[科普中国]-基于虚拟电机控制的能量路由器

简介

为了更好地将可再生能源接入电网，近年来，综合了网络能源技术的能源互联网概念得到了广泛的关注。然而，要实现能源互联网，还面临着诸多技术挑战，其中能量路由器作为能源互联网的关键装备，直接关系到可再生能源的消纳、电能的灵活高效变换，因此其电路拓扑和运行控制具有重要的研究价值和应用前景 现有关于能量路由器的研究主要集中在:基于高频变压器和功率器件的固态变压器(或称电力电子变压器方面)，其面向的应用对象主要是中高压交流配电网。欧盟UNIFLEX-PM(Advanced Power Converters for Universal and Flexible PowerManagement in Future Electricity Networks)项目对固态变压器的概念进行了深入研究。美国FREEDM(Future Renewable Electric EnergyDelivery and Management)项目将固态变压器比作未来能源网中的大脑和路由器，并被认为是构建未来能源互联网的基本模块。瑞士苏黎世联邦理工学院的学者针对能量路由器了MEGALink的概念，并进行了深入研究。日本在311大地震和核泄漏的灾难之后，成立了“数字电网联盟”，提倡“数字电网”，其核心即利用“数字电网路由器”(电力路由器)统筹管理和调度一定区域范围内的电力。国内的华中科技大学在固态变压器概念的基础上了电了电力变压器的概念，并进行了深入研究，清华大学了一种适用于柔性直流配电网的高频链直流固态变压器。

综上，现有关于能量路由器的概念还主要停留在交流配电网的框架内。可再生能源是能源互联网的重要源泉，然而，风能和光伏等可再生能源多以直流输出;而且，用户侧的负荷也越来越多地采用直流供电。此外，电网和负荷要求能量路由器能够满足不同输入输出的需求，应该更多地兼顾直流电源和直流负荷的供用电需求，在电路拓扑上应该具有更多的兼容性和扩展能力;在控制策略上，应该具有更多的柔韧性和灵活度，能兼顾更多的弹性和稳定控制能力。

能量路由器电路对于交流接口，采用单相组式逆变器的电路结构，降低交直流电压应力，并兼顾模块化和成组运行的能力;对于直流接口，采用双向Buck-Boost电路模块，增强可再生能源、储能和负荷的接纳能力。此外，还了相应的控制策略，采用统一的虚拟电机控制技术，交直流接口分别采用虚拟同步电机和虚拟直流电机的控制策略，有效地提升能量路由器的惯性和阻尼，增强系统的稳定运行能力和功率分配能力。

能量路由器的电路拓扑能量路由器如图1所示，以有效地实现电网、可再生能源、负荷的高效紧凑衔接。

能量路由器的交流侧采用组式逆变器电路，实现直流母线与交流母线的接口，电网交流电压380v，直流母线电压选为400v，采用组式逆变器接口可以有效地弥补传统Boost型整流器输出直流母线电压过高、电压应力大的不足，还可以无缝地接入400v低压直流配电网。此外，在交流侧组式逆变器结构中，三相相互独立，其模块化的结构便于接入三相三线或四线、单相两线或三线的低压配电网。 能量路由器的直流侧采用半桥电路模块，根据电源和负荷的不同，可以灵活工作于Boost、Buck和双向Buck-Boost三种不同的模式。对于光伏和风机应用，工作于Boost模式，将可再生能源输出的直流电压泵升到逆变器直流母线电压所需的水平。对于直流负荷应用，根据不同的供电电压要求，工作于Buck或Boost模式，实现对直流负荷的灵活供电。对于储能应用，工作于双向Buck-Boost模式，灵活地实现直流母线与储能单元之问的能量流控制。

虚拟电机控制策略在图1所的能量路由器电路中，交流电网接口采用虚拟同步电机控制，如概述图所示，其目的是将其在外特性上等效为同步发电机或电动机，提升其与电网连接的柔性，降低对电网的冲击，增强电网电压和频率的稳定性。

图1所示能量路由器的直流接口采用虚拟直流电机控制，如图3所示，其目的在于增强直流母线电压的惯性和稳定能力。DC/Dc变换器可以等效为一个二端口网络，如图3(a)所示。一般地，对于新能源发电用的DC/DC变换器，二端口的Ul和11接到光伏、风机的整流输出端或者储能装置的直流输出端，二端口的姚和九接到公共的直流母线。经过如图3(b)所示的先进控制策略，可以使得二端口输出端的姚一的外特性表现出与直流电机相一致的下垂特性和动态特性。

为了给直流母线电压高于400 V的负荷供电，需要采用一个如图4(a)所示的Boost电路接口，其控制框图如图4(b), (c)所示，电路的输入端Cdc接入400 V直流母线。对于低于400 V的负荷，采用Buck电路，依据与图4类似的方法，得到相应的结果。值得指出的是，这里负荷的负荷功率指令由维持负荷端电压和能量路由器直流母线电压两部分共同组成，维持直流母线电压Cd。稳定部分用于参与需求响应调节，支撑直流母线电压的稳定。

储能用DC-DC双向变流器，采用Buck-Boost双向变流器。变流器电路如图5 (a)所示，其控制框图如图5(b), (c)所示。根据储能单元的动态响应速度，设置不同的惯性时问常数H。

总结能源互联网借助信息互联网技术的思想，提升能源安全和可再生能源的消纳能力。能量路由器是能源互联网的核心装备之一。有别于传统立足于中压配电网的基于固态变压器的能量路由器，介绍了一种适用于低压交直流混合配电网的能量路由器电路，并介绍了一种基于虚拟电机的控制策略。利用数学建模、小信号分析和仿真分析的方法验证所提模型和方法的正确性和有效性。

1)所提的能量路由器电路，采用模块化的电路结构，能灵活地适应电网、负荷、可再生能源、储能等多种交直流端口的接入，可以方便地嵌入未来交直流混合的配电网和能源互联网中;

2)所的基于虚拟电机的能量路由器控制策略，能够虚拟传统电网中所存在的惯性和阻尼，提升系统的稳定性。尤其是，所的虚拟直流电机控制策略能有效地实现混合储能单元的能量分配控制，是有别于传统基于变时问常数控制的另一种有效的混合储能系统的控制方式;

3)所提基于虚拟电机控制的能量路由器，交直流单元通过直流母线祸合在一起，所的小信号分析模型和方法能有效地分析该能量路由器的动态功率分配规律。