盛万兴(1965),男,教授级高工,博士生导师,研究方向为智能电网、电力系统自动化及电网经济运行;
0 引言
以光伏、风机和储能为代表的分布式电源(distribution energy resource,DER)大量接入配电网势不可挡,配电网面临的接入压力越来越大,围绕如何提高分布式电源接入水平,微电网、主动配电网、智能电网、自主配电网等新兴技术框架发展迅速[1-3]。其中,以能量路由器(energy router,ER)为核心接口,以能源子网的形式组网是可行方案之一[4],逐步得到了国内外学者的关注[5-6]。ER的突出特点在于其固态模块可对输入输出两侧的电压幅值和相位实时控制[7],可实现电压、电流和功率的灵活调节,是能源子网与配电网之间理想的接口装置[8]。
作为能源子网组网接口的ER位于配电网10 kV线路,电力系统运行经验表明线路上经常发生由短路、断路等故障引发的电压骤变或断电[9]。对于ER来说,这不仅意味着输入端电压的深幅波动,还会造成输入功率短缺。ER固态模块虽然对线路常规的电压波动具有很好的鲁棒性,但线路故障引起的电压深幅波动则会因实际功率器件输入电流的限制而造成功率缺额,进而影响输出电压质量[10]。而输入端线路出现断电故障时,ER需要维持短时间的稳定运行,从而为能源子网离网运行提供切换时间[11-12]。除配电系统线路故障外,能源子网内DER的大量接入也使ER面临功率波动时的输出电压稳定问题,这种功率波动主要由DER的发电间歇性造成,也可能由DER的脱网造成[13]。
综上所述,无论是配电系统线路故障,或是能源子网内DER功率的大幅波动,从能量角度来看,都可能造成ER输入功率的短时缺额,进而影响输出电压质量。为了提高ER及其能源子网的运行稳定性,避免出现由功率缺额造成的不稳定运行,需要ER配备储能单元,从而具备一定的功\率缓冲能力。在电力电子设备中配置超级电容(super capacitor,SC)储能系统进行能量补偿是一种广泛使用的措施[14-16]：文献[15]提出基于超级电容储能的统一负荷质量调节器,利用储能实现快速补偿负荷的波动功率或突变功率;文献[16]提出一种针对电力电子变压器的储能系统,但增加了额外的DC/DC功率变换电路,并且含2套控制系统,增加了成本和复杂度。
本文提出利用能量路由器自身拓扑中连接中线电流的桥臂电路充当储能系统的充放电接口,无缝连接超级电容,无需额外增加功率变换电路,灵活实现自储能。提出的自储能型能量路由器(self-energy storage based energy router,SESER)在输入端电压深度跌落和能源子网分布式能源功率波动引起功率缺额时,保持能源子网电压稳定,并在能源子网离网切换时提供短时的能量供应,而且控制储能系统充放电的同时不影响桥臂电路对中线电流的控制,从而不影响能量路由器供电质量。
1 能量路由器及其能源子网
1.1 系统结构
能量路由器主要实现配电网、可再生能源、负荷的高效紧凑衔接,是能源子网关键的联网设备,能量路由器及其能源子网的结构如
图1
能源子网系统结构图
Fig. 1
System construction of energy subnet
本文提出的SESER主电路基于三级结构的固态变压器拓扑,包括输入级,隔离变换级和输出级,利用输出级第四桥臂集成超级电容储能系统,如
1）输入级采用级联H桥多电平(Cascade H-bridge multi-level,CHM)拓扑,每相由数量为
图2
SESER拓扑结构图
Fig. 2
Topology of SESER
2）隔离变换级采用双主动桥(dual active bridge,DAB)拓扑,能控制能量双向流动。DAB总数量为3
3）输出级采用电压源型四桥臂逆变(4-leg voltage source inverter,VSI)拓扑,因为能源子网中负荷和分布式电源造成三相不平衡是运行常态,故要求SESER带有中线,从而具备三相四线输出能力[17-18]。
4）超级电容的正级串联电感后连接第四桥臂中点,负极连接直流母线负端,串联电感
1.2 SESER整体控制策略
自储能型能量路由器的整体控制包括输入级控制、隔离变换级控制、输出级控制3个部分,其中输入级与隔离变换级均采用能量路由器常规控制策略[19],而输出级同时完成自储能控制。
输入级CHM整流桥将10 kV交流变为
输出级将直流进行逆变,实现交流恒压恒频输出,利用电压外环实现输出电压的恒定控制,利用电流内环实现输出电流的快速跟踪。对于能源子网来说,期望SESER的输出不受输入电压的影响,不受负荷不平衡影响。这就要求输出级对输出电压的正序、负序和零序分量都进行控制,同时第四桥臂控制中性线的三相不平衡电流。同时,配合超级电容充放电,使超级电容与直流母线电容进行能量互动,与DAB共同维持SESER直流母线电压稳定,并要求超级电容充放电与中线电流控制互不影响。
2 SESER自储能控制
能量路由器负责配网与能源子网间的能量交换,流经功率为分布式电源输出功率与用电负荷消耗功率的差值。从能量角度来看,当输配电系统线路故障,或是DER功率的大幅波动导致能源子网功率缺额时,都需要SESER输出级第四桥臂控制超级电容与直流母线电容进行能量互动,维持功率平衡。假设该功率差的最大值为
2.1 储能系统运行策略
储能系统根据超级电容电荷状态,主要运行在3种状态：
1）当超级电容储能电荷在额定值,且SESER正常运行时,为储能平衡态。第四桥臂控制一个充放电周期内超级电容电荷量的平衡,维持端电压恒定,保持备用。
2）当10 kV线路电压跌落20%或直流母线电压跌落10%时,控制超级电容能量流入直流母线,补充所需的功率缺额。此时,超级电容工作于放电状态,控制目标为稳定直流母线电压。
3）当电网电压恢复正常,隔离变换级DAB能独立维持直流母线电压恒定时,超级电容退出,重新进入储能平衡态。若超级电容储能电荷低于额定值时,则对其进行充电。
超级电容在3种状态间持续循环运行,由输出级第四桥臂灵活控制,实现能量路由器自储能,确保系统功率缺额时的快速能量补给。
2.2 第四桥臂自储能控制
自储能控制要求第四桥臂控制超级电容充放电的同时,还需保证中线电流控制精度,可以将中线电流
图3
自储能控制框图
Fig.3
Control block diagram of self energy storage
${{G}_{v}}(s)=\frac{K(1+{{T}_{\text{z}1}}s)(1+{{T}_{\text{z}2}}s)}{s(1+{{T}_{\text{p}1}}s)}$ (1)
${{G}_{h}}(s)=\frac{1-{{\text{e}}^{-s{{T}_{\text{s}}}}}}{s}$ (2)
采用PWM互补调制,
为降低超级电容工作电流与中线电流的相互影响,从阻抗的角度进一步分析,得到的基于阻抗模型的等效电路如
${{Z}_{f}}(s)=\frac{s{{L}_{\text{sc}}}+{{r}_{\text{vir}}}}{1+{{v}_{k}}{{G}_{v}}(s)}$ (3)
其中：
${{r}_{\text{vir}}}={{H}_{i}}{{G}_{i}}(s){{\text{e}}^{-1.5s{{T}_{\text{s}}}}}$ (4)
图4
阻抗模型等效电路
Fig. 4
Equivalent circuit of impedance model
由
2.3 控制器参数设计
由上节分析可知,在设计控制器闭环控制参数时,不仅要保证超级电容工作时系统的稳定性,还要降低第四桥臂对基频系统的闭环阻抗。由式(3)(4)可以看出,必须尽量提高电流内环调节器
电流反馈回路中,对50 Hz基频的系统响应角频率
${{H}_{i}}=\omega {{L}_{\text{sc}}}$ (5)
考虑
$H(s)=\frac{s{{L}_{\text{sc}}}}{{{s}^{2}}{{L}_{\text{sc}}}{{C}_{\text{sc}}}+s{{H}_{i}}{{C}_{\text{sc}}}+{{H}_{\text{v}}}}$ (6)
其幅频响应为
由式(7)可知,当满足式(8)时达到最大值
$\frac{{{H}_{\text{v}}}}{\omega }=\omega {{L}_{\text{sc}}}{{C}_{\text{sc}}}$ (8)
${{\omega }_{\text{v}}}=\sqrt{\frac{{{H}_{\text{v}}}}{{{L}_{\text{sc}}}{{C}_{\text{sc}}}}}$ (9)
式(5)(8)代入式(6)得到转换后的传递函数为
$H(s)=\frac{s}{{{s}^{2}}+s{{\omega }_{i}}+\omega _{\text{v}}^{2}}\cdot \frac{1}{{{C}_{\text{sc}}}}$ (10)
此时,若
${{H}_{\text{v}}}=\omega _{i}^{2}{{L}_{\text{sc}}}{{C}_{\text{sc}}}$ (11)
本文的SESER主电路中,
图5
系统环路增益的波特图
Fig. 5
Bode plot of system loop-gain
图6
电感支路和电容支路输出阻抗的波特图
Fig. 6
Bode plot of output impedance with inductive branch and capacitance branch
3 仿真分析
为了验证本文提出的自储能型能量路由器结构及控制策略的有效性,根据
仿真模拟了电网故障下,输入电压深度跌落至20%额定电压值和降至零电压时SESER的运行状态,对比分析了自储能控制启动和不启动2种不同的工况。
1）自储能控制不启动。
从仿真波形可以看出,0.8 s时输入电压深度跌落至额定电压的20%,并在0.3 s后恢复;在1.6时输入电压跌落至零。SESER并网后迅速建立稳定的直流电压和输出电压,稳定后输入有功功率为80 kW,输入无功功率为0,保证了功率因数为1。在第四桥臂对中线电流的控制作用下,即使三相负荷不平衡,输出三相电压仍能维持稳定和平衡。
表1
仿真参数
Tab. 1
Simulation parameters
0.8 s输入电压深度跌落时,直流电容电压1.6 s输入电压瞬间跌落至零时,直流电容电压和直流母线电压快速下降,输入级无法再提供功率,输出电压迅速跌落至零,SESER停止工作,无法为微网离网切换提供过渡时间。
2）自储能控制启动。
接下来仿真分析自储能控制启动后,线路故障下SESER的运行状态,在输入电压跌落20%或直流电压跌落10%时启动超级电容储能系统。
图7
电压深度跌落时SESER运行状态
Fig. 7
Operating state of SESER under voltage drop
从中线电流
图8
SESER直流电压和输出电压
Fig. 8
DC voltage and output voltage of SESER
图9
SESER输入功率和桥臂电流
Fig. 9
Input power and bridge arm current of SESER
值得指出的是,超级电容启动后第四桥臂电流增加大小由SC输出功率和电压共同决定,如果SC端口电压较小,将导致第四桥臂功率器件电流等级成倍增加。虽然可以通过提高SC电压等级来降低第四桥臂电流,但是,第四桥臂功率器件的电流等级仍要大于其他桥臂,或者采用功率器件并联技术提高第四桥臂过流能力。
3）DER功率波动。
除线路故障导致的电压异常波动外,能源子网内DER功率的大幅波动也会影响能量路由器输出电压的稳定,仿真了分布式电源突然脱网时SESER的运行状态,同样,分析了自储能控制启动和不启动2种不同的情况。
从以上仿真结果分析可知,线路故障或DER功率的大幅波动,都会造成能量路由器供电功率的短时缺额,使得直流电压跌落,进而影响输出电压质量。自储能控制启动超级电容后可以有效稳定直流电压,补偿所需的短时功率缺额,提高输出电压质量,必要时为能源子网离网切换提供过渡时间。并且,超级电容工作时几乎不影响第四桥臂对中线电流的控制。
图10
DER功率波动时能量路由器运行状态
Fig. 10
Operating state of SESER under power fluctuation of DER
4 结论
本文提出了利用能量路由器自身拓扑中的输出级第四桥臂充当超级电容储能系统的充放电接口,无缝连接超级电容,无需额外增加功率变换电路,灵活实现能量路由器自储能。分析了基本运行原理,并对输出级第四桥臂单独设计了控制策略,分析了控制性能,实现了控制超级电容充放电的同时不影响对中线电流的控制。提出的SESER具备超高的功率波动承受能力,不仅能实现输入电压深度跌落时的稳定运行,还能实现输入电压跌落至零的短时不间断供电能力。并且,第四桥臂控制超级电容工作的同时不影响对中线电流的控制,保证了能量路由器的供电质量。搭建了仿真模型,在不同工况下进行了仿真分析,仿真结果验证了所提拓扑及控制策略的正确性和有效性。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]