- 頭條燕山大學科研團隊發表電能路由器的最新研究成果2021-10-14 作者：趙曉君 張純江 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電能路由器是能源互聯網的核心設備,是下一代智能電網的重要標志。受拓撲架構限制,傳統區域電能路由器存在帶載能力有限和無功功率無法柔性運行的缺點。
近年來，隨著可再生能源發電技術的不斷發展，大規模分布式發電裝置的接入是未來電網的主要特征之一，為平抑分布式發電裝置接入帶來的電力波動問題，以及實現對電網削峰填谷的功能，電網需要接入以電池和超級電容為代表的儲能裝置。因此，傳統電網正由集中式發電向集中式與分布式并存的發電方式轉變，而電能正由單向流動向多向流動的方式轉變。
基于電力電子技術與信息技術的電能路由器（Electric Power Router, EPR）允許同時存在多種不同電壓等級交流和直流的變換形式，不但可以為分布式發電裝置、儲能裝置和不同類型負荷提供靈活多樣的即插即用電氣接口，還可以實現能量的多向流動和對功率流的主動控制，同時能夠滿足能源互聯網發展需要。
其中，以中壓（10kV）和低壓（380V）配電網為背景的電能路由器分別稱為主干電能路由器和區域電能路由器。
主干電能路由器是以電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）實現中壓配電網能量的路由功能，最早由美國北卡羅來納州立大學FREEDM系統中心的A. Q. Huang團隊于2008年提出。由于中壓配電網的輸入電壓等級較高，PET通常采用三級變換結構，即AC-DC、雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC和DC-AC變換器，這也是目前PET最為典型的拓撲結構。
區域電能路由器（Region EPR, REPR）的交流輸入和輸出電壓均為380V/50Hz，無需使用DAB變換器進行隔離和高低壓轉換，因此一般采用兩級串聯變換器拓撲架構，可將其稱為傳統串聯架構REPR（Series Architecture REPR, SA-REPR），如圖1a所示。
交流輸入級由AC-DC變換器將交流電整流為直流電（700~750V）連接到直流母線，交流輸出級由DC-AC變換器將直流電逆變為380V無畸變的交流電后連接到交流母線。此外，儲能裝置（電池和超級電容）和分布式電源（光伏發電和風力發電）由不同電壓等級的DC-DC和AC-DC變換器接入直流母線，用于平衡系統的功率需求。
圖1 傳統串聯與串并聯架構區域路由器
然而，受電路拓撲架構的限制，SA-REPR只能通過輸出級DC-AC變換器為交流負荷提供有功和無功功率，使得SA-REPR主要存在兩個問題：①系統轉換與傳輸的有功和無功功率均限制在100%功率范圍內（即最大只能滿足負荷100%的功率傳輸需求）；②無功功率無法實現柔性運行與控制（即只能剛性運行），在一定程度上限制了區域電能路由器的發展。
如果能從電路拓撲架構和能量控制方法等方面入手解決以上問題，在繼承傳統路由器運行特征的基礎上，對其功率傳輸和柔性運行能力進行擴展和延伸，將有助于推動能源互聯網的發展。
為此，燕山大學電氣工程學院的科研團隊面向低壓配電網，以統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）的運行特征為理念，構建一種串并聯架構區域電能路由器（Series-Parallel Architecture REPR, SPA-REPR），通過增加一條并聯能量流動通道，可在不增加系統容量和交流輸入配電的情況下，突破傳統路由器100%功率傳輸和無功功率只能剛性運行的雙重界限，賦予了路由器新的功能，其結構如圖1b所示。
不同于SA-REPR，在所構建的SPA-REPR中，交流電網、交流母線及變換器之間的連接方式發生了改變，即交流電網與交流母線之間通過變壓器連接，AC-DC變換器（串聯變換器）通過變壓器串聯在交流電網側，而DC-AC變換器（并聯變換器）并聯在交流母線側，其中并聯變換器所在支路即為本文所增加的能量流動通道。
電能路由器涉及網與荷、源與荷、網與源、源與源之間等多種情況下的能量轉換與傳輸問題，因此實現對能量的主動控制與有序分配是其必須具備的一項關鍵技術。
通過分析有關學者的文獻可知，對于不同的應用背景和電路結構，路由器的能量控制方法不盡相同。為實現路由器的“兩個突破”，除所構建的串并聯架構電路拓撲外，還需要相應的功率流控制策略予以支撐。
為此，科研團隊提出雙自由度功率流柔性控制策略（Two-Degree-of-Freedom Power Flow Flexible Control Strategy, TDF-PFFCS），通過串、并聯變換器分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位角的自由度，形成有功和無功功率雙自由度控制體系，靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率以及串、并聯變換器之間的無功功率。
在不增加系統容量和交流輸入配電網的情況下，允許路由器以大于系統本身容量的條件傳輸能量，可實現有功功率最大允許量為200%及無功功率最大允許量為120%的傳輸目標，為路由器實現大功率能量柔性傳輸提供新穎的設計思路和解決方案。
圖2 SPA-REPR的能量控制核心單元
通過增加一條并聯能量流動通道，科研團隊構建出一種串并聯架構區域電能路由器，可突破傳統區域電能路由器100%能量傳輸和無功功率剛性運行的雙重界限。對新型路由器的功率流運行機理進行了深入研究，并根據其能量傳輸特性給出了三種運行模式及其功率流計算方法，可推導出串聯和并聯變換器在不同運行模式下功率的流向和大小，揭示了路由器的運行現象與規律。
為實現該路由器的柔性運行，科研團隊還提出了雙自由度功率流柔性控制策略，通過串聯和并聯變換器分別控制交流電網輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位的自由度，從而靈活配比交流電網與直流母線之間的有功功率及串聯與并聯變換器之間的無功功率。仿真結果與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性和所提控制策略的有效性。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“串并聯架構區域電能路由器柔性運行與功率流控制策略”，作者為燕山大學電氣工程學院的趙曉君、張純江、柴秀慧、郭小強、汪龍。
