基于能量平衡的电能路由器综合控制技术｜大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题
清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的研究人员冯高辉、赵争鸣、袁立强，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电能路由器由多级电力电子变换单元组合而成，利用各级单元之间的能量传递关系实施综合控制可以提高电能路由器内部直流母线电压的瞬态性能，进而提高电能路由器的瞬态性能。
本文首先建立电能路由器的能量模型，然后建立两条不同时间尺度的能量支路，根据其中的能量平衡关系分别设计了控制两级母线电压的能量平衡控制器，同时根据拓扑中各个级联模块之间的能量关系设计了用于级联模块的均压控制器。之后，对于实际系统中无源器件的参数差异对控制模型的影响进行分析，最后给出了基于能量平衡关系的电能路由器的并网运行综合控制策略。
仿真结果证明了所提能量平衡控制方法的有效性，并分析了两级母线电容值变化分别对各自母线电压瞬态值的影响，说明采用能量平衡控制可以减少母线电容的设计余量。实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性。
随着新能源并网设备的增多，能源互联网已经成为新一代能源传输和消费的发展趋势。由于现代电力网络的发展，使得以电能为能源传输载体的电力互联网成为能源互联网最容易实现的形式之一。所用到的电能路由器也应运而生[1,2]。
电能路由器（Electric Energy Router, EER）具有信息流和电能流高度融合的特点[3]，可在电力能源互联网中实现电能潮流可控分配，分布式能源的即插即用，进而提高配电网中的节点自治能力，表现为提高电网的故障隔离和容错运行能力，获得更好的兼容性和经济性，使得电能的生产者、经营者和使用者获得更高的使用价值[4]。
电能路由器是由多级电力电子变换单元组合构成的，对其整体进行综合控制是提高电能路由器性能的有效方法[5]。当各级变换单元分别按照各自目标单独控制时，这种方式实现简单，但是在传输功率的变化过程中，各级之间的能量传输首先会聚集到直流母线上或从直流母线中抽取能量，从而使得直流母线电压在瞬态过程中发生变化，严重时会引起母线电容的过电压和输出交流电压的波形，对系统的动态性能和稳定性也有一定影响[6]。
为了抑制该动态过程的影响，一种方法是采用更大的母线电容作为能量动态缓冲，而增大电容会增加系统的体积和重量；另一种方法是采用综合控制，即建立各级变换单元的能量模型，利用各级单元中的控制变量之间的能量关系进行级间控制。这种方式还原了能量传递的本来面貌，能够使能量在各级之间快速稳定流通，因而可以减少瞬态过程中的直流母线电压的恢复时间和波动幅值，从而减小母线电容。按照综合控制方式的不同，综合控制可以分为前馈控制和能量平衡控制。
文献[7]提出采用电流前馈的控制方法，在三级式拓扑中，将隔离级输出到母线上的电流前馈至整流器的控制器中，相比于没有前馈的PI控制方式，整流级母线电压能获得较好的动态性能，但是所需的直流电流传感器安装不便。
文献[8]采用功率前馈的思想，将单相整流器中母线上的二次功率脉动通过隔离级传递到后级，降低前级的能量波动，同时采用功率同步控制，使逆变器的输出功率相位与输入功率相位保持一致，避免输入和输出相位不同造成的低压母线上能量的积累，从而降低电压二次纹波的幅值，该方法对实时计算的能力要求较高，而且会增加对应模块的电流传感器的硬件成本。
文献[9]采用能量前馈的思想，同时考虑动态过程中各级端口能量的变化和内部无源元件中的储能变化，将其作为前馈量，实现对母线电压的优化控制，该方法相比于电流前馈和功率前馈，不需要增加新的硬件，而且前馈量更加符合实际，但是在控制中依然是利用电压而不是能量作为直接控制量。
综合控制中的第二种方式是直接利用能量作为控制量，利用能量平衡关系建立级间控制量的能量关系。能量在各个端口之间传输时，存在一个自然的能量平衡关系。当端口之间的能量发生交换时，在动态过程中，需要依靠内部的储能元件适时平衡各个时间尺度的能量冲突。
在控制中可以利用内部储能元件的能量变化过程，提取能量变化的规律，用于动态过程的能量变换控制，使得动态过程中储能元件中的能量波动尽可能小，从而减小器件承受的短时过电压，减小系统中储能元件的体积和重量，提高变换器的功率密度。因此，采用能量平衡的思想有助于实现瞬态性能的优化控制，实现多级变换器的综合优化控制。
目前采用能量作为控制变量在一些文献中已有介绍，无源控制和耗散性控制都是利用能量进行控制的方法。其中无源控制可以依据系统的Lyapunov能量函数为控制目标，获得稳定的控制性能[10]。耗散性控制是利用系统能量耗散建立非负的能量函数设计非线性控制器，用于提高控制的鲁棒性[11]。
文献[12]在三级式固态变压器中，分别采用低压母线电容中的能量和两级母线电容中的能量对低压母线电压和高压母线电压进行控制，提高了控制的动态性能，不足之处在于文中只进行了仿真分析，而且由于不同变换器的控制频率的不同，使得与其相关的无源元件的能量交换的时间尺度是不同的，利用能量变化的不同时间尺度可以进行前后级能量控制的解耦，而在该文中并没有对能量变化的时间尺度进行说明。
文献[13]在三电平PWM整流器的控制中，计算三相滤波电感和直流电容中的储能变化，与输出功率综合后作为功率控制的参考值，与实际功率值比较后输入到优化的开关表进行直接功率控制，与传统的三电平直接功率控制相比，考虑了无源元件中的储能变化，因此能够更快调节有功功率和母线电压，该文中利用无源元件中的能量进行控制的思路只限于进行直接功率控制的方法中。
文献[14]在三相光伏并网逆变器的控制中，利用一个控制周期内输入输出和内部电感电容中的储能建立能量平衡关系，作为母线电压的外环控制律，内环采用电流预测控制方法，该控制方法与PI控制相比，改善了母线电压的动态性能。
文献[15]在背靠背变换器中，分析了系统各组成部分的能量关系，提出分步补偿的能量平衡控制方法，分别利用一个开关周期的瞬时能量平衡关系和多个开关周期的储能平衡关系，实现了能量平衡控制外环的快速性和准确性，对控制方法进行了稳定性和鲁棒性的分析，不足之处就是对于多个开关周期的选取需要根据实际系统确定。
文献[16]在模块化多电平变换器（ModularMultilevel Converter, MMC）逆变拓扑中，分析半个工频周期内交流侧的能量平衡关系，并且考虑变换器损耗得到电压外环的控制框图，该控制方法与PI控制相比，能够有效提高系统的动态性能。
上述利用能量平衡关系进行控制时，只是针对单直流母线拓扑结构列出能量关系，而在双直流母线拓扑结构中，利用能量关系揭示系统能量变换本质，特别是针对两级直流母线电压，采用不同时间尺度的能量平衡控制，是本文研究的重点。同时，与开关周期的时间尺度的控制方法[17]不同，本文所提能量平衡控制方法是以设定的不同控制周期（小于或等于开关周期）为时间尺度的，仿真中的开关器件模喢型都是理想模型。
图1 三端口电能路由器拓扑
结论
本文采用不同时间尺度的能量支路模型，解耦了两级母线中瞬态能量波动在不同控制器中的影响。分别给出了级联母线电压和低压母线电压的能量平衡控制方法。并且进行了控制模型中参数变化对能量平衡控制效果的影响分析。之后，利用级联模块的能量关系实现了对级联母线电压的更快均压和均功率的控制效果。最后通过仿真和实验验证了能量平衡控制方法的有效性。
本文提出的基于能量平衡的综合控制方法改善了多级变换器组合拓扑的瞬态性能，减小了变换器中无源器件的设计余量，进而可以减小系统的体积和质量。