楊昆，李菡

(1 河北省標準化研究院，石家莊 050000；2 中移在線服務有限公司河北分公司，石家莊 050000)

隨著信息科技和通信技術發(fā)展，通信設備對供電可靠性要求越來越高，用電量也日益增加。目前通信電源系統(tǒng)包括市電、柴油發(fā)電機組、UPS提供的380 V/220 V交流電源，蓄電池、開關電源提供的-48 V直流電源，以及近年開始在通信行業(yè)、數(shù)據(jù)中心推廣應用的336 V和240 V高壓直流電源。通信電源種類和供電設備繁多，不同等級電源和用電設備兼容需要大量電能變換裝置，導致供配電系統(tǒng)復雜，可靠性差，設備投資高且重復投資、電能損耗大等問題，因此需要研究能夠整合通信供配電系統(tǒng)各種電源、并實現(xiàn)電能高效管理利用的智能化電氣連接和電能管理方法。

在微電網技術中，電能路由器從需求側出發(fā)管理電力負荷和分布式電源，提高微電網系統(tǒng)的整體運行效率和電能質量，可以實現(xiàn)各種分布式電源和負載在微電網中的互聯(lián)和可靠管理，并簡化電源系統(tǒng)結構。以電能路由器為核心，構建包含市電并網端，電能變換裝置（高、低壓開關電源），自備應急電源（柴油發(fā)電機）、直流儲能節(jié)點（蓄電池組）等多個分布式能源系統(tǒng)以及網級控制裝置（電能路由器）的通信電源微電網系統(tǒng)，給通信機樓、數(shù)據(jù)中心各種傳輸、交換、IT設備供電可以有效解決上述問題。

本文為構建通信電源微電網系統(tǒng)，提出適用于通信核心局的MMC電能路由器，設計路由器硬件電路，分析其工作原理、數(shù)學模型，并提出控制方法。在Mabtlba/Simulink中搭建MMC電能路由器仿真實驗平臺，驗證MMC電能路由器控制方法的有效性，并且說明了電能路由器互聯(lián)各種電源設備，簡化電源系統(tǒng)，實現(xiàn)主動功率控制和提高電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能和可行性。

1 基于電能路由器的通信電源微電網系統(tǒng)結構

1.1 現(xiàn)有通信核心局電源系統(tǒng)架構及問題

圖1 現(xiàn)有通信核心局電源系統(tǒng)架構

由于通信核心局耗電量大，為提高供電容量并方便運營單位管理維護，通信電源系統(tǒng)通常采用以集中供電方式為主的樹干式結構，拓撲結構如圖1所示，從中、高壓市電開始逐級變換、分配電能。在通信核心局中集中設置高低壓變配電室，通過電力變壓器將10 kV中壓交流電變換到380 V/220 V低壓交流電，再通過低壓配電柜將電能分配到各電力電池室。電力電池室電源系統(tǒng)包括交、直流配電箱/屏、UPS電源、-48 V開關電源、336 V高壓直流電源、蓄電池組等電源設備，根據(jù)不同負載的供電等級和電源需求，給各種通信負載和空調、電氣消防、智能化等建筑負載供電。

這種樹干式多級變換的通信電源系統(tǒng)拓撲主要問題在于：網絡結構復雜，電源種類和供電設備繁多；不同電源和用電設備之間不兼容，需要大量電能變換裝置，導致網絡損耗大；不同種類電源之間為上下游關系，電能從交流市電到通信電源設備再到負載單相流動，能量不能交換，為保證通信可靠性，各類電源、各個供電節(jié)點需要設計備用單元，導致設備利用率低，系統(tǒng)冗雜；電源系統(tǒng)工作于穩(wěn)壓模式，功率潮流開環(huán)，不能主動控制，調度靈活性低；故障點多，運維成本高，可靠性差。

1.2 電能路由器及通信電源微電網系統(tǒng)結構

1.2.1 電能路由器功能框圖及硬件架構

采用電能路由器構建通信電源微電網系統(tǒng)解決上述問題，路由器功能框圖及硬件架構如圖2(a)所示。圖中（1）、（2）、（3）分別為 380V 交流、-48 V直流、336 V直流母線，（4）、（5）分別是雙向交流/直流（AC/DC）和雙向直流/直流（DC/DC）電力電子變流器，（6）是電能路由器控制單元，（7）并網開關。通過控制單元內部傳感器反饋3條母線電壓電流信息，并根據(jù)設定的電能路由器工作模式、母線電壓參數(shù)、電流和功率調度指令進行計算，產生符合控制要求的驅動脈沖控制雙向AC/DC、DC/DC變換器工作，實現(xiàn)穩(wěn)定母線電壓、控制有功和無功在各條母線間流動的功能，同時控制單元監(jiān)控、交直流電網、電能路由器本體和并網電源、負載設備的工作狀態(tài)，在電網內某節(jié)點異?；蚬收蠒r，通過控制路由器有功、無功或給并網電源設備發(fā)送聯(lián)動指令排除故障，電網故障無法排除時斷開并網開關隔離故障，保證通信核心局微電網的安全運行。在單一母線故障情況下，通過雙向AC/DC、DC/DC變換器將其它母線能量饋入故障母線，實現(xiàn)不間斷供電能力。

1.2.2 電能路由器在通信電源微電網系統(tǒng)的應用

基于電能路由器組網的通信電源微電網架構如圖2(b)所示，采用電能路由器產生380 V/220 V交流母線，以及336 V和-48 V直流母線，設計初期選擇足夠大載流量的母線，后期負載增加時，只需增加電能路由器和相應配電屏即可滿足擴容需求。由于電能路由器具有通信核心局配電網中3種電源種類接口，可以省去大量開關電源、整流器等電能變換設備，簡化網絡；不同電源之間能量能夠進行交換，因此各母線上電源設備可以互為備份，可以有效提高電源設備利用率，減少相同種類電源備份，并且根據(jù)情況省去UPS電源；各母線都接有相應備用電源設備，當外市電故障斷電，或微電網內部某分布式電源故障停機時，通過電能路由器將其它母線電源設備能力饋入故障母線，保證通信設備的不間斷供電，提高電源系統(tǒng)可靠性。

圖2 電能路由器功能框圖及通信電源微電網系統(tǒng)架構

2 MMC電能路由器及控制方法

2.1 MMC電能路由器結構及工作原理

電能路由器主電路拓撲是其實現(xiàn)功率變換和各種控制要求的主體，根據(jù)電能路由器輸出交流380 V/220 V、直流-48 V和直流336 V三種電源電平的需求，采用具有3種電平輸出的模塊化多電平變換器（MMC）拓撲結構進行改進，設計滿足通信微電網應用的電能路由器。其結構如圖3(a)所示，圖中（1）、（2）、（3）分別為三相交流、低壓直流和高壓直流端子。

路由器每一相分上下兩個橋臂（下標p、n分別表示上下橋臂），每個橋臂由一個橋臂電感Lr和N個子模塊（圖中的SM模塊）串聯(lián)組成。上下橋臂電感感值相等，其作用一部分是作為輸出電感抑制交流電流輸出諧波，另一部分是作為直流母線間的能量緩沖，抑制環(huán)流。子模塊的結構如圖中所示，每一個子模塊由支撐電容C、低壓蓄電池組和S1、S2兩只IGBT開關管構成，路由器正常工作時子模塊直流電壓設計為U*SM，當子模塊上管S1開通，下管S2關斷時，橋臂電流流經直流側蓄電池和電容，子模塊直流電壓串入電路，此時其交流端輸出電壓為Uab=U*SM；反之，當子模塊上管關斷，下管開通時，橋臂電流流過下管，子模塊直流電壓被旁路，此時其交流端輸出電壓為Uab=0。每個橋臂通過控制串入或者旁路的子模塊數(shù)量來控制整個橋臂的輸出電壓Uarm從0～NU*SM之間階梯變化。經過橋臂電感濾波后，每個橋臂輸出電壓基波可以等效為一個受控電壓源，通過調制方法控制上下橋臂輸出電壓，進而控制三相橋臂中點輸出交流電壓UcABC。變壓器原副邊變比為0.5，使電能路由器交流輸出為Ucabc=UcABC，其作用是匹配電平以滿足通信電源系統(tǒng)應用需求，同時減少MMC所需子模塊數(shù)量，降低控制系統(tǒng)復雜度和制作成本。在任意時刻，控制每一相上下兩橋臂串入電路的子模塊總數(shù)量為N，則公共高壓直流母線電壓始終保持在

為滿足通信電源微電網系統(tǒng)應用需求，將電能路由器三端分別作為380 V交流、-48 V低壓直流和336 V高壓直流母線?？紤]到電路壓降和實際單體電池電壓，令每個橋臂子模塊數(shù)量N=6，子模塊電壓U*SM=60 V，公共直流母線電壓Udc=NU*SM=360 V。采用載波移相調制方法控制電能路由器內部各子模塊開關工作，設調制信號調制比為M，相位為ω0t，則交流側輸出電壓基波控制關系如公式（1）所示，通過調節(jié)調制比和相位，控制交流端子輸出與市電同步的380 V交流，滿足并網和交流側功率控制需求。通過控制子模塊開關狀態(tài)，調整串入電路子模塊數(shù)量，及可實現(xiàn)交流側、子模塊直流側和公共直流側能量的交換。

2.2 MMC電能路由器等效電路

根據(jù)上述原理闡述，首先忽略變壓器影響，只考慮低壓側輸出電壓UcABC，則MMC電能路由器單相等效電路如圖3(b)所示，圖中Ux（x=a，b，c）為市電三相交流電壓，ix（x=a，b，c）為交流電流，每相橋臂子模塊數(shù)目為N=6，三相的上下橋臂輸出電壓分別為Upx(x=a，b，c)和Unx(x=a，b，c)，上下橋臂電流分別為ix（x=a，b，c）p和ix（x=a，b，c）n，等效中性點為 n。

根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以分別得到公式（2）、（3），式中R為橋臂電感等效電阻。

圖3 MMC電能路由器結構原理及等效電路

將上式整理，可以得到MMC電能路由器的交流側輸出方程為

其中橋臂輸出電壓為

2.3 MMC電能路由器數(shù)學模型及控制方法

2.3.1 交流側數(shù)學模型及控制方法

將電能路由器交流側輸出方程組進行同步旋轉坐標變換，即dq變換，并進行拉普拉斯變換后可得同步旋轉坐標下電能路由器等效模型如公式（6）所示，根據(jù)公式（6）設計MMC電能路由器交流側控制方法如圖4(a)所示。

其中Gid、Giq分別為d、q軸電流控制器，電能路由器在主動功率控制工作模式時，根據(jù)微電網能量調度需求，給定有功和無功電流指令Idref、Iqref，即可實現(xiàn)功率的主動控制；不需要功率主動控制時，反饋路由器交流側輸出電壓后轉化為dq坐標系下的電壓反饋信號Ucd，將其和電壓指令Ucdref進行比較后，采用電壓控制器Gud轉化為電流控制指令，即可達到穩(wěn)定交流母線電壓的控制目的。

2.3.2 直流側數(shù)學模型及控制方法

MMC電能路由器工作時，同一相上下兩個橋臂串入電路的子模塊數(shù)量固定，公共直流母線電壓衡為Udc=NU*SM，只要控制子模塊電壓在設定值，公共直流側電壓也會維持在設定值，因此路由器直流側控制設計為代表直流側總體電壓的子模塊電壓平均控制和不同子模塊電壓的平衡控制。

子模塊電壓平均控制框圖如圖4(b)所示?？刂葡到y(tǒng)包括電壓控制外環(huán)和電流控制內環(huán)，其中為子模塊電壓的設定值，為某一相上下橋臂子模塊電壓的平均值。由于子模塊電壓的平均值與流經同一相上下兩橋臂的環(huán)流大小有直接關系，環(huán)流定義為izx=1/2(ipx+inx)，x=a，b，c，將子模塊電壓的平均值與設定電壓的誤差經過一個PI控制器GPI(s)輸出得到環(huán)流指令i*zx，與環(huán)流實際值izx作差，其誤差輸入電流內環(huán)比例控制器GPI(s)，UAx為疊加到每個子模塊上面的電壓平均控制指令。

G1av(s)和G2av(s)分別為電流內環(huán)和電壓外環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)表達式分別為

得到內、外環(huán)傳遞函數(shù)后，根據(jù)閉環(huán)控制框圖設計PI和比例控制器，使子模塊平均電壓維持在標定值60 V，即可將作為高壓直流輸出端子的公共直流母線電壓維持在360 V，滿足高壓直流通信負載供電需求；根據(jù)功率輸出要求，微調參考電壓U*SM，即可實現(xiàn)高壓直流側能量的主動控制功能，如高壓直流側蓄電池組充放電、交流市電斷電時直流側逆變供電等。

子模塊電壓平衡控制框圖如圖4(c)所示，USMj，j=1～6為某橋臂內各子模塊直流側電壓，GP2(s)為比例平衡控制器，UBj為輸入到每個子模塊的平衡電壓控制信號，G3in(s)為平衡控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表達式如公式（9）所示，其中Ix表示三相輸出電流的有效值。

子模塊電壓平衡控制和子模塊電壓平均控制相對獨立，滿足疊加原理，反饋子模塊電壓與電壓設定值比較的誤差，經過比例控制器調節(jié)后，產生平衡電壓控制信號，疊加到電壓平均控制指令，從而實現(xiàn)子模塊電壓平衡控制目的?？刂乒仓绷髂妇€電壓保持在標定值的情況下，子模塊電壓平衡即可保證子模塊電壓的穩(wěn)定，滿足低壓直流通信負載供電需求。正常交流市電供電情況下，子模塊蓄電池組處于并聯(lián)浮充狀態(tài)，負載能量主要由市電提供；市電斷電時，直流側蓄電池組保證持續(xù)供電，并且通過路由器逆變工作，可以將直流能量轉換為交流能量，給交流負載供電，保證交流側供電穩(wěn)定。

圖4 MMC電能路由器結構原理及等效電路

3 MMC電能路由器仿真驗證

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建基于MMC電能路由器的通信電源微電網仿真平臺，MMC電能路由器通過變壓器并網，三端母線分別連接380 V交流電網、336 V蓄電池組和-48 V蓄電池組，各母線還分別并聯(lián)相應負載，其中380 V交流母線負載功率為50 kW，336 V直流母線負載為90 kW，-48 V母線為36個子模塊單元，每個單元直流側接3 kW負載，負載總功率為108 kW。在仿真平臺上進行仿真實驗，驗證各端母線電源正常工作、單一母線電源斷電時主動控制其它母線給停電母線供電時MMC電能路由器的工作情況，從而驗證本文提出方法可行性。

仿真結果分別給出：母線電壓仿真波形，包括交流380 V母線電壓、36條-48 V直流母線電壓、336 V高壓直流母線電壓；電能由器380 V交流端口功率仿真波形，包括380 V市電輸出功率，交流負載功率、電能路由器交流端口輸出功率；電能路由器-48 V端口功率波形，包括各條母線所接負載總功率，以及與各母線并聯(lián)的各蓄電池組輸出總功率；電能路由器336 V端口功率波形，包括負載功率和蓄電池組輸出功率。

3.1 交流市電故障停電工況下仿真結果

交流市電停電工況下，MMC電能路由器運行仿真結果如圖5(a)所示，仿真初始時刻，各電源設備正供電，在0.5 s時，將交流市電斷開，模擬停電情況，并給定路由器交流端有功電流指令，使交流端輸出負載所需功率，以保證交流負載正常供電。

從仿真結果可以看出，故障發(fā)生前，各條母線上電源設備正常供電，母線電壓與設計值相符，分別為交流380 V、-60 V和360 V。交流380 V母線所接負載功率為50 kW，電能路由器輸出功率為0，說明交流負載功率全部由市電提供；-48 V母線所接負載總功率為108 kW，與低壓蓄電池組輸出功率相等，說明低壓直流負載功率全部由低壓蓄電池組提供；336 V母線所掛負載功率總功率為90 kW，與高壓蓄電池組輸出功率相等，說明高壓直流負載功率全部由高壓蓄電池組提供。功率仿真波形說明正常情況下，各條母線負載功率由相應電源提供，通過電能路由器交換功率為零。

交流市電斷電情況下，其它兩條母線電壓不受影響，仍正常供電。市電斷電時，電網輸出功率下降為0，路由器交流端輸出功率上升為50 kW，交流負載正常供電，可見路由器輸出功率隨指令變化，與預計結果相符。并且低壓、高壓蓄電池組輸出功率分別上升30kW和20 kW，總功率上升50 kW，各自母線上所接負載功率不受影響仍為108 kW和90 kW，可知交流端輸出功率由高、低壓直流端電源提供。

各-48 V母線電壓因為SM開關工作，產生一定波動，脈動電壓Upulse小于3 V，由于實際電路中存在各種寄生參數(shù)，負載側的實際脈動電壓為負載阻抗與寄生參數(shù)的分壓，具體為

其中Zload為負載阻抗，Zbattery、Zc為蓄電池組和直流電容內阻抗，ZL1、ZL2分別為蓄電池組和電容與子模塊直流側連接銅排或電纜的寄生阻抗，由于在實際電路中且因此實際負載側電壓脈動遠小于仿真值，可以忽略，336 V側由于各SM脈動疊加后相互抵消，因此波動值較小，下面仿真也有類似情況，不再贅述。低壓、高壓蓄電池組增加功率與電流比例相關，理論上分別為交流輸出功率的1/3和2/3，仿真結果與計算相符，具體原理不再闡述。

3.2 336 V直流母線故障停電工況下仿真結果

336 V直流母線故障停電工況下，MMC電能路由器運行仿真結果如圖5(b)。仿真初始時刻，各電源設備正供電，在0.5 s時，將336 V蓄電池組斷開，模擬停電情況，給定路由器交流端有功電流指令為90 kW，由交流市電提供336 V母線負載所需功率，以保證高壓直流負載正常供電。故障前仿真波形與上節(jié)相同，不再贅述。

從仿真波形可以看出，故障后高壓蓄電池組斷電，輸出功率下降為0，而高壓負載功率不變，說明由其它母線電源補償了高壓母線能量；電能路由器交流端輸出功率下降到-90 kW，表示交流端從市電吸收功率90 kW，低壓蓄電池組輸出總功率不變，相應交流負載和低壓直流負載功率不受影響仍為50 kW和108 kW，說明高壓直流母線能量由交流市電提供，與預計結果相符。

上述市電或高壓直流蓄電池組斷電工況下的仿真和分析結果，驗證了本文提出的MMC電能路由器控制策略的正確性和有效性，并且說明在母線故障情況下，MMC電能路由器可以從其它正常母線吸收能量饋入故障母線，并且可以通過主動功率控制，根據(jù)電源容量和調度需求控制能量流向，選擇饋入故障母線能量的來源，驗證了電能路由器互聯(lián)電源設備，提高電源系統(tǒng)的可靠性和能量管理功能。由于不同電源母線設備可以互聯(lián)饋能，因此可以減少同類電源設備備用數(shù)量和容量，提高電源設備利用率，從而將帶電源投資和運維成本。

圖5 MMC電能路由器仿真結果

4 結束語

本文提出一種基于MMC拓撲的電能路由器裝置，基于MMC電能路由器構建包含交流380 V/220 V，-48 V低壓直流和336 V高壓直流3條母線的通信電源微電網系統(tǒng)，用于整合各類通信電源，實現(xiàn)各種分布式通信電源和負載在通信電源微電網中互聯(lián)和可靠管理，提高系統(tǒng)可靠性和可擴展性，為通信電源系統(tǒng)設計、管理提供了一種新的組網方案。

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