本文是一篇电力论文，本文以多端口能量路由器拓扑结构为基础，对分布式端口拓扑和控制策略以及整体运行协调控制进行设计研究，通过仿真验证各模态运行稳定性。最后进行硬件电路搭建，验证控制策略的可行性。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国是碳排放大国，在能源体系的建设与改革是势在必行的。当前，我国正处于工业化发展的上升期，科技与经济高速发展是对巨大能源需求和环境压力的挑战。当前，以化石燃料为主的低碳经济模式已经成为全球应对气候变化的重要手段之一，也是未来各国可持续发展的必由之路。所以，“双碳”目标成为我国未来重要的发展目标，力求探寻出符合中国国情的发展战略。到2030年达到碳排放峰值，并力争到2060年实现碳中和。我国在朝着“碳达峰、碳中和”奋斗目标不断前进的进程中，从排放源头上进行总体布局和调控，达到降碳、减排的目的、提高生态环境质量。为了尽早实现碳中和，大力发展清洁绿色的非化石能源至关重要，在2030年以光伏、风电为主的非化石能源比重预计占一次能源消耗的四分之一，分布式总装机容量能达到1.2GW[1-3]。
分布式能源因其随机、不可控等特点，当大量接入电网时，可能会对电网造成一定的冲击[4]。此外，通过在电网中加入储能装置，抑制能量波动，同时可降低电网压力，起到削峰填谷的作用。通过主动调控电网末端节点能量，实现对固定点和定时能量的准确量化。然而传统电力系统中的能量平衡调节总是被动的，在潮流的主动控制和分配方面仍然存在许多困难[5]。为了适应未来能源互联控制的复杂性和多样性要求，以微电网和智能控制结合的能源自治单元的理念被提出，使能源单元在时间空间上多维度的互联互通。北卡罗来纳州立大学的研究团队提出将电力电子与计算机信息结合，创建一种针对分布式能源与储能装置接入的电力系统。类比计算机网络中的信息路由器，能源路由设备利用电力电子转换电路控制变压器，并利用信息通信技术实现等效的能源交互、调度、监控和分配能源流，以确保分布式能源的正确接入和经济使用[6-8]
1.2 能量路由器的研究现状
作为配电网络中电能的传输、电能形式的变化和配电的核心设备，能量路由器的特点有：电力供应的时空规模和经济性的互补性，以实现能源互惠；实现相邻电网之间的能源调度，缩短输电路径，减少不必要的能源损失，并提供可再生能源的利用率[9]；为了确保电能质量和运行可靠，能量路由器具有以下功能要求[10]：1）为不同能源载体提供“即插即用”的接口；2）对系统内功率流动进行调节；3）可靠的通信以及对故障检测和隔离；4）能源的自主控制与可靠运行管理。目前按结构可分为三种类型[11]：基于固态变压器的能量路由器、多端口能量路由器以及电力线通讯能量路由器。
（1）基于固态变压器的能量路由器
固态变压器（Solid State Transformer，SST），基于电磁感应的原理来实现电气隔离与电压等级的转变[12]。目前应用较多的三级型结构，如下图 1.1所示，分别为整流级、隔离级以及逆变级[13-14]。拓扑由两个H桥电路与双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）组成，整流级校正输入侧功率因数，起到无功补偿作用。以DAB为隔离级，在为逆变级提供直流输入的同时可组成低压母线，也可为分布式发电单元提供接口。逆变级可以输出低压交流，为低压电网或负载提供输入。该拓扑可对整流级、逆变级进行模块化的拓展，提高输入电压，多电平输出等，整体系统的兼容性较高。
第二章 能量路由器端口拓扑结构及模型
2.1 能量路由器的拓扑结构
从物理层面上看，能量路由器是为各种能源、不同类型负荷所提供的即插即用的端口，是将各种分布式能源与电力网络连接的纽带，从而实现源-储-荷-网间的能量交换[48]。从电气功能上看，能量路由器是将电气设备与信息交互相结合的智能体，实现能量的双向流动、能量的优化调度、故障自动检测切除等。
2.1.1 多端口变换器结构
如下图 2.1所示，本文能量路由器采用基于MPC（Muli-Port Converter）的拓扑结构，以多端口变换器为核心控制部件。
（1）直流端口，能量路由器为直流电性质分布式能源提供的接口，如光伏发电系统。光伏阵列通过升压变换器，将光伏输出电压提升至后级电压运行等级后再与母线连接。
（2）交流端口，同直流端口类似，是为交流性质的分布式能源提供的接口，如风力发电系统，风力发电输出经过全控型整流后接入母线，协同光伏单元向系统提供能量。
（3）储能端口，为蓄电池、超级电容等储能单元接入的端口，储能系统可为系统内功率波动提供缓冲、起到削峰填谷的作用。根据储能的工作性质，需要完成充放电操作，通过双向斩波器接到公共直流母线，根据SOC来对储能系统进行充放电控制。
2.2 光伏端口拓扑结构
太阳能是较容易获取的清洁可再生能源。光伏单元主要由主体光伏阵列与升压电路组成，如下图 2.2所示。太阳能通过光伏板进行电能的转换，其输出经过升压电路将电压等级进行抬升。通过MPPT控制，保证以最大功率运行[49]。本节首先分析光伏电池等效电路、输出特性，以及后级Boost电路简要分析。
第三章 能量路由器端口控制策略研究 .......................... 31
3.1 光伏端口 ................................... 31
3.1.1 光伏MPPT ......................... 31
3.1.2 恒压控制 ............................ 34
第四章 系统协调控制与能量管理 .......................... 51
4.1 协调控制策略 ............................. 51
4.2 不同运行模式下能量管理约束条件 ..................... 52
第五章 能量路由器硬件设计及实验 .................... 61
5.1 硬件电路设计目的 ................... 61
5.2 系统电路架构 ................................. 61
第五章 能量路由器硬件设计及实验
5.2 系统电路架构
根据本文能量路由器的结构和现有硬件资源，硬件系统的结构图如下图 5.1所示。结合能量路由器的特点，需满足不同电压等级、不同形式的分布式能源接入。可以实现能量的双向流动，具备一定的继电保护功能，提升硬件电路的安全可靠性。本节将会对能量路由器的各个端口电路、部分芯片的选择、功能等进行介绍。
第六章 总结与展望
能量路由器作为电力电子技术、智能控制技术以及通行技术进步的产物，在能源互联网中具有重要意义。本文以多端口能量路由器拓扑结构为基础，对分布式端口拓扑和控制策略以及整体运行协调控制进行设计研究，通过仿真验证各模态运行稳定性。最后进行硬件电路搭建，验证控制策略的可行性。主要结论如下：
（1）提出多端口能量路由器的拓扑结构，建立光伏、风电单元模型，并分析其输出特性，分别设计了基于黄金分割的MPPT、恒压控制和最优叶尖速比法和定功率控制方法；研究蓄电池等效模型，并设计阶段式充电与恒压放电控制；研究了并网端口的T型三电平变换器工作过程与SVPWM调制过程，并建立其数学模型。以注入等效零序的方法解决中点电位不平衡问题。考虑到传统VSG控制的局限性，提出一种虚拟参数自适应结合电流内环超螺旋滑模的控制策略。仿真结果表明，以上设计的控制策略均可有效实现控制目标。
（2）提出一种分层与主从控制结合的三级控制方法，将系统控制划分为能量路由级、系统控制级、端口控制级。其中能量路由级综合考虑系统运行可靠性与经济性,同时接收外电网调度是否有要求配电要求、配电多少、电能质量。确定系统工作在并网模式，或是孤岛模式，然后对下级发出控制指令。系统控制级结合分布式电源、储能、负荷的约束条件，将不同运行模式细分为五种模态，平抑因外界因素或系统内部变动所引起的功率不平衡、母线电压波动，使源储荷之间功率的供给与消耗达到动态平衡，在此基础上对端口控制级发出指令，按需调整控制策略。端口控制级：即能量路由器中各个端口控制策略。通过仿真验证各模态运行时端口间协调配合，且实现能量的多向流动与动态平衡。
（3）基于以上分析，设计了硬件系统框图，对各端口的控制芯片进行分析选用，采用现有资源搭建系统硬件模型，并进行调试分析。最后对几种典型工作模态进行实验，验证所提控制策略的可行性。
参考文献（略）
