一种交直流混合微网能量路由器及其运行模态分析

国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）的研究人员涂春鸣、孟阳、肖凡、兰征、帅智康，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文，为更好协调和控制交直流混合微网间能量传输，提出一种交直流混合微网能量路由器。

建立所提出能量路由器数学模型，分析该能量路由器不同工作模态时级联整流级相量关系，并推导各混合运行模态限制性条件。针对该交直流混合微网能量路由器，提出相应控制策略，可实现H桥级联整流电路各级独立在AC-DC、DC-DC、DC-AC运行模式间无缝切换以达到交直流混合微网间能量的统一协调与管理。同时，减少了各微网间电力电子变换器的使用，提高各交直流微网间能量传输效率。

仿真与实验结果验证了该交直流混合微网能量路由器电路拓扑的实用性及各运行模态时控制策略的正确性与有效性。

全球化石能源的枯竭及其带来的环境问题越来越困扰全人类的发展[1]，各国专家学者提出构建新型能源互联架构的设想——能源互联网[2,3]。能源互联网的实现有很多关键技术问题亟待解决，其中，电力网作为能源互联网中能源传输最核心的部分之一，所面临的最主要的问题是大量新能源并网对传统电网带来的影响。

新能源发电作为解决全球能源危机最有前景的能源方式之一，其间歇性与随机性发电的特点是目前大规模应用存在的主要问题[4]。微网被认为是目前实现新能源大规模接入与控制的有效途径[5]，实现其能源互联的关键装备“能量路由器”的电路拓扑与控制策略研究是目前能源互联网研究的主要方向[6]。

在功能方面，能量路由器需集成诸多类型的新型清洁能源及微网，以减少或代替传统化石能源的利用；在拓扑方面，能量路由器需提供多电压等级与多电流形式标准化接口即插即用，为各类型微网与传统电网提供“能量路由”功能[7]；在控制方面，能量路由器需实现能量形式与能量流动方向的无缝切换，以减小各微网间相互影响，提高电网整体稳定性。

能量路由器拓扑研究作为当前能源互联网研究的热点之一，以文献[8]研究的电力电子变压器为最典型的能量路由器拓扑。作为交直流微网能量路由器，传输功率较大兼具能量路由与故障隔离等功能，较适用于主干网络能量路由器[9]。

但随着未来区域式和家庭式新能源模式的推广，对能量路由器的功能需求主要体现在：功率较小、各交直流接口丰富且能量路由器模式更灵活[10]。文献[11]提出一种家庭能量路由器，其直流侧提供多电压等级直流时，需增加额外DC-DC变换器，电路复杂且控制难度较大。

文献[12]提出一种基于虚拟电机控制的能量路由器，减小了新能源接入对系统稳定性的影响。然而其各直流微网共用直流母线且无直接电气隔离，直流故障时易扩大直流故障范围。而直流能量路由器方面，文献[13]提出一种直流固态变压器，作为直流配网能量路由器，电网间电压和功率控制快速灵活，但微网中交流负载需通过DC-AC变换器供电，降低了交流负载用电效率。

在上述背景下，本文提出一种交直流混合微网能量路由器及其控制策略。该能量路由器作为区域式或家庭式能量路由器时，直流侧无需增加额外变换装置即可实现多电压等级供电且各直流接口均可实现能量双向流动。

同时，对比于传统能量路由器拓扑，该能量路由器各接口间均提供直接电气隔离，直流侧故障时能够旁路故障接口而不影响其余能量接口正常工作。同时，具备高度模块化特点，可根据不同应用场合及应用需求对各级模块进行增减，使其应用范围更加广泛。

图1 交直流混合微网能量路由器

图26 实验平台

结论

本文提出了一种交直流混合微网能量路由器，研究了其拓扑结构及控制策略，详细分析了该能量路由器运行模态并得出各模态运行限制性条件及功率传输范围。以此为基础，对能量路由器所接各微网能量流动与电压调整关系进行了详细分析，并设计了该能量路由器的控制系统。

最后，通过仿真、实验验证了该交直流混合微网能量路由器在各微网功率波动情况下的能量协调与控制功能，能量路由器运行模态的无缝切换控制可以减小能源互联网中新能源并网对微网及传统电网带来的影响。

考虑到本文中对直流侧电压的计算较为复杂，后期研究中将进一步对直流参考电压调节器进行优化分析与设计。