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赵文广, 张兴, 李彦君, 等/基于电压与功率前馈的电能路由器储能端口优化控制策略/2020, 44(9): 179-186.
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内容摘要
电能路由器是能源互联网的关键技术之一，本文提出了一种基于以太网控制自动化（EtherCAT）总线技术的电能路由器实现方案，同时针对采用双向Buck/Boost拓扑作为电能路由器储能端口时存在的储能端口并网启动电流冲击和离网母线电压波动的问题，提出一种储能端口电压前馈与负载功率前馈相结合的电能路由器储能端口优化控制策略。该方法通过前馈储能侧电压抑制储能端口的并网启动冲击电流，消除离网下储能侧电压波动对母线电压的影响，同时利用基于EtherCAT的电能路由器快速控制通信单元前馈负载功率，抑制离网下负载突变产生的母线电压扰动，节省电流采样成本。理论分析与实验结果验证了所提优化控制策略的有效性，为电能路由器的功能实现与性能优化提供一种可行方案。
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电能路由器
1）基本架构
所研究的电能路由器由主功率单元、扩展功率单元和控制通信单元3个基本功能模块构成。主功率单元由多级电力电子变换单元组成，具备并网、电压等级转换、波形变换和高低压隔离等功能，为用户提供交流并网和三相交流负载端口。主功率单元中间变换得到的DC母线可引出并经过相应的电力电子变换技术构成扩展功率单元，根据负荷和能源的接入种类，扩展端口单元可引出单相交流、单向光伏类、双向储能类和DC母线等典型端口，方便多种能源的集成接入。主功率单元和扩展功率单元共同组成基于电力电子技术的电能路由器能量流单元。控制通信单元完成电能路由器的信息流控制，完成对内部多个功率单元之间的功率控制和信息收集，上传给上层控制中心，同时接收并响应上层控制中心的调度指令。2）控制通信单元本文提出的电能路由器控制通信单元由基于EtherCAT总线技术的主从通信系统构成。EtherCAT 总线技术是一种由 BECKHOFF 公司在2004年提出的基于传统以太网 IEEE 802.3协议的速度快、带宽利用率高的实时工业以太网。标准以太网控制器均可以作为 EtherCAT 的主站设备，方便实现，这里采用 BECKHOFF 公司推出的 CX2040 嵌入式控制器作为主站控制器。EtherCAT 从站控制器（EtherCAT slave controller，ESC）是EtherCAT从站的核心部分，它通过硬件实现实时以太网 EtherCAT 应用层协议，采用BECKHOFF公司推出的ET1100作为ESC。同时，为了方便从站数据采集、变流器控制和功能扩展，将ET1100与DSP28335和 CPLD EPM1270集成在一起共同构成电能路由器控制通信单元从站设备，ET1100与DSP之间通过16位异步并行通信的方式进行数据交换。电能路由器中每一个功率变换单元均可作为一个从站单元，主从之间采用最基本的线型连接方式构成电能路由器控制通信单元。
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储能端口及双环控制策略
电能路由器能量管理需要储能设备在并网下相应功率调度，同时在离网下支撑母线电压。为更好地实现储能设备的接入，采用一种器件数量少、电气应力小、效率高的双向 Buck/Boost 变换器作为电能路由器储能端口变流器。双向Buck/Boost变换器通常采用互补脉宽调制 (PWM)的方式实现能量的双向流动控制，通过占空比控制电感电流始终工作在连续电流模式，使得变换器具备软开关特性的同时不需要功率流向状态逻辑判断便可以自动实现双向能量流动控制，系统响应快。
为实现电能路由器的基本功能，传统双环控制策略下，并网时 Buck/Boost 变换器工作在功率跟踪或电流指令跟踪的电流源模式，离网下工作在母线电压监控的电压源模式，通过电能路由器的控制通信单元判断系统状态，选择响应模式。但该控制策略存在以下问题：①储能端口并入直流母线瞬间，占空比需要从零升至稳态值，造成较大的电感电流冲击；②离网运行时，负载突变与储能侧电压波动均会恶化母线电压控制性能。
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储能端口优化控制策略
电能路由器储能端口优化控制策略框图如图1所示。
图1 储能端口优化控制策略框图
为抑制并网瞬间的冲击电流，同时消除储能电压波动的影响，根据内膜原理，在内环控制中增加电压前馈环节；在中环控制中增加功率前馈环节，负载功率通过电能路由器的控制通信单元借助EtherCAT总线技术快速采集汇总并下发给储能端口从站控制单元，改善母线电压动态性能。
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实验验证
为验证本文所提电能路由器实现方案可行性，搭建了相关的实验验证平台，在此基础上进行了储能端口的优化控制策略和传统双环控制策略在并网冲击、负载扰动和输入电压扰动等工况下的对比实验，实验结果表明：①储能端口空载电流源并网启动时，优化控制策略将冲击电流由13 A减小至1 A左右；②储能端口负载由空载突变至满载时，优化控制策略的调节时间由15 ms缩减至7 ms，跌落深度由17.5%缩减至12%；③储能端口输入电压50%扰动时，优化控制策略的输出电压几乎不受影响。
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结语
1）本文提出了一种基于EtherCAT总线技术的电能路由器实现方案，详述了其基本架构与控制系统构成，通过搭建相关实验平台验证了该方案的可行性。
2）针对采用双向Buck/Boost拓扑作为电能路由器储能端口时存在的储能端口并网启动电流冲击和离网母线电压波动问题，提出一种储能端口电压前馈与负载功率前馈相结合的能源路由器储能端口优化控制策略，理论分析与实验结果验证了所提优化控制策略的有效性。
3）本文为电能路由器的实现与性能优化提供了一种可行参考方案，在本文所提电能路由器实现方案的基础上，未来还需要结合实际应用需求与快速通信控制技术对电能路由器系统协调优化作进一步探索研究。
原文发表在《电力系统自动化》2020年第44卷第9期，欢迎品读！
引文信息
赵文广, 张兴, 李彦君, 等. 基于电压与功率前馈的电能路由器储能端口优化控制策略[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(9): 179-186. DOI: 10.7500/ AEPS20190801002.
ZHAO Wenguang, ZHANG Xing, LI Yanjun, et al. Optimal Control Strategy for Energy Storage Port of Electric Energy Router Based on Voltage and Power Feedforward [J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(9): 179-186. DOI: 10.7500/ AEPS20190801002.
▼往期精彩回顾▼
《电力系统自动化》2020年第9期目次
基于数据驱动的电力系统灾变演化及防控研究与展望
利用深度强化学习自适应新能源出力的不确定性，实现电力系统动态经济调度
主动配电网能量管理与分布式资源集群控制
主要作者简介
赵文广
合肥工业大学博士研究生，主要研究方向：双向DC/DC变换技术、固态变压器与能源路由器、交直流混合微网等。
李彦君
合肥工业大学硕士研究生，主要研究方向：大功率双向DC/DC变换技术与微网。
张兴
博士，合肥工业大学教授（二级）、博导、安徽省政协委员、可再生能源接入电网技术国家地方联合工程实验室主任、IEEE 高级会员、台达环境与教育基金会“中达学者”，IEEE期刊JESTPE副主编、中国电源学会常务理事、中国电源学会新能源电能变换技术专委会副主任委员、中国电工技术学会电控系统与装置专委会副主任委员。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目多项，发表SCI/Ei学术论文200余篇，出版学术专著5部（国家十二五重点图书）、教材3部（国家规划教材1部），获授权发明专利60余项，获省部级科技进步奖4项，主要研究方向为新能源发电及其电力电子技术。
团队介绍
合肥工业大学电气与自动化工程学院张兴教授科研团队有教授及博导4人，副教授4人，博士研究生 17 人，多年来依托合肥工业大学“电力电子与电力传动”国家级重点学科、教育部“光伏系统工程研究中心”以及“可再生能源接入电网技术国家地方联合工程实验室”，一直致力于新能源发电及电力电子技术的研究与教学工作。团队长期专注于同我国新能源发电逆变器龙头企业——阳光电源股份有限公司的产学研合作，实现了光伏并网逆变器、 兆瓦级风电变流器、微电网及储能变流器等技术的产业化，取得了良好的社会经济效益。
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