中國儲能網(wǎng)訊：國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學）的研究人員涂春鳴、孟陽、肖凡、蘭征、帥智康，在2017年第22期《電工技術(shù)學報》上撰文，為更好協(xié)調(diào)和控制交直流混合微網(wǎng)間能量傳輸，提出一種交直流混合微網(wǎng)能量路由器。
建立所提出能量路由器數(shù)學模型，分析該能量路由器不同工作模態(tài)時級聯(lián)整流級相量關(guān)系，并推導各混合運行模態(tài)限制性條件。針對該交直流混合微網(wǎng)能量路由器，提出相應(yīng)控制策略，可實現(xiàn)H橋級聯(lián)整流電路各級獨立在AC-DC、DC-DC、DC-AC運行模式間無縫切換以達到交直流混合微網(wǎng)間能量的統(tǒng)一協(xié)調(diào)與管理。同時，減少了各微網(wǎng)間電力電子變換器的使用，提高各交直流微網(wǎng)間能量傳輸效率。
仿真與實驗結(jié)果驗證了該交直流混合微網(wǎng)能量路由器電路拓撲的實用性及各運行模態(tài)時控制策略的正確性與有效性。
全球化石能源的枯竭及其帶來的環(huán)境問題越來越困擾全人類的發(fā)展[1]，各國專家學者提出構(gòu)建新型能源互聯(lián)架構(gòu)的設(shè)想——能源互聯(lián)網(wǎng)[2,3]。能源互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)有很多關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決，其中，電力網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)中能源傳輸最核心的部分之一，所面臨的最主要的問題是大量新能源并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來的影響。
新能源發(fā)電作為解決全球能源危機最有前景的能源方式之一，其間歇性與隨機性發(fā)電的特點是目前大規(guī)模應(yīng)用存在的主要問題[4]。微網(wǎng)被認為是目前實現(xiàn)新能源大規(guī)模接入與控制的有效途徑[5]，實現(xiàn)其能源互聯(lián)的關(guān)鍵裝備“能量路由器”的電路拓撲與控制策略研究是目前能源互聯(lián)網(wǎng)研究的主要方向[6]。
在功能方面，能量路由器需集成諸多類型的新型清潔能源及微網(wǎng)，以減少或代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源的利用；在拓撲方面，能量路由器需提供多電壓等級與多電流形式標準化接口即插即用，為各類型微網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)提供“能量路由”功能[7]；在控制方面，能量路由器需實現(xiàn)能量形式與能量流動方向的無縫切換，以減小各微網(wǎng)間相互影響，提高電網(wǎng)整體穩(wěn)定性。
能量路由器拓撲研究作為當前能源互聯(lián)網(wǎng)研究的熱點之一，以文獻[8]研究的電力電子變壓器為最典型的能量路由器拓撲。作為交直流微網(wǎng)能量路由器，傳輸功率較大兼具能量路由與故障隔離等功能，較適用于主干網(wǎng)絡(luò)能量路由器[9]。
但隨著未來區(qū)域式和家庭式新能源模式的推廣，對能量路由器的功能需求主要體現(xiàn)在：功率較小、各交直流接口豐富且能量路由器模式更靈活[10]。文獻[11]提出一種家庭能量路由器，其直流側(cè)提供多電壓等級直流時，需增加額外DC-DC變換器，電路復(fù)雜且控制難度較大。
文獻[12]提出一種基于虛擬電機控制的能量路由器，減小了新能源接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。然而其各直流微網(wǎng)共用直流母線且無直接電氣隔離，直流故障時易擴大直流故障范圍。而直流能量路由器方面，文獻[13]提出一種直流固態(tài)變壓器，作為直流配網(wǎng)能量路由器，電網(wǎng)間電壓和功率控制快速靈活，但微網(wǎng)中交流負載需通過DC-AC變換器供電，降低了交流負載用電效率。
在上述背景下，本文提出一種交直流混合微網(wǎng)能量路由器及其控制策略。該能量路由器作為區(qū)域式或家庭式能量路由器時，直流側(cè)無需增加額外變換裝置即可實現(xiàn)多電壓等級供電且各直流接口均可實現(xiàn)能量雙向流動。
同時，對比于傳統(tǒng)能量路由器拓撲，該能量路由器各接口間均提供直接電氣隔離，直流側(cè)故障時能夠旁路故障接口而不影響其余能量接口正常工作。同時，具備高度模塊化特點，可根據(jù)不同應(yīng)用場合及應(yīng)用需求對各級模塊進行增減，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。
圖1 交直流混合微網(wǎng)能量路由器
圖26 實驗平臺
結(jié)論
本文提出了一種交直流混合微網(wǎng)能量路由器，研究了其拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略，詳細分析了該能量路由器運行模態(tài)并得出各模態(tài)運行限制性條件及功率傳輸范圍。以此為基礎(chǔ)，對能量路由器所接各微網(wǎng)能量流動與電壓調(diào)整關(guān)系進行了詳細分析，并設(shè)計了該能量路由器的控制系統(tǒng)。
最后，通過仿真、實驗驗證了該交直流混合微網(wǎng)能量路由器在各微網(wǎng)功率波動情況下的能量協(xié)調(diào)與控制功能，能量路由器運行模態(tài)的無縫切換控制可以減小能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源并網(wǎng)對微網(wǎng)及傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來的影響。
考慮到本文中對直流側(cè)電壓的計算較為復(fù)雜，后期研究中將進一步對直流參考電壓調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化分析與設(shè)計。
