王思尹，粟時平，王海明，歐陽振宇，王 豪，周 蔚

基于切換系統(tǒng)理論的終端能量路由器能量路由控制方法研究

王思尹，粟時平，王海明，歐陽振宇，王 豪，周 蔚

(長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410000)

終端能量路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)中一種重要的能量路由設(shè)備，構(gòu)建其能量路由拓?fù)涞淖钣行緩绞遣捎没陔娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)的固態(tài)變壓器。能量路由拓?fù)浯_定之后，能量路由控制技術(shù)直接決定著其運行特性。針對終端能量路由器能量路由的混成系統(tǒng)特性，使用基于混成系統(tǒng)理論的切換系統(tǒng)理論進(jìn)行終端能量路由器能量路由控制。首先詳細(xì)分析了終端能量路由器能量路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理。然后，深入分析了能量路由器能量路由的切換系統(tǒng)行為特征，建立了其切換系統(tǒng)模型。其次，結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)提出終端能量路由器多模態(tài)切換控制方法。最后，通過Matlab/Simulink仿真平臺搭建模型驗證所提控制方法的有效性。理論分析和仿真表明，該方法充分考慮了終端能量路由器運行過程中離散變量與連續(xù)變量的相互作用，具有切換時間短、切換過程平穩(wěn)的特點，從而優(yōu)化了動態(tài)調(diào)節(jié)特性，提高了控制跟蹤速度和控制精度。

能源互聯(lián)網(wǎng)；終端能量路由器；空間矢量脈寬調(diào)制；混成系統(tǒng)；切換控制

0 引言

隨著能源短缺與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，新型能源正逐步取代傳統(tǒng)的化石能源。傳統(tǒng)的單一集中式輸電也正向著分布式輸電方向發(fā)展。隨著電力市場的改革與電能技術(shù)的發(fā)展以及電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)升級與智能化，終端用戶有了更多的選擇空間，可以在負(fù)載與源之間切換接入電網(wǎng)。因此產(chǎn)生了能量信息雙向流通的需求[1-2]。為滿足未來電網(wǎng)的多樣性需求，日本學(xué)者提出了數(shù)字電網(wǎng)概念[3]。借鑒信息互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架體系，美國FREEDM中心提出能源互聯(lián)網(wǎng)的概念[4]。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是能量單向流動的樹狀電網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)則是采取積極主動的控制管理方式完成能量與信息的雙向流動。其依托先進(jìn)的自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信及電力電子技術(shù)，運用靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用預(yù)測、控制技術(shù)以及優(yōu)化算法，實現(xiàn)對分布式能源的主動控制和管理使之達(dá)到最優(yōu)運行狀態(tài)[5-6]。能量路由器為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，是能量與信息流的集合體，是實現(xiàn)能量信息雙向流動的核心設(shè)備。其綜合信息的交互借助先進(jìn)的電力電子變流器技術(shù)，靈活地進(jìn)行整流、逆變、斬波、變頻、變壓。并采用交直流混聯(lián)、即插即用、能量消納互補(bǔ)、實時通信等技術(shù)打造靈活可靠的能源互聯(lián)網(wǎng)，通過源網(wǎng)荷(儲)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，實現(xiàn)多種能源的綜合利用與協(xié)調(diào)優(yōu)化、實現(xiàn)用戶與配電網(wǎng)的可靠互聯(lián)。能量路由器的功能仍在不斷發(fā)展之中，目前其主要功能為以下幾點：(1) 支持能量的雙向流動與電能參數(shù)的調(diào)節(jié)、濾除諧波，提升電能質(zhì)量。(2) 信息交互，可以采集處理電網(wǎng)與終端數(shù)據(jù)，為能源互聯(lián)提供優(yōu)化策略。(3) 即插即用接口，便于交直流負(fù)載、分布式能源、電容儲能等能量的接入與計量。(4) 變壓變流與模式切換，實現(xiàn)潮流控制與能量的最優(yōu)分配。(5) 故障診斷，采用智能故障管理技術(shù)對網(wǎng)端與用戶端故障進(jìn)行診斷與處理[7]。

能量路由器根據(jù)在電網(wǎng)中位置的不同，分為終端能量路由器、區(qū)域能量路由器與主干能量路由器。目前，針對主干能量路由器與區(qū)域能量路由器的研究較為成熟，對終端能量路由器的研究較少。而終端能量路由器可以應(yīng)用于家庭、寫字樓、社區(qū)等。其應(yīng)用場所多，應(yīng)用需求量大，且終端能量路由器在太陽能等分布式能源普及入戶的政策下也極其具有研究價值[8]。

能量路由器的控制主要包括能量路由控制和信息路由控制，能量路由器的信息路由可以直接借鑒信息互聯(lián)網(wǎng)中信息路由器的信息路由控制技術(shù)，考慮到信息路由器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其信息路由控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟[9]。因此，能量路由器控制研究的熱點主要集中在能量路由控制方面。論文重點對終端能量路由器的能量路由控制進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10]提出一種多直流微網(wǎng)能量路由器協(xié)調(diào)控制策略，用于多電壓等級供電中電網(wǎng)、功率的靈活控制。以提高其瞬態(tài)性能及解決各個能量路由器間交互影響的問題。文獻(xiàn)[11]提出一種多端口能量路由器，控制穩(wěn)定，但基于SPWM控制，電能利用率相對較低。文獻(xiàn)[12]提出一種適用于小型能量路由器的控制管理策略，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)中能量與信息流的擁塞控制與均衡路由控制，但沒有考慮到儲能的接入。文獻(xiàn)[13]提出一種新型多端口路由器分層控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理與穩(wěn)定運行。有效提高了線路利用率。文獻(xiàn)[14]提出一種基于擴(kuò)展移相的混合控制策略以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但控制復(fù)雜，影響能量路由器的傳輸效率。

在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，本文提出一種基于固態(tài)變壓器(Solid State Transformer, SST)的終端能量路由器切換控制策略，引入混成切換系統(tǒng)理論，結(jié)合離散與動態(tài)特性對終端能量路由器進(jìn)行精細(xì)描述。結(jié)合空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)提出終端能量路由器多模態(tài)切換控制方法。最后利用仿真平臺Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)研究分析，仿真結(jié)果證實基于SST的終端能量路由器切換控制策略的有效性。

1 終端能量路由器能量路由拓?fù)渑c工作原理分析

1.1 終端能量路由器與配網(wǎng)及用戶端連接架構(gòu)

終端能量路由器安裝在電網(wǎng)終端位置，實現(xiàn)終端用戶與電網(wǎng)信息能量雙向流動與能源互聯(lián)優(yōu)化。其構(gòu)架如圖1所示。其接口單元分為WAN端與LAN端。WAN端即表示電網(wǎng)側(cè)、LAN端表示用戶側(cè)。中間部分終端能量路由器電能路由單元可以采用SST、多態(tài)開關(guān)、智能開關(guān)等構(gòu)成。SST集成了電力電子變換器與高頻變壓器。其體積較小、性價比高、具有高度可控性、具有電氣隔離功能、在電能質(zhì)量管理方面有明顯優(yōu)勢。SST更適用于終端用戶[15]。

圖1 終端能量路由器架構(gòu)

1.2 終端能量路由器能量路由拓?fù)?/h3>

本文主要研究基于SST的能量路由器能量路由拓?fù)?。SST為能量路由器的核心結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)終端能量在多種電能形式和電壓等級之間的轉(zhuǎn)換與控制。根據(jù)變換過程有無直流環(huán)節(jié)，將SST實現(xiàn)方式分為兩類[16-17]：

1) AC/AC型SST，變壓器體積較小，但控制性能較弱，二次側(cè)諧波含量多。

2) AC/DC/AC型SST，變換過程引入直流環(huán)節(jié)，先升頻，再降頻，可以抑制諧波雙向流動，控制性能較完善，有利于一二次側(cè)電能質(zhì)量的優(yōu)化[18-19]。

由于電能需反向輸入電網(wǎng)，對電能質(zhì)量要求較高。故本文基于AC/DC/AC型SST進(jìn)行研究。圖2所示3類拓?fù)錇榈湫虯C/DC/AC型SST拓?fù)洹D2(a)所示拓?fù)淅昧穗娢化B加原理，采用低壓功率器件實現(xiàn)在高壓系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換，具有良好的擴(kuò)展性且便于維護(hù)；圖2(b)所示拓?fù)錇槟K化級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以滿足較大的容量與電壓需求；圖2(c)所示拓?fù)錇榈湫偷娜壥浇Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)明了，功率器件數(shù)少。終端能量路由器應(yīng)用于家庭終端，圖2(c)拓?fù)湓跐M足終端用戶需求的同時擁有較高的性價比[20]。本文采取圖2(c)為路由器主電路拓?fù)洹?/p>

圖2 SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 基于SST型終端能量路由器工作原理

基于SST的終端能量路由器架構(gòu)如圖3所示。其接口單元由4個端口構(gòu)成。

圖3 SST型終端能量路由器架構(gòu)

配電網(wǎng)端口：配電網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)側(cè)AC/AC變壓器接入終端能量路由器，在終端用戶能量不足時供能，在終端用戶能量過剩時反向吸收剩余能量。

分布式能源端口：分布式能源經(jīng)DC/DC變壓器接入，為終端供能，在滿足終端能量需求前提下，能量經(jīng)路由器饋入配電網(wǎng)。

儲能裝置端口：儲能電容經(jīng)DC/DC變壓器接入終端能量路由器，削峰填谷。

負(fù)載端口：通過AC/AC智能接口接入，為負(fù)載終端提供能量。

主電路SST分為網(wǎng)端、隔離端與用戶端3部分。網(wǎng)端與用戶端為雙向AC/DC變換器，隔離側(cè)為DC/DC變換器。電網(wǎng)向終端并網(wǎng)供電時，網(wǎng)端高壓工頻交流電經(jīng)網(wǎng)端AC/DC變換器變換為高壓直流，再經(jīng)過隔離端的單相全橋變換器變換為高頻高壓交流電，經(jīng)高頻變壓器變換為高頻低壓交流，再經(jīng)過單相全控整流器變換為直流，最后經(jīng)DC/AC變換器轉(zhuǎn)換為交流。用戶端可以從直流側(cè)和交流側(cè)接入家用負(fù)荷與分布式能源，在能量路由器進(jìn)行能量信息匯總[21]。

2 終端電能路由路切換系統(tǒng)建模

2.1 切換系統(tǒng)理論的基本原理

傳統(tǒng)電力電子建模方法的基本思路呈線性化，即對各開關(guān)工作模態(tài)在時域上進(jìn)行平均處理，并忽略掉部分系統(tǒng)中的非線性固有特性。平均化建模對于緩慢變化的信號較為有效，但處于高頻狀態(tài)時會產(chǎn)生較大偏差；伴隨著非線性復(fù)雜高階系統(tǒng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)建模方法的適用性降低，進(jìn)而對控制效果產(chǎn)生不利影響[22]。因此引入混成切換系統(tǒng)對能量路由器進(jìn)行精細(xì)建模，可以更加精準(zhǔn)地描述能量路由器的暫態(tài)過程，更好地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。

混成切換系統(tǒng)為一類特殊的混成系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的建模方式，小信號建模建立于抽象空間狀態(tài)微分方程，而混成切換系統(tǒng)建立于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其描述更加符合電路特性，更加直觀地反映系統(tǒng)的實際狀態(tài)。在相似性上，混成切換系統(tǒng)更接近原系統(tǒng)。

切換模型即開關(guān)轉(zhuǎn)化模型，該模型把復(fù)雜的大系統(tǒng)劃分為多個線性小區(qū)間，再使用控制器對各區(qū)間進(jìn)行切換控制[23]。其控制模型如圖4所示。

圖4 混成切換系統(tǒng)模型簡圖

切換系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用如下方程組描述：

定常線性切換系統(tǒng)的切換系統(tǒng)模型可以表示為

2.2 能量路由器的切換特性分析

混成切換系統(tǒng)的運行包括連續(xù)變化的系統(tǒng)與離散狀態(tài)的系統(tǒng)，二者共同構(gòu)成了混成切換系統(tǒng)的各類參數(shù)和運行狀態(tài)。而配電網(wǎng)同時有連續(xù)性變量動態(tài)行為和離散性事件動態(tài)行為。在配電網(wǎng)中，每個時刻系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)有所不同，這類參數(shù)只在很小的范圍內(nèi)波動變化，這就是系統(tǒng)的連續(xù)時間動態(tài)特性。與此同時配電網(wǎng)中又存在大量的離散型事件使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生突變。這兩類事件同時作為變量影響系統(tǒng)的運行，因此配電網(wǎng)是一種典型的動態(tài)離散變量混成切換系統(tǒng)[24]。

終端能量路由器隨著開關(guān)狀態(tài)不同，對應(yīng)多種工作模態(tài)的電路拓?fù)洹Ｏ到y(tǒng)根據(jù)不同事件與外部變化輸入，對各離散狀態(tài)對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行切換運行。其對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變量隨時間狀態(tài)與外部輸出的動態(tài)變化而改變。根據(jù)以上分析可知，終端能量路由器也明顯呈現(xiàn)出混成切換系統(tǒng)動態(tài)離散特性。

2.3 能量路由器動態(tài)切換系統(tǒng)建模

2.3.1雙向型AC/DC變換器切換模態(tài)

AC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 AC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每種橋臂有兩種工作狀態(tài)，3個橋臂共有8個工作狀態(tài)，如表1所示。其中000與001的開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的效果相同，實際的有效開關(guān)狀態(tài)為7種。

表1 AC/DC模塊橋臂工作狀態(tài)

狀態(tài)方程為

雙向型AC/DC變換器切換模型示意圖如圖6所示。其中狀態(tài)變量，輸入變量。

2.3.2 DC/DC變換器切換模態(tài)

DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/DC變換器存在4種工作狀態(tài)，如表2所示。

表2 DC/DC變換器工作狀態(tài)

狀態(tài)方程為

圖8 DC/DC變換器切換模型示意圖

3 SST終端能量路由器切換控制方法

3.1 切換控制器的原理結(jié)構(gòu)

終端能量路由器切換控制策略原理圖如圖9所示。一級切換控制為3種模式的切換。二級切換控制各端口的接入，對接入端口數(shù)量進(jìn)行判斷。三級切換對變換器中各個開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行管理。

圖9 切換控制策略原理圖

3.2 切換控制策略

3.2.1一級切換控制

本文所設(shè)計一級切換策略流程圖如圖10所示。分布式電源發(fā)電小于終端負(fù)載耗電時，若儲能電容SOC＞50%時進(jìn)入孤島模式，SOC≤50%時能量路由器并網(wǎng)從電網(wǎng)獲得電能供給終端；當(dāng)SOC＞50%進(jìn)入孤島模式后，SOC＞20%時維持在孤島模式，SOC≤20%時能量路由器并網(wǎng)從電網(wǎng)獲得電能供給終端；分布式電源發(fā)電大于終端負(fù)載時，若儲能電容20%＜SOC＜80%，則進(jìn)入孤島模式；當(dāng)儲能電容SOC＞80%，則能量路由器并網(wǎng)終端輸送電能到電網(wǎng)；儲能電容SOC＜20%，則能量路由器并網(wǎng)終端從電網(wǎng)獲取電能。

圖10 切換策略流程圖

一級切換控制策略圖如圖11所示。

3.2.2二級切換控制

二級切換控制策略圖如圖12所示。二級切換控制對各端口是否接入進(jìn)行控制，圖1構(gòu)架中詳細(xì)介紹了各端口。當(dāng)能量路由器處于孤島模式時，配電網(wǎng)端口不接入；否則配電網(wǎng)端口接入。二級切換中需要對分布式能源端口、儲能裝置端口、負(fù)載端口3類端口進(jìn)行接入判斷。

圖12 二級切換控制策略圖

負(fù)載端口由人為調(diào)度，該負(fù)載需要使用時則該端口接入能量路由器。

任意端口設(shè)備發(fā)生故障則由調(diào)度層直接斷開該端口。

3.2.3三級切換控制

三級切換對各端口開關(guān)進(jìn)行控制。如表1和表2所示：DC/DC變換器存在4種工作狀態(tài)。AC/DC變換器存在8種工作狀態(tài)。SVPWM調(diào)制電壓利用率高于SPWM 15%左右，且采用SVPWM調(diào)制輸出波形諧波含量更低、開關(guān)損耗小、計算簡單、動態(tài)響應(yīng)快[25-26]。在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，本文提出采用SVPWM調(diào)制來對開關(guān)模態(tài)進(jìn)行控制。故系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，在SVPWM調(diào)制下對開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行切換。

、、組合方式有8種，結(jié)合以上分析，、、不會同時為0或1。故、、實際組合方式為6種，令

S的取值與扇區(qū)的6部分相對應(yīng)，如圖13所示。圖中括號數(shù)值與式(9)相對應(yīng)。

根據(jù)正弦定律求解可得

4 仿真

4.1 仿真模型搭建

為驗證本文所提切換控制策略在平穩(wěn)切換、快速切換和維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行等方面的有效性，在Matlab/Simulink平臺搭建基于SST的終端路由器切換控制模型。主要參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖14為SOC變化示意圖。以分布式電源發(fā)電大于終端負(fù)載耗電為例對其切換過程進(jìn)行仿真，仿真過程如下：

表3 系統(tǒng)參數(shù)

圖14 SOC變化示意圖

4.2 網(wǎng)端仿真分析

網(wǎng)端仿真波形如圖15所示。圖15(a)為切換控制下網(wǎng)端功率，結(jié)合圖14與圖15(a)可以看出，0.35 s時SOC由10%切換為19.9%，此時網(wǎng)端吸收功率為-10 kW，能量路由器保持在網(wǎng)端供能模式；0.4 s時SOC由19.9%切換為20.1%，此時網(wǎng)端功率由-10 kW變?yōu)? kW，網(wǎng)端停止向終端供能，能量路由器由網(wǎng)端供能模式切換到孤島模式。0.5 s時SOC由19.9%切換到70%，此時網(wǎng)端功率為0 kW，能量路由器保持在孤島模式。0.7 s時SOC由70%切換到90%，此時網(wǎng)端吸收功率為10 kW，能量路由器由孤島模式切換到反饋模式。由上述切換過程可以看出，SOC值與所設(shè)置切換條件差值較小或較大時，均不會造成切換系統(tǒng)誤動作。由圖15(a)可以看出，模式切換前后，功率波形發(fā)生較小波動，隨后在切換控制的作用下較快地恢復(fù)穩(wěn)定。采用切換控制來對終端能量路由器進(jìn)行控制，發(fā)生切換到恢復(fù)穩(wěn)定時間＜0.001 s，切換反應(yīng)迅速。

網(wǎng)端電壓、電流如圖15(b)和圖15(c)所示，網(wǎng)端電壓很好地維持在311 V左右，網(wǎng)側(cè)電流在并網(wǎng)供電模式時維持在20 A左右，0.4 s由并網(wǎng)供電模式切換為孤島模式時，網(wǎng)側(cè)電流減少至0周圍波動，0.7 s由孤島模式切換為并網(wǎng)反饋模式時，電流恢復(fù)到20 A左右，但方向與并網(wǎng)供電模式相反，此時由終端向電網(wǎng)供電?？梢钥闯鲭妷?、電流在切換前后很快達(dá)到穩(wěn)定。

圖15 網(wǎng)端仿真波形

將本文所提切換控制與傳統(tǒng)PID控制相比較。傳統(tǒng)控制切換仿真結(jié)果如圖16所示，PID控制下在切換后0.005 s仍未恢復(fù)穩(wěn)定，且存在超調(diào)現(xiàn)象。對比可得，本文所提切換控制系統(tǒng)的切換反應(yīng)迅速且較快達(dá)到穩(wěn)定。

圖16 傳統(tǒng)控制功率仿真波形

圖17為傳統(tǒng)PID控制下的電流切換仿真圖，在0.4 s與0.7 s切換時刻電流突變至40 A以上。這種電流的突變會影響電網(wǎng)的安全運行。

4.3 用戶端仿真分析

用戶端仿真波形如圖18所示。圖18(a)為切換控制下用戶端功率，用戶端輸入總功率較穩(wěn)定地維持在10 kW左右。用戶端電壓、電流如圖18(b)和圖18(c)所示，用戶端電壓很好地維持在311 V左右，用戶端電流很好地維持在20 A左右。且切換過程中電壓電流波形良好，電流幾乎沒有發(fā)生超調(diào)。可以看出采用本文所提切換控制來對能量路由器進(jìn)行控制的動靜態(tài)性能較好。

圖 17 傳統(tǒng)控制網(wǎng)側(cè)電流仿真波形

圖18 用戶端仿真波形

圖19為Simulink/powergui/FFT得出的頻譜分析，諧波畸變率為4.58%＜5%?？梢缘贸觯翰捎们袚Q控制，輸入電網(wǎng)波形良好，輸出電壓波形畸變較小，且諧波含量較小。

仿真結(jié)果表明，切換控制策略應(yīng)用于終端能量路由器可以實現(xiàn)迅速切換、平穩(wěn)切換且能保持功率的平衡及電壓電流的波形良好與穩(wěn)定。

圖19 頻譜分析

5 結(jié)論

為了優(yōu)化雙向電網(wǎng)趨勢下終端能量路由器雙向傳輸功能與切換控制性能，本文搭建了與配電網(wǎng)相連接的終端能量路由器運行模型，并基于混成切換系統(tǒng)提出了切換控制策略?；斐汕袚Q系統(tǒng)將復(fù)雜的大系統(tǒng)分解為線性小系統(tǒng)，能更加精確地對系統(tǒng)進(jìn)行描述。仿真結(jié)果表明混成切換系統(tǒng)控制下的路由器進(jìn)行切換時有較好的動態(tài)與靜態(tài)性能。網(wǎng)端電能經(jīng)文中所述終端能量路由器輸送到用戶端，可以滿足用戶端負(fù)荷需求且電壓電流波形穩(wěn)定良好。處于反饋模式時，用戶端反向輸入電網(wǎng)的電壓諧波含量小于5%，符合國家公共電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，能很好地滿足終端用戶向電網(wǎng)反向輸電的功能。在不同的模式切換過程中，有效地實現(xiàn)了快速切換與平穩(wěn)切換。

通過對不同控制策略下的仿真實驗，驗證了本文所提控制的可行性與有效性。基于文中所述終端能量路由器，終端用戶可獲得穩(wěn)定良好的電能，且用戶反饋至網(wǎng)端電能諧波含量較低?；谠摽刂撇呗?，終端能量路由器在切換時具備較好的動靜態(tài)反應(yīng)性能。采用本文所提切換控制方法有利于電能質(zhì)量的優(yōu)化。用戶在滿足自身用電需求的情況下，將滿足并網(wǎng)要求的多余電能反向供給電網(wǎng)，可以減少電費開支。電網(wǎng)端可以減輕負(fù)荷壓力。有利于能源的優(yōu)化配置。同時文中所述切換控制方法也可應(yīng)用于其他電力電子電路。未來需要進(jìn)行的工作是將本文所提控制方法結(jié)合不同的切換律針對各類電力電子電路進(jìn)行深入研究與融合。

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An energy routing control method for a terminal energy router based on switching system theory

WANG Siyin, SU Shiping, WANG Haiming, OUYANG Zhenyu, WANG Hao, ZHOU Wei

(Changsha University of Science and Technology, Changsha410000, China)

The terminal energy router is an important piece of energy routing equipment in the energy internet. The most effective way to construct its topology is to use a solid-state transformer based on power electronic converter technology. After the energy routing topology is determined, the control technology directly determines its operational characteristics. This paper uses switching system theory based on hybrid system theory to control the energy routing of the terminal energy router. First, the topology and working principle of the router are analyzed in detail. Then, the switching system behavior characteristics of are analyzed, and a switching system model is established. Secondly, combined with space vector pulse width modulation technology, a multi-mode switching control method is proposed. Finally, a model is built through Matlab/Simulink simulation platform to verify the effectiveness of the proposed method. Theoretical analysis and simulation show that this method fully considers the interaction between discrete and continuous variables in the operation of the router, and has the characteristics of short switching time and stable switching process. This optimizes the dynamic regulation characteristics and improves control tracking speed and accuracy.

energy internet; terminal power router; SVPWM; hybrid system; switching control

10.19783/j.cnki.pspc.211145

2021-08-22；

2022-02-09

王思尹(1998—)，女，碩士研究生，主要研究方向為能源并網(wǎng)與電力電子設(shè)備等；E-mail: 815218071@qq.com

粟時平(1963—)，男，博士，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)監(jiān)控、高電壓防護(hù)與接地、電力電子儀器儀表、精密加工技術(shù)等。E-mail: sushiping@126.com

國家自然科學(xué)基金項目資助(51708194, 51507014)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51708194 and No. 51507014).

(編輯 周金梅)