基於虛擬電機控制的能量路由器

基於虛擬電機的能量路由器是指交流側接口採用虛擬同步電機控制，自流側接口採用虛擬自流電機控制的能量路由去，增強了系統慣性和阻尼，提升了系統穩定性。

基本介紹

• 中文名：基於虛擬電機的能量路由器
• 外文名：power router based on virtual motor
• 類型：電力設備
• 提出人：盛萬興
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

為了更好地將可再生能源接入電網，近年來，綜合了網路能源技術的能源網際網路概念得到了廣泛的關注。然而，要實現能源網際網路，還面臨著諸多技術挑戰，其中能量路由器作為能源網際網路的關鍵裝備，直接關係到可再生能源的消納、電能的靈活高效變換，因此其電路拓撲和運行控制具有重要的研究價值和套用前景 現有關於能量路由器的研究主要集中在:基於高頻變壓器和功率器件的固態變壓器(或稱電力電子變壓器方面)，其面向的套用對象主要是中高壓交流配電網。歐盟UNIFLEX-PM(Advanced Power Converters for Universal and Flexible PowerManagement in Future Electricity Networks)項目對固態變壓器的概念進行了深入研究。美國FREEDM(Future Renewable Electric EnergyDelivery and Management)項目將固態變壓器比作未來能源網中的大腦和路由器，並被認為是構建未來能源網際網路的基本模組。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的學者針對能量路由器了MEGALink的概念，並進行了深入研究。日本在311大地震和核泄漏的災難之後，成立了“數字電網聯盟”，提倡“數字電網”，其核心即利用“數字電網路由器”(電力路由器)統籌管理和調度一定區域範圍內的電力。國內的華中科技大學在固態變壓器概念的基礎上了電了電力變壓器的概念，並進行了深入研究，清華大學了一種適用於柔性直流配電網的高頻鏈直流固態變壓器。

綜上，現有關於能量路由器的概念還主要停留在交流配電網的框架內。可再生能源是能源網際網路的重要源泉，然而，風能和光伏等可再生能源多以直流輸出;而且，用戶側的負荷也越來越多地採用直流供電。此外，電網和負荷要求能量路由器能夠滿足不同輸入輸出的需求，應該更多地兼顧直流電源和直流負荷的供用電需求，在電路拓撲上應該具有更多的兼容性和擴展能力;在控制策略上，應該具有更多的柔韌性和靈活度，能兼顧更多的彈性和穩定控制能力。

能量路由器電路對於交流接口，採用單相組式逆變器的電路結構，降低交直流電壓應力，併兼顧模組化和成組運行的能力;對於直流接口，採用雙向Buck-Boost電路模組，增強可再生能源、儲能和負荷的接納能力。此外，還了相應的控制策略，採用統一的虛擬電機控制技術，交直流接口分別採用虛擬同步電機和虛擬直流電機的控制策略，有效地提升能量路由器的慣性和阻尼，增強系統的穩定運行能力和功率分配能力。

能量路由器的電路拓撲

能量路由器如圖1所示，以有效地實現電網、可再生能源、負荷的高效緊湊銜接。

能量路由器的交流側採用組式逆變器電路，實現直流母線與交流母線的接口，電網交流電壓380v，直流母線電壓選為400v，採用組式逆變器接口可以有效地彌補傳統Boost型整流器輸出直流母線電壓過高、電壓應力大的不足，還可以無縫地接入400v低壓直流配電網。此外，在交流側組式逆變器結構中，三相相互獨立，其模組化的結構便於接入三相三線或四線、單相兩線或三線的低壓配電網。 能量路由器的直流側採用半橋電路模組，根據電源和負荷的不同，可以靈活工作於Boost、Buck和雙向Buck-Boost三種不同的模式。對於光伏和風機套用，工作於Boost模式，將可再生能源輸出的直流電壓泵升到逆變器直流母線電壓所需的水平。對於直流負荷套用，根據不同的供電電壓要求，工作於Buck或Boost模式，實現對直流負荷的靈活供電。對於儲能套用，工作於雙向Buck-Boost模式，靈活地實現直流母線與儲能單元之問的能量流控制。

虛擬電機控制策略

在圖1所的能量路由器電路中，交流電網接口採用虛擬同步電機控制，如概述圖所示，其目的是將其在外特性上等效為同步發電機或電動機，提升其與電網連線的柔性，降低對電網的衝擊，增強電網電壓和頻率的穩定性。

圖1所示能量路由器的直流接口採用虛擬直流電機控制，如圖3所示，其目的在於增強直流母線電壓的慣性和穩定能力。DC/Dc變換器可以等效為一個二連線埠網路，如圖3(a)所示。一般地，對於新能源發電用的DC/DC變換器，二連線埠的Ul和11接到光伏、風機的整流輸出端或者儲能裝置的直流輸出端，二連線埠的姚和九接到公共的直流母線。經過如圖3(b)所示的先進控制策略，可以使得二連線埠輸出端的姚一的外特性表現出與直流電機相一致的下垂特性和動態特性。

為了給直流母線電壓高於400 V的負荷供電，需要採用一個如圖4(a)所示的Boost電路接口，其控制框圖如圖4(b), (c)所示，電路的輸入端Cdc接入400 V直流母線。對於低於400 V的負荷，採用Buck電路，依據與圖4類似的方法，得到相應的結果。值得指出的是，這裡負荷的負荷功率指令由維持負荷端電壓和能量路由器直流母線電壓兩部分共同組成，維持直流母線電壓Cd。穩定部分用於參與需求回響調節，支撐直流母線電壓的穩定。

儲能用DC-DC雙向變流器，採用Buck-Boost雙向變流器。變流器電路如圖5 (a)所示，其控制框圖如圖5(b), (c)所示。根據儲能單元的動態回響速度，設定不同的慣性時問常數H。

總結

能源網際網路藉助信息網際網路技術的思想，提升能源安全和可再生能源的消納能力。能量路由器是能源網際網路的核心裝備之一。有別於傳統立足於中壓配電網的基於固態變壓器的能量路由器，介紹了一種適用於低壓交直流混合配電網的能量路由器電路，並介紹了一種基於虛擬電機的控制策略。利用數學建模、小信號分析和仿真分析的方法驗證所提模型和方法的正確性和有效性。

1)所提的能量路由器電路，採用模組化的電路結構，能靈活地適應電網、負荷、可再生能源、儲能等多種交直流連線埠的接入，可以方便地嵌入未來交直流混合的配電網和能源網際網路中;

2)所的基於虛擬電機的能量路由器控制策略，能夠虛擬傳統電網中所存在的慣性和阻尼，提升系統的穩定性。尤其是，所的虛擬直流電機控制策略能有效地實現混合儲能單元的能量分配控制，是有別於傳統基於變時問常數控制的另一種有效的混合儲能系統的控制方式;

3)所提基於虛擬電機控制的能量路由器，交直流單元通過直流母線禍合在一起，所的小信號分析模型和方法能有效地分析該能量路由器的動態功率分配規律。