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近年來，隨著可再生能源發(fā)電技術的不斷發(fā)展，大規(guī)模分布式發(fā)電裝置的接入是未來電網(wǎng)的主要特征之一，為平抑分布式發(fā)電裝置接入帶來的電力波動問題，以及實現(xiàn)對電網(wǎng)削峰填谷的功能，電網(wǎng)需要接入以電池和超級電容為代表的儲能裝置。因此，傳統(tǒng)電網(wǎng)正由集中式發(fā)電向集中式與分布式并存的發(fā)電方式轉(zhuǎn)變，而電能正由單向流動向多向流動的方式轉(zhuǎn)變。

基于電力電子技術與信息技術的電能路由器（Electric Power Router, EPR）允許同時存在多種不同電壓等級交流和直流的變換形式，不但可以為分布式發(fā)電裝置、儲能裝置和不同類型負荷提供靈活多樣的即插即用電氣接口，還可以實現(xiàn)能量的多向流動和對功率流的主動控制，同時能夠滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要。

其中，以中壓（10kV）和低壓（380V）配電網(wǎng)為背景的電能路由器分別稱為主干電能路由器和區(qū)域電能路由器。

主干電能路由器是以電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）實現(xiàn)中壓配電網(wǎng)能量的路由功能，最早由美國北卡羅來納州立大學FREEDM系統(tǒng)中心的A. Q. Huang團隊于2008年提出。由于中壓配電網(wǎng)的輸入電壓等級較高，PET通常采用三級變換結(jié)構，即AC-DC、雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC和DC-AC變換器，這也是目前PET最為典型的拓撲結(jié)構。

區(qū)域電能路由器（Region EPR, REPR）的交流輸入和輸出電壓均為380V/50Hz，無需使用DAB變換器進行隔離和高低壓轉(zhuǎn)換，因此一般采用兩級串聯(lián)變換器拓撲架構，可將其稱為傳統(tǒng)串聯(lián)架構REPR（Series Architecture REPR, SA-REPR），如圖1a所示。

交流輸入級由AC-DC變換器將交流電整流為直流電（700~750V）連接到直流母線，交流輸出級由DC-AC變換器將直流電逆變?yōu)?80V無畸變的交流電后連接到交流母線。此外，儲能裝置（電池和超級電容）和分布式電源（光伏發(fā)電和風力發(fā)電）由不同電壓等級的DC-DC和AC-DC變換器接入直流母線，用于平衡系統(tǒng)的功率需求。

圖1 傳統(tǒng)串聯(lián)與串并聯(lián)架構區(qū)域路由器

然而，受電路拓撲架構的限制，SA-REPR只能通過輸出級DC-AC變換器為交流負荷提供有功和無功功率，使得SA-REPR主要存在兩個問題：①系統(tǒng)轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)挠泄蜔o功功率均限制在100%功率范圍內(nèi)（即最大只能滿足負荷100%的功率傳輸需求）；②無功功率無法實現(xiàn)柔性運行與控制（即只能剛性運行），在一定程度上限制了區(qū)域電能路由器的發(fā)展。

如果能從電路拓撲架構和能量控制方法等方面入手解決以上問題，在繼承傳統(tǒng)路由器運行特征的基礎上，對其功率傳輸和柔性運行能力進行擴展和延伸，將有助于推動能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

為此，燕山大學電氣工程學院的科研團隊面向低壓配電網(wǎng)，以統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）的運行特征為理念，構建一種串并聯(lián)架構區(qū)域電能路由器（Series-Parallel Architecture REPR, SPA-REPR），通過增加一條并聯(lián)能量流動通道，可在不增加系統(tǒng)容量和交流輸入配電的情況下，突破傳統(tǒng)路由器100%功率傳輸和無功功率只能剛性運行的雙重界限，賦予了路由器新的功能，其結(jié)構如圖1b所示。

不同于SA-REPR，在所構建的SPA-REPR中，交流電網(wǎng)、交流母線及變換器之間的連接方式發(fā)生了改變，即交流電網(wǎng)與交流母線之間通過變壓器連接，AC-DC變換器（串聯(lián)變換器）通過變壓器串聯(lián)在交流電網(wǎng)側(cè)，而DC-AC變換器（并聯(lián)變換器）并聯(lián)在交流母線側(cè)，其中并聯(lián)變換器所在支路即為本文所增加的能量流動通道。

電能路由器涉及網(wǎng)與荷、源與荷、網(wǎng)與源、源與源之間等多種情況下的能量轉(zhuǎn)換與傳輸問題，因此實現(xiàn)對能量的主動控制與有序分配是其必須具備的一項關鍵技術。

通過分析有關學者的文獻可知，對于不同的應用背景和電路結(jié)構，路由器的能量控制方法不盡相同。為實現(xiàn)路由器的“兩個突破”，除所構建的串并聯(lián)架構電路拓撲外，還需要相應的功率流控制策略予以支撐。

為此，科研團隊提出雙自由度功率流柔性控制策略（Two-Degree-of-Freedom Power Flow Flexible Control Strategy, TDF-PFFCS），通過串、并聯(lián)變換器分別控制交流電網(wǎng)輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位角的自由度，形成有功和無功功率雙自由度控制體系，靈活配比交流電網(wǎng)與直流母線之間的有功功率以及串、并聯(lián)變換器之間的無功功率。

在不增加系統(tǒng)容量和交流輸入配電網(wǎng)的情況下，允許路由器以大于系統(tǒng)本身容量的條件傳輸能量，可實現(xiàn)有功功率最大允許量為200%及無功功率最大允許量為120%的傳輸目標，為路由器實現(xiàn)大功率能量柔性傳輸提供新穎的設計思路和解決方案。

圖2 SPA-REPR的能量控制核心單元

通過增加一條并聯(lián)能量流動通道，科研團隊構建出一種串并聯(lián)架構區(qū)域電能路由器，可突破傳統(tǒng)區(qū)域電能路由器100%能量傳輸和無功功率剛性運行的雙重界限。對新型路由器的功率流運行機理進行了深入研究，并根據(jù)其能量傳輸特性給出了三種運行模式及其功率流計算方法，可推導出串聯(lián)和并聯(lián)變換器在不同運行模式下功率的流向和大小，揭示了路由器的運行現(xiàn)象與規(guī)律。

為實現(xiàn)該路由器的柔性運行，科研團隊還提出了雙自由度功率流柔性控制策略，通過串聯(lián)和并聯(lián)變換器分別控制交流電網(wǎng)輸入電流幅值和輸出交流母線電壓相位的自由度，從而靈活配比交流電網(wǎng)與直流母線之間的有功功率及串聯(lián)與并聯(lián)變換器之間的無功功率。仿真結(jié)果與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性和所提控制策略的有效性。

本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“串并聯(lián)架構區(qū)域電能路由器柔性運行與功率流控制策略”，作者為燕山大學電氣工程學院的趙曉君、張純江、柴秀慧、郭小強、汪龍。