面向能源互联网的多端口双向能量路由器研究

近年来,随着全球电力需求的不断增长以及传统化石能源的日益匮乏,新能源技术和储能技术得到了快速的发展与应用,但可再生能源发电装置、储能装置以及电动汽车等不确定性电能负载的接入,使得传统的电力系统及电力设备无法满足供电形式多样化和能量多方向流动的需要,能源互联网的概念应运而生。本文对能源互联网的关键部分——能量路由器进行了研究,重点探究了其拓扑结构及协调控制策略。首先,本文给出了一种多端口双向能量路由器的拓扑结构,该拓扑主要由高压网侧变流器端口、低压交流负载端口和低压直流负载端口三部分组成,其中高压网侧变流器端口又由级联H桥变流器与双向隔离型半桥DC/DC变换器两个模块构成。文章分析了各端口的基本工作原理、控制方式和功率传输特点,并结合设计目标与软件仿真确定了主电路的拓扑结构及主要参数。其次,本文探究了一种分散自治的协调控制策略——系统无需一个集中控制器对各端口进行实时信息采集与功率分配,而是通过监测直流母线电压的相对变化趋势,判断系统内部的功率流动和实时能量平衡情况。以此为基本思想,本文详细介绍了各端口的控制策略：对高压网侧变流器的级联H桥变流器模块采用直接电流解耦和三级式直流稳压控制,对DC/DC变换器模块进行移相控制,以确保有功功率的动态平衡和直流母线电压的恒定；对低压交、直流负载端口均采取端口定电压控制,以提供标准化的交、直流接口。各端口变流器只需根据本端口信息和直流母线电压就可以实现完全的双向功率控制,进而实现整个路由器的分散自治控制,提高整个装置的可靠性和可用率。最后,在PSCAD/EMTDC环境下建立了多端口能量路由器的详细仿真模型,并对系统的启动过程,低压交、直流负载端口仅接入变化的负载,低压交流负载端口经逆变器接入附加的PV分布式发电,低压直流负载端口接入附加的PV分布式发电,低压交、直流负载端口均接入附加的PV分布式发电等不同运行工况进行了仿真与分析。仿真结果表明,本文提出的多端口能量路由器能够实现不同交直流制式、不同电压等级间的互联和双向能量流动,为交、直流负载侧提供了标准化接口,且当交、直流负载侧有分布式发电接入且输出功率较大时,能够自动实现高压网侧变流器端口与低压交、直流负载端口之间的双向功率传输,实现了“即插即用”。