• 头条燕山大学科研团队发表电能路由器的最新研究成果
    2021-10-14 作者:赵晓君 张纯江 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
    分享到:
    导语电能路由器是能源互联网的核心设备,是下一代智能电网的重要标志。受拓扑架构限制,传统区域电能路由器存在带载能力有限和无功功率无法柔性运行的缺点。

    近年来,随着可再生能源发电技术的不断发展,大规模分布式发电装置的接入是未来电网的主要特征之一,为平抑分布式发电装置接入带来的电力波动问题,以及实现对电网削峰填谷的功能,电网需要接入以电池和超级电容为代表的储能装置。因此,传统电网正由集中式发电向集中式与分布式并存的发电方式转变,而电能正由单向流动向多向流动的方式转变。

    燕山大学科研团队发表电能路由器的最新研究成果

     

    基于电力电子技术与信息技术的电能路由器(Electric Power Router, EPR)允许同时存在多种不同电压等级交流和直流的变换形式,不但可以为分布式发电装置、储能装置和不同类型负荷提供灵活多样的即插即用电气接口,还可以实现能量的多向流动和对功率流的主动控制,同时能够满足能源互联网发展需要。

    其中,以中压(10kV)和低压(380V)配电网为背景的电能路由器分别称为主干电能路由器和区域电能路由器。

    主干电能路由器是以电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)实现中压配电网能量的路由功能,最早由美国北卡罗来纳州立大学FREEDM系统中心的A. Q. Huang团队于2008年提出。由于中压配电网的输入电压等级较高,PET通常采用三级变换结构,即AC-DC、双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)DC-DC和DC-AC变换器,这也是目前PET最为典型的拓扑结构。

    区域电能路由器(Region EPR, REPR)的交流输入和输出电压均为380V/50Hz,无需使用DAB变换器进行隔离和高低压转换,因此一般采用两级串联变换器拓扑架构,可将其称为传统串联架构REPR(Series Architecture REPR, SA-REPR),如图1a所示。

    交流输入级由AC-DC变换器将交流电整流为直流电(700~750V)连接到直流母线,交流输出级由DC-AC变换器将直流电逆变为380V无畸变的交流电后连接到交流母线。此外,储能装置(电池和超级电容)和分布式电源(光伏发电和风力发电)由不同电压等级的DC-DC和AC-DC变换器接入直流母线,用于平衡系统的功率需求。

    燕山大学科研团队发表电能路由器的最新研究成果

    图1 传统串联与串并联架构区域路由器

    然而,受电路拓扑架构的限制,SA-REPR只能通过输出级DC-AC变换器为交流负荷提供有功和无功功率,使得SA-REPR主要存在两个问题:①系统转换与传输的有功和无功功率均限制在100%功率范围内(即最大只能满足负荷100%的功率传输需求);②无功功率无法实现柔性运行与控制(即只能刚性运行),在一定程度上限制了区域电能路由器的发展。

    如果能从电路拓扑架构和能量控制方法等方面入手解决以上问题,在继承传统路由器运行特征的基础上,对其功率传输和柔性运行能力进行扩展和延伸,将有助于推动能源互联网的发展。

    为此,燕山大学电气工程学院的科研团队面向低压配电网,以统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)的运行特征为理念,构建一种串并联架构区域电能路由器(Series-Parallel Architecture REPR, SPA-REPR),通过增加一条并联能量流动通道,可在不增加系统容量和交流输入配电的情况下,突破传统路由器100%功率传输和无功功率只能刚性运行的双重界限,赋予了路由器新的功能,其结构如图1b所示。

    不同于SA-REPR,在所构建的SPA-REPR中,交流电网、交流母线及变换器之间的连接方式发生了改变,即交流电网与交流母线之间通过变压器连接,AC-DC变换器(串联变换器)通过变压器串联在交流电网侧,而DC-AC变换器(并联变换器)并联在交流母线侧,其中并联变换器所在支路即为本文所增加的能量流动通道。

    电能路由器涉及网与荷、源与荷、网与源、源与源之间等多种情况下的能量转换与传输问题,因此实现对能量的主动控制与有序分配是其必须具备的一项关键技术。

    通过分析有关学者的文献可知,对于不同的应用背景和电路结构,路由器的能量控制方法不尽相同。为实现路由器的“两个突破”,除所构建的串并联架构电路拓扑外,还需要相应的功率流控制策略予以支撑。

    为此,科研团队提出双自由度功率流柔性控制策略(Two-Degree-of-Freedom Power Flow Flexible Control Strategy, TDF-PFFCS),通过串、并联变换器分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位角的自由度,形成有功和无功功率双自由度控制体系,灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率以及串、并联变换器之间的无功功率。

    在不增加系统容量和交流输入配电网的情况下,允许路由器以大于系统本身容量的条件传输能量,可实现有功功率最大允许量为200%及无功功率最大允许量为120%的传输目标,为路由器实现大功率能量柔性传输提供新颖的设计思路和解决方案。

    燕山大学科研团队发表电能路由器的最新研究成果

    图2 SPA-REPR的能量控制核心单元

    通过增加一条并联能量流动通道,科研团队构建出一种串并联架构区域电能路由器,可突破传统区域电能路由器100%能量传输和无功功率刚性运行的双重界限。对新型路由器的功率流运行机理进行了深入研究,并根据其能量传输特性给出了三种运行模式及其功率流计算方法,可推导出串联和并联变换器在不同运行模式下功率的流向和大小,揭示了路由器的运行现象与规律。

    为实现该路由器的柔性运行,科研团队还提出了双自由度功率流柔性控制策略,通过串联和并联变换器分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位的自由度,从而灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率及串联与并联变换器之间的无功功率。仿真结果与理论分析一致,验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

    本文编自2021年第7期《电工技术学报》,论文标题为“串并联架构区域电能路由器柔性运行与功率流控制策略”,作者为燕山大学电气工程学院的赵晓君、张纯江、柴秀慧、郭小强、汪龙。