基于双有源桥的直流电能路由器及其控制策略

基于双有源桥的直流电能路由器及其控制策略

徐嘉超

铁四院电化院电力所 湖北 武汉 430063

摘要：针对能源互联网关键设备——直流电能路由器提出了一种基于双有源桥的新型拓扑。与传统共直流母线结构相比，该结构减少了换流器的数量，提高效率，降低成本和体积；以双有源桥子单元为基本控制单元，各个端口控制灵活，输出电压稳定，同时互相独立，提高了系统可靠性，在端口较少的中小功率场合应用前景广阔。详细介绍了拓扑结构，分析了工作模式和控制策略。

关键词：能源互联网；直流电能路由器；双有源桥；移向控制

1 引言

近年来，能源紧缺和环境污染问题日益严重，大量可再生分布式电源及储能设备的并网促使传统电网向能源互联网过渡与发展^[1-3]。用户侧直接使用直流电或包含直流环节的负荷增长迅速、用户对供电可靠性的要求越来越高、大量分布式电源的接入、配电网供电半径越来越大等因素使交流配电网的弊端逐渐显现，直流配电网在处理这些问题上更具优越性^[4-6]。电能路由器(electric energy router，EER)作为能源互联网的关键设备之一，不仅具备基本的电压变换功能，为电网、分布式电源、储能设备、负荷提供即插即用接口，还具备电气隔离、电能质量控制、能量双向流动等功能，实现能量的控制与管理。随着能源互联网和直流配电网的发展，研究直流电能路由器(DC-EER)具有重要意义。

从电路结构上看，电能路由器本质为多端口变换器，直流电能路由器各端口均输入/输出直流电。文献[7]提出一种共直流母线的直流电能路由器，各个端口与直流母线相连，目前应用比较广泛。但任意两个端口之间传递能量所经过换流器的数量较多，成本、损耗较大，仅在端口数目多时有较大优势。

高频变压器的效率可达99%以上，变换器损耗主要来自换流器的开关管损耗。本文针对直流电能路由器提出了一种基于双有源桥的新型拓扑，与共直流母线结构相比具有以下优点： 1）减少了换流器数量，降低成本与装置体积；2）能量传输所经过换流器数量减少，提高效率；3）各端口相互隔离，工作独立，可靠性较高；4）变压器电压等级逐级递减，降低绝缘要求和制造难度。在家庭、商业楼宇、小区、动车组等端口数较少的中小功率场合具有广阔的应用前景。本文介绍了拓扑结构，并对工作模式和控制策略进行研究。

2. 基于双有源桥的DC-EER

2.1 拓扑结构

本文提出的拓扑结构如图1所示。高频变压器1、高频变压器2……高频变压器n互相级联，在各个高频变压器两端并入换流器（H桥），换流器的直流侧作为直流端口，输出电压分别为U₁，U₂……U_n+1，并满足U₁> U₂>……> U_n+1。任意相邻两端口与这两端口之间的高频变压器构成双有源桥(dual active bridge，DAB)变换器，称为一个DAB子单元，可实现软开关特性和能量双向流动。

图1 DC-EER拓扑结构

2.2 工作模式分析

DC-EER各端口均可接有源或无源负荷，实现能量双向流动。以四端口的DC-EER为例分析工作模式，四个端口依次接直流电网1、直流电网2、分布式电源及储能、用户负荷。

（1）向用户供电

直流电网1和直流电网2通过DC-EER向用户供电，电网侧和用户侧隔离，有效改善电压闪变、电压跌落、谐波含量较大等电能质量问题，为用户提供高质量电能。同时，可以利用电网的能量为储能装置充电，起到填补负荷低谷的作用。直流电网1和直流电网2之间可互相传递电能。

（2）向电网送电

分布式电源及储能向直流电网1、直流电网2反馈电能，可在用电高峰时出力缓解电网压力，用户侧根据负荷大小由分布式电源及储能提供或由电网、分布式电源及储能共同提供。

（3）孤岛运行

当电网故障或上级发出离网指令时，DC-EER断开与直流电网1和直流电网2的连接，分布式电源及储能通过DC-EER为用户供电，形成自给自足的孤岛系统，可实现某些重要负荷的不间断供电，保证供电的可靠性。

三种运行模式的能量传递示意图如图3所示。

图3 DC-EER能量传递示意图

2.3 控制策略

各个端口的输出电压、输出电流均可成为控制目标，根据端口所接负荷、储能、分布式电源等不同需求可分为定电压和定电流控制。

以2.2节四端口DC-EER为例，当工作模式为向用户供电时，直流电网1和直流电网2的电压由自身决定，可采取定电流方式以控制二者的传输功率大小和方向；分布式电源及储能根据需要采取定电压或定电流控制，如为储能电池充电时先恒流、后恒压充电；用户负荷多为电压型，采取定电压控制为负荷提供稳定、高品质的直流电压。

当工作模式为向电网送电时，直流电网1和直流电网2可采取定电流控制，分布式电源及储能等效为电源，可不控或采取定电流以控制输出功率，用户负荷为定电压控制。

当工作模式为孤岛运行时，DC-EER与电网断开连接，由分布式电源及储能为用户负荷供电，可采取定电压控制。

3 结论

本文针对直流电能路由器提出一种基于双有源桥的新型拓扑，减小了任意两个端口之间传递能量过程中经过的换流器数量，降低成本和装置体积，提高效率；各个端口输出电压稳定，提高电能质量，同时相互独立，故障隔离，提高系统的可靠性，并对其工作模式和控制策略进行研究，在家庭、商业楼宇、小区、动车组等端口数量要求较少的中小功率场合应用前景广阔。

参考文献

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