp=3，Ki=5，k=-1。当L固定为1 mH，滤波电容变化时，可画出输出电压对负载电流传递函数的幅频特性如图6所示。

图6 输出电压对负载电流的幅频特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

从图4看出，电容的变化主要影响谐振频率与高频的幅频特性。

当C固定为200μF，滤波电感变化时，可画出输出电压对负载电流传递函数的幅频特性如图7所示。

图7 输出电压对负载电流的幅频特性Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

从图7看出，电感的变化主要影响谐振频率与低频频的幅频特性。从对负载电流畸变的抑制角度分析，滤波电感越小越好，滤波电容越大越好。综合考虑响应速度及逆变器输出响应特性，选取L=0.5mH，C=200μF。

3 仿真结果与分析

根据图1结构图，高压级采用6级H桥级联多电平结构，建立电能路由器仿真模型，将三相交流10 kV的配电网线路降压至三相交流相电压220 V，直流母线800 V，实现电能的变换与传递。仿真模型参数如表1所示。

表1 仿真平台模型Tab.1 Parameters of the simulation model

3.1 电网电压畸变时的仿真

3.1.1 电压暂降

图8 电压暂降50%时的仿真结果Fig.8 Simulation result when voltage drops 50%

当电网电压暂降50%时的仿真结果如图8所示。

从图8看出，当电压暂降50%时，电能路由器直流母线和交流母线电压依然保持额定运行状态，但系统输入的电流相应的增加了1倍，以保持负载功率不变。从电流在突变时刻的畸变看出控制系统经过短暂的调节时间后系统就达到了稳定。

当跌落深度达到一定值时，电能路由器在无储能及分布式电源作用下，将无法维持正常运行。图9显示当电压暂降90%时，直流电压无法维持800 V，此时系统失稳。

图9 电压暂降90%时的仿真结果Fig.9 Simulation result when voltage drops 90%

3.1.2 电压暂升

在0.5 s设置电压暂升50%，持续0.2 s，仿真结果如图10所示。

从图10看出，直流母线与交流母线电压几乎没有受到影响。说明高压电网的电压暂升问题经过电能路由器进行电能传输后不会影响低压侧负载。

3.1.3 电网电压谐波

在电网电压中加入谐波源进行仿真。电网电压如图11（a）所示。

从图11看出，当高压侧电网电压含有大量谐波时，经过电能路由器的电能传递与电压变换，负载不受影响，这对于高精密负荷具有极大的意义。

图10 电压暂升50%仿真结果Fig.10 Simulation result when voltage swells 50%

图11 电网电压畸变下仿真结果Fig.11 Simulation result when the system voltage contains harmonics distortion

3.2 负载畸变

3.2.1 谐波治理

在负载中设置不控整流电路以在电流中加入谐波电流，加入不负载后低压交流母线电流如图12（a）、（c）所示，对A相电流的谐波FFT分析结果如图12（b）、（d）所示。

图12 负载含谐波时的仿真结果Fig.12 Simulation result when the load contains harmonics

从图12（a）、（c）与图12（b）、（d）比较可知，经过电能路由器后，流入系统的电流中，谐波含量由5.95%降至2.13%。低压交流母线上电流中，5次谐波含量较大，其次为7次谐波，11次谐波及13次谐波，而经过电能路由器后5次谐波、7次谐波、11次谐波及13次谐波含量明显降低。由于控制的原因，3次谐波含量上升，但对于△接线的中压配网，三次谐波不会对高压系统造成影响。

3.2.2 负载三相不平衡

设置B相负载为其他两相的两倍，低压侧交流母线上电流如图13（a）所示。

从图13（a）可以明显看到负载电流的不平衡。B相电流为0.448 kA，而AC两相电流为0.225 kA。高压侧电网输入电能路由器的电流如图13（b）所示，三相电流基本平衡，幅值为0.0145 kA。可以看出，经过电能路由器的传递，能有效抑制负载不平衡对系统的影响。

图13 三相负载不平衡仿真结果Fig.13 Simulation result with unbalanced three-phase load

4 结束语

本文提出了基于电力电子变换的电能路由器用于治理配电网电能质量问题的方法，通过设计相应的控制策略，可在实现电能路由基本功能的基础上，使得其同时具有还具备动态电压调节器及有源滤波器的功能，可有效治理隔离电能路由器高压和低压侧电能质量干扰向对向的传播。通过本文研究可以得出以下结论：

电能路由器在电网与负载之间形成一定的缓冲，能容许网侧电压畸变，包括电压暂降、上升、谐波等问题，有效治理跌落深度小于70%的电压暂降；有效治理电压上升与谐波对负载的影响。

电能路由器在保证向负载供电功能的基础上，能有效抑制不平衡负载对系统的影响，且能有效治理谐波电流。

电能路由器的控制需要良好的检测与计算方法，以抑制电压电流畸变对检测精度的影响。且本文未考虑储能的影响，当储能设备与分布式电源接入电能路由器时，能解决网侧电压过低或断线对负载的影响，但控制策略也变得更复杂，有待进一步研究。