面向能源互联网的多端口双向能量路由器

李亚昕，杜耀鹏

（国网武威供电公司，甘肃 武威 733000）

0 引 言

现阶段，电力需求不断增多，传统能源却在不断枯竭，基于此很多新能源技术开始被广泛应用在电力生产中，能源互联网概念因此被提出和应用。本文提出了一种多端口双向能量路由器模式，旨在满足能源互联网的应用需求。

1 多端口双向能量路由器运行结构分析

本文构建的多端口双向能量路由器运行结构如图1所示。其中高压网侧变流器端口能够连接交流配电网，负责控制直流母线电压，一旦电压超过既定范围，便会通过切除方式来确保能量路由器的安全运行。低压交流负载端口能够连接交流电标准接口，负责为端口内部的交流负载供电，并且连接分布式电源。低压直流负载端口能够连接直流电标准接口，负责为端口内部的直流负载供电，并且连接直流设备。

图1 多端口双向能量路由器运行结构

2 多端口双向能量路由器电路结构及参数设计

2.1 电路结构设计

基于上述多端口双向能量路由器运行结构可以确定，能量路由器主电路为高压网侧变流器端口电路，下面进行具体的电路结构设计及选择分析。

2.1.1 级联H桥变流器电路结构设计

面向能源互联网的多端口双向能量路由器接入配网的电压等级需要超过10 kV，因此选择模块化电路结构，不但能够提高电平数值，还能够避免安装工频变压器。按照电网接入方式，可以将级联H桥变流器电路结构分为Δ形电路结构和Y形电路结构。Δ形电路结构下，电路转换承担的是额定线电压及额定相电流，Y形电路结构下，电路转换承担的是额定相电压及额定线电流，电压较低且电流较大，相比较Δ形电路结构需要的模块数量更少，为此变流器选择应用Y形电路结构[1]。

2.1.2 半桥DC/DC变换器选择

面向能源互联网的多端口双向能量路由器高压侧接入配网的电压等级需要超过10 kV，低压侧接入交流负载的电压等级需要超过380 kV，接入直流负载的电压等级需要超过400 kV。由此可见，两侧接入电压等级相差较大，为了确保路由器的安全运行，需要采取电气隔离措施[2]。因此选择应用半桥DC/DC变换器，此变换器具有灵活性和可变性较强的特点，能够结合路由器具体需求自行调节电压和功率，同时还支持多种结构，为路由器系统扩展奠定了基础，适合应用在电气隔离中。

2.2 参数设计

2.2.1 变压器参数设计

多端口双向能量路由器应用的是高频变压器，主要具备转换电压等级、实现电气隔离以及储存和传递电能能量等功能。变压器是变换器的核心元件，其参数设计同时决定了变压器运行效率及变换器应用性能，并且能量路由器结构中的其他设备参数设计也与变压器参数设计相关，因此首先开展变压器参数设计。

具体来讲，变压器参数设计包括漏感值设计和变比设计，漏感值设计依据为变换器额定输出功率，具体取值可以通过仿真软件进行适当调整，变比设计依据为低压侧电压、高压侧电压[3]。

2.2.2 交流侧电感参数设计

在多端口双向能量路由器中，交流侧电感主要具备如下功能。对电力系统电压及变流器电压进行隔离，进而实现对短路电流的有效抑制，形成对输入电流谐波的有效抑制，匹配电力系统电流与电压之间的相位关系，储存和传递电能能量等。如果交流侧电感超过一定数值，指令电流的被追踪速度将会下降，如果交流侧电感低于一定数值，高压侧变流器的电流谐波将会增加，因此开展交流侧电感参数设计时需要考虑到指令电流被追踪速度和高压侧变流器电流谐波两方面需求，实现均衡设计[4]。

具体来讲，想要确保指令电流被追踪速度，需要确保交流侧电感电流变化与指令电流变化相匹配，而指令电流经过零点时刻时的变化最大，据此便可以计算出交流侧电感电流参数。想要减少高压侧变流器电流谐波，需要将交流侧电感电流变化控制在一定范围内，通常情况下选择交流侧电感电流峰值的20%[5]。

2.2.3 直流母线电容参数设计

在多端口双向能量路由器中，直流母线电容的主要功能为确保电力系统电压的稳定。变换器低压侧直流母线电容的主要功能是为电力系统提供低压直流母线，转换高压侧变流器与低压侧变流器之间的能量，进而确保直流母线电压的稳定。由此可见，直流母线电容参数设计十分重要，一般需要考虑直流电压控制速度和抗干扰性能[6]。

具体来讲，考虑到直流电压控制速度，直流母线电容需要尽量选择最小值，这样跟踪直流电压的速度越快，直流电压控制速度越快，抗干扰性能便会降低。考虑到抗干扰性能，直流母线电容需要尽量选择最大值，这样直流电压变化越小，直流电压的抗干扰性能越良好，但是直流电压控制速度便会降低。由此可见，直流电压控制速度和抗干扰性能难以实现兼得，需要设计人员综合多端口双向能量路由器实际需求，进行合理设计与选择。

3 多端口双向能量路由器分散控制方式

3.1 分散控制方式分析

本文多端口双向能量路由器应用的是分散控制方式，具体如图2所示。从供电模式来看，能量路由器的主电源始终为高压侧变流器，供电对象为低压直流母线，这种方式与主从控制模式十分相似，即高压侧变流器为电力系统的主控制器，其他端口为从控制器[7]。从供电结构来看，能量路由器的供电结构与直流微网结构十分相似，即变流器为低压端口、直流负载端口与直流母校连接的设备，因此只要确保直流电压的稳定运行，便能够确保各个端口功率的平衡。此外，在分散控制方式下，设计人员不需要考虑相位同步和电力系统运行频率问题，因此系统的控制难度得到了大幅度降低。

图2 分散控制方式示意图

3.2 高压网侧变流器端口控制方式

3.2.1 级联H桥变流器控制方式

级联H桥变流器控制方式分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制指的是对变流器电压相位及数值进行控制，具有控制难度较低、静态性能良好以及不需要进行解耦的应用优势，但是主要针对的是能量路由器稳定运行状态，但由于此方式下电力系统应用的电流为开环控制模式，因此间接电流控制方式并不能起到良好的应用效果[8]。直接电流控制指的是对电网侧电流进行控制，此方式下电力系统应用的电流为闭环控制模式，尽管需要进行解耦，但是动态性能良好，适合应用在能量路由器级联H桥变流器控制中，控制原理如图3所示。

图3 联H桥变流器直接电流控制原理图

3.2.2 隔离型半桥DC/DC变换器控制方式

变流器在运行过程中会产生高压直流，直流需要通过变换器才能生成公共直流母线电压，这表示电能能量需要在高压侧和低压侧同时实现流动，这对于变换器功率有双向传输需求，为此需要实现对变换器的移相角控制，控制原理如图4所示[9]。

图4 隔离型半桥DC/DC变换器控制原理图

3.3 低压交流负载端口控制方式

基于能量路由器的控制要求，低电压侧端口和直流负载端口实际上是需要满足随时连接随时应用要求的标准接口，无论端口内部的负载发生什么形式的变化，端口输出的电压都需要能够满足电力系统对电能的要求，这便涉及到了对低电压侧端口和直流负载端口电压的控制，控制原理如图5所示。电压电流双向控制模式不但实现了对负载电流的应用前反馈，还实现了对端口内电压电流的调整。在耦合电流和端口电流的共同控制下，低压交流负载端口能够得到变流器电流指令值，进而实现对电流的控制。在耦合电压和端口电压的共同控制下，低压交流负载端口能够得到变流器电流指令值，进而实现对电路的控制[10]。

图5 低压交流负载端口控制原理图

3.4 低压直流负载端口控制方式

低压直流负载端口控制与低压交流负载端口控制较为相似，其控制目标是为电力系统提供稳定的直流电流标准接口，控制原理如图6所示。在图中，电压电流双向控制模式形成了较为良好的控制效果，其中电压控制模式为单闭环模式，考虑到电力系统的动态性能，还需要配合应用电流控制模式，即内环为电流控制，外环为电压控制[11]。具体的控制原理与上文相似，即对比实际电压值和参考电压值，实际电流值和参考电流值，通过调节器进行放大处理，进而生成控制指令进行相应控制。

图6 低压直流负载端口控制原理图

4 结 论

能量路由器支持不同制式的电压、不同等级的电压标准化接口，因此能够在变压器与负载端口之间实现双向功率传输，并且确保随时连接随时应用，适合应用在能源互联网中。目前，关于多端口双向能量路由器在能源互联网中的应用研究相对较少，因此本文只能够在现有研究成果的基础上进一步总结设计方案。