基于雙有源橋的直流電能路由器及其控制策略

基于雙有源橋的直流電能路由器及其控制策略

Summary：針對能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵設備——直流電能路由器提出了一種基于雙有源橋的新型拓撲。與傳統(tǒng)共直流母線結構相比，該結構減少了換流器的數(shù)量，提高效率，降低成本和體積；以雙有源橋子單元為基本控制單元，各個端口控制靈活，輸出電壓穩(wěn)定，同時互相獨立，提高了系統(tǒng)可靠性，在端口較少的中小功率場合應用前景廣闊。詳細介紹了拓撲結構，分析了工作模式和控制策略。Keys：能源互聯(lián)網(wǎng)；直流電能路由器；雙有源橋；移向控制1引言近年來，能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，大量可再生分布式電源及儲能設備的并網(wǎng)促使傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)過渡與發(fā)展[1-3]。用戶側直接使用直流電或包含直流環(huán)節(jié)的負荷增長迅速、用戶對供電可靠性的要求越來越高、大量分布式電源的接入、配電網(wǎng)供電半徑越來越大等因素使交流配電網(wǎng)的弊端逐漸顯現(xiàn)，直流配電網(wǎng)在處理這些問題上更具優(yōu)越性[4-6]。電能路由器(electricenergyrouter，EER)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵設備之一，不僅具備基本的電壓變換功能，為電網(wǎng)、分布式電源、儲能設備、負荷提供即插即用接口，還具備電氣隔離、電能質(zhì)量控制、能量雙向流動等功能，實現(xiàn)能量的控制與管理。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和直流配電網(wǎng)的發(fā)展，研究直流電能路由器(DC-EER)具有重要意義。從電路結構上看，電能路由器本質(zhì)為多端口變換器，直流電能路由器各端口均輸入/輸出直流電。文獻[7]提出一種共直流母線的直流電能路由器，各個端口與直流母線相連，目前應用比較廣泛。但任意兩個端口之間傳遞能量所經(jīng)過換流器的數(shù)量較多，成本、損耗較大，僅在端口數(shù)目多時有較大優(yōu)勢。高頻變壓器的效率可達99%以上，變換器損耗主要來自換流器的開關管損耗。本文針對直流電能路由器提出了一種基于雙有源橋的新型拓撲，與共直流母線結構相比具有以下優(yōu)點：1）減少了換流器數(shù)量，降低成本與裝置體積；2）能量傳輸所經(jīng)過換流器數(shù)量減少，提高效率；3）各端口相互隔離，工作獨立，可靠性較高；4）變壓器電壓等級逐級遞減，降低絕緣要求和制造難度。在家庭、商業(yè)樓宇、小區(qū)、動車組等端口數(shù)較少的中小功率場合具有廣闊的應用前景。本文介紹了拓撲結構，并對工作模式和控制策略進行研究?；陔p有源橋的DC-EER2.1拓撲結構本文提出的拓撲結構如圖1所示。高頻變壓器1、高頻變壓器2……高頻變壓器n互相級聯(lián)，在各個高頻變壓器兩端并入換流器（H橋），換流器的直流側作為直流端口，輸出電壓分別為U1，U2……Un+1，并滿足U1>U2>……>Un+1。任意相鄰兩端口與這兩端口之間的高頻變壓器構成雙有源橋(dualactivebridge，DAB)變換器，稱為一個DAB子單元，可實現(xiàn)軟開關特性和能量雙向流動。圖1DC-EER拓撲結構2.2工作模式分析DC-EER各端口均可接有源或無源負荷，實現(xiàn)能量雙向流動。以四端口的DC-EER為例分析工作模式，四個端口依次接直流電網(wǎng)1、直流電網(wǎng)2、分布式電源及儲能、用戶負荷。（1）向用戶供電直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2通過DC-EER向用戶供電，電網(wǎng)側和用戶側隔離，有效改善電壓閃變、電壓跌落、諧波含量較大等電能質(zhì)量問題，為用戶提供高質(zhì)量電能。同時，可以利用電網(wǎng)的能量為儲能裝置充電，起到填補負荷低谷的作用。直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2之間可互相傳遞電能。（2）向電網(wǎng)送電分布式電源及儲能向直流電網(wǎng)1、直流電網(wǎng)2反饋電能，可在用電高峰時出力緩解電網(wǎng)壓力，用戶側根據(jù)負荷大小由分布式電源及儲能提供或由電網(wǎng)、分布式電源及儲能共同提供。（3）孤島運行當電網(wǎng)故障或上級發(fā)出離網(wǎng)指令時，DC-EER斷開與直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2的連接，分布式電源及儲能通過DC-EER為用戶供電，形成自給自足的孤島系統(tǒng)，可實現(xiàn)某些重要負荷的不間斷供電，保證供電的可靠性。三種運行模式的能量傳遞示意圖如圖3所示。圖3DC-EER能量傳遞示意圖2.3控制策略各個端口的輸出電壓、輸出電流均可成為控制目標，根據(jù)端口所接負荷、儲能、分布式電源等不同需求可分為定電壓和定電流控制。以2.2節(jié)四端口DC-EER為例，當工作模式為向用戶供電時，直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2的電壓由自身決定，可采取定電流方式以控制二者的傳輸功率大小和方向；分布式電源及儲能根據(jù)需要采取定電壓或定電流控制，如為儲能電池充電時先恒流、后恒壓充電；用戶負荷多為電壓型，采取定電壓控制為負荷提供穩(wěn)定、高品質(zhì)的直流電壓。當工作模式為向電網(wǎng)送電時，直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2可采取定電流控制，分布式電源及儲能等效為電源，可不控或采取定電流以控制輸出功率，用戶負荷為定電壓控制。當工作模式為孤島運行時，DC-EER與電網(wǎng)斷開連接，由分布式電源及儲能為用戶負荷供電，可采取定電壓控制。3結論本文針對直流電能路由器提出一種基于雙有源橋的新型拓撲，減小了任意兩個端口之間傳遞能量過程中經(jīng)過的換流器數(shù)量，降低成本和裝置體積，提高效率；各個端口輸出電壓穩(wěn)定，提高電能質(zhì)量，同時相互獨立，故障隔離，提高系統(tǒng)的可靠性，并對其工作模式和控制策略進行研究，在家庭、商業(yè)樓宇、小區(qū)、動車組等端口數(shù)量要求較少的中小功率場合應用前景廣闊。Reference曹軍威,孟坤,王繼業(yè),等.能源互聯(lián)網(wǎng)與能源路由器[J].中國科學:信息科學,2014,44(6):714-727.KeshavS,RosenbergC.Howinternetconceptsandtechnologiescanhelpgreenandsmartentheelectricalgrid[J].AcmSigcommComputerCommunicationReview,2011,41(1):109-114.段青,盛萬興,孟曉麗,等.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的新型能源子網(wǎng)系統(tǒng)研究[J].中國電機工程學報,2016,36(2):388-398.XuCD,ChengKWE.Asurveyofdistributedpowersystem—ACversusDCdistributedpowersystem[C]//InternationalConferenceonPowerElectronicsSystemsandApplications.IEEE,2011:1-12.王丹,毛承雄,陸繼明,等.直流配電系統(tǒng)技術分析及設計構想[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(8):82-88.張君君,吳紅飛,曹鋒,等.一種非隔離雙向三端口升降壓變換器[J].中國電機工程學報,2014,34(33):5861-5867.王丹,柳依然,梁翔,等.直流配電網(wǎng)電壓等級序列研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(9).ZhanC,SmithC,CraneA,etal.DCtransm