近年來，日益枯竭的化石能源無法滿足人民對電力的需求及對高電能質(zhì)量的要求，以光伏、風電等清潔能源為主的分布式發(fā)電方式受到廣泛關注，將分布式電源、儲能裝置、負荷進行結(jié)合并通過可控接口與電網(wǎng)進行連接的微電網(wǎng)系統(tǒng)應運而生。同時，電力電子技術的日益成熟及變頻設備、電動汽車、信息通信設備、LED照明設備等直流負荷的廣泛應用，推動了直流微電網(wǎng)的快速發(fā)展。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)具有線路損耗小、電能質(zhì)量高、供電可靠性高、便于各類電源和負載接入等優(yōu)點。

作為直流微電網(wǎng)的核心設備，電能路由器通過DC-DC變換器對分布式電源、儲能單元、交直流負荷與直流母線進行連接，實現(xiàn)能量流的接入、轉(zhuǎn)化、變換、傳遞和路由處理及信息流和控制流的接入、轉(zhuǎn)化、傳輸和運算處理。

國內(nèi)外相關科研機構(gòu)相繼開展樓宇直流微電網(wǎng)的研究，主要集中于系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、電壓等級的確定、經(jīng)濟性分析、供電能力、配電系統(tǒng)保護技術等方面，在工程實踐應用方面較少。本文基于多端口電能路由器的直流微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)、保護策略、電能路由器的功能及控制策略，探討樓宇直流微電網(wǎng)的工程應用。

1 基于多端口電能路由器的直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

電能路由器由交流端口、分布式電源及儲能裝置端口、交直流負荷端口和能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）控制單元組成，各分布式電源、儲能單元及公共電網(wǎng)通過電力電子變換器連接到直流母線，經(jīng)過電能路由器進行能量轉(zhuǎn)換與分配，EMS控制單元協(xié)調(diào)能量和信息的流動，給交直流負載供電，有效整合分布式可再生能源，使分布式可再生能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的能源得到高效利用。電能路由器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能路由器拓撲結(jié)構(gòu)

1）交流接入端口

分布式可再生能源由于存在間歇性和隨機性，且難以實現(xiàn)高比例接入，為維持重要負荷端口的正常供電，電能路由器應與交流大電網(wǎng)連接，380V交流電接入本文電能路由器經(jīng)AC-DC整流模塊變?yōu)榉€(wěn)定的直流電。

2）風力發(fā)電端口

相較于雙饋風力發(fā)電機和異步風力發(fā)電機，永磁直驅(qū)式風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)電效率高，應用廣泛，由于風力發(fā)電機的輸出功率受風速大小及風向的影響，接入電能路由器時需先穩(wěn)定其輸出，再通過AC-DC變換器將低壓交流電變換為電能路由器所需直流電壓。

3）光伏發(fā)電端口

光伏發(fā)電具有無枯竭危險、安全可靠、無污染等優(yōu)點，利用光伏發(fā)電作為系統(tǒng)能源之一可以有效提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，光伏由輸入端口接入電能路由器，通過控制DC-DC變換器中的功率開關管的通斷來調(diào)節(jié)DC-DC變換器的輸入電壓，即光伏的工作電壓，使光伏按照最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）理論工作在最大功率點或在極端情況下工作在恒壓狀態(tài)。

4）儲能電池端口

在電能路由器的直流微電網(wǎng)中，接入的分布式電源的輸出功率具有不穩(wěn)定性，當分布式電源周圍環(huán)境發(fā)生變化時，其輸出功率也具有較大的波動性。電能路由器的直流微電網(wǎng)電壓會隨著功率的波動而波動，影響內(nèi)部負荷的正常工作。儲能電池可在光伏能量充裕時消納多余能量、光伏能量不充裕時補充不足能量，從而平衡系統(tǒng)能量，穩(wěn)定母線電壓。

5）交直流負載端口

交流負載端口通過DC-AC變換器將來自直流母線的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，為后級負載提供一個標準化的交流接口，為端口內(nèi)的交流負載供電。直流負載端口與直流母線直接相連，為端口內(nèi)的電動汽車充電樁、空調(diào)、照明、數(shù)據(jù)中心、路燈等直流負載供電。

6）EMS控制單元

EMS控制單元作為直流微電網(wǎng)的核心設備，通過模擬量采集、數(shù)據(jù)通信等方式集中監(jiān)測系統(tǒng)中各設備的運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中交流電網(wǎng)、分布式電源、儲能電池及交直流負載的能量分配，保障直流微電網(wǎng)經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

2 直流微電網(wǎng)保護策略

直流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)一樣，其保護系統(tǒng)的設計應滿足可靠性、速動性、選擇性、經(jīng)濟性等要求，本文將保護分為交流側(cè)保護、直流側(cè)保護、換流器保護三部分。

1）交流側(cè)保護

交流側(cè)保護主要有變壓器保護、母線保護、線路保護。交流側(cè)故障以線路故障為主，包括單相接地短路、相間短路、兩相接地短路等故障，此外，還有雷擊、雨雪天氣等自然災害引起的故障，交流側(cè)保護可以借鑒交流電網(wǎng)的保護方案。

2）直流側(cè)保護

直流側(cè)保護主要有直流母線保護、直流饋線保護和負載保護。直流母線故障主要有直流母線接地、絕緣下降、交流竄入直流、短路和環(huán)網(wǎng)等故障，針對上述故障，可在母線側(cè)布置母線保護裝置及絕緣監(jiān)測裝置；直流饋線故障主要有接地故障、極間故障及過電壓、過電流故障，應對措施是裝設饋線保護裝置；負載側(cè)故障主要是接入交直流負載引起的短路、過載等故障，可以通過自身的保護裝置將故障切除。

3）換流器保護

換流器是直流微電網(wǎng)的核心設備，主要包括AC-DC換流器、DC-DC換流器及DC-AC換流器，其故障主要為元器件故障及出口處短路故障，主要保護功能通過換流器自身來實現(xiàn)，如孤島、低電壓穿越、過電壓、過電流、過熱、短路等保護功能。

此外，國內(nèi)外學者對柔性直流輸電系統(tǒng)接地方式的研究較為充分，而對于民用建筑低壓直流用電系統(tǒng)的接地方式鮮有深入研究，缺乏相應的規(guī)程規(guī)范和標準。類似于交流系統(tǒng)，為保護人身和設備安全，直流系統(tǒng)也分為TT、IT、TN三種接地方式，對于低壓真雙極運行的3種接地方式，優(yōu)選中性點不接地，其次為中性點經(jīng)高阻接地，最后為中性點直接接地。

3 基于多端口電能路由器的直流協(xié)調(diào)控制策略

3.1 下垂控制原理

基于多端口電能路由器的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個多源、多負荷系統(tǒng)，而每個單元都通過相應的電力電子變換器與直流母線相連，母線電壓是反映系統(tǒng)穩(wěn)定運行和功率平衡的關鍵指標，直流電壓的控制策略主要有主從控制、電壓裕度控制、下垂控制等。下垂控制易于實現(xiàn)分布式電源的即插即用，且在進行運行模式切換時不影響微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，因而在直流微電網(wǎng)中廣泛應用。

本文采用下垂控制，根據(jù)直流母線電壓的變化，協(xié)調(diào)電能路由器工作在不同的狀態(tài)，保障直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，典型下垂曲線表達式如式（1）所示。

式（1）

式（1）中：Udcref為單元變換器的給定輸出電壓；U0為直流母線電壓設定的期望值；k為下垂曲線系數(shù)；I為單元變換器輸出電流。下垂控制就是控制變換器的電壓和電流或者電壓和功率等運行在一條下垂曲線上的控制方式，協(xié)調(diào)各換流器功率輸出。

3.2 電能路由器控制策略

本文直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示，根據(jù)直流母線電壓大小，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個區(qū)，U0、UL、UM、UH分別為每種工作模態(tài)對應的母線電壓值。

圖2 協(xié)調(diào)控制策略

Ⅰ區(qū)：直流母線電壓偏高，儲能電池達到上限而不能繼續(xù)進行充電，可再生能源光伏系統(tǒng)需棄能運行，為維持電壓穩(wěn)定，光伏發(fā)電工作在恒壓模式。

Ⅱ區(qū)：可再生能源光伏發(fā)出的功率Ppv大于交直流負載消耗的功率Pl且有盈余，儲能電池工作在恒流充電模式，光伏發(fā)電端口處于下垂控制，維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

Ⅲ區(qū)：可再生能源光伏發(fā)出的功率Ppv不足以提供交直流負載消耗的功率Pl，為最大限度利用可再生能源，光伏發(fā)電系統(tǒng)始終工作在最大功率跟蹤模式，此時為了維持母線電壓的穩(wěn)定，儲能電池進行放電，工作在下垂控制狀態(tài)。

Ⅳ區(qū)：可再生能源光伏發(fā)出功率Ppv和儲能電池提供的功率Pb之和小于交直流負載消耗的功率Pl，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在MPPT模式，儲能電池進行放電，交流接入端口工作在下垂控制狀態(tài)，維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

4 工程案例

某園區(qū)單棟三層建筑小樓采用直流供電，源端由市電、光伏及儲能電池組成，±375V直流母線雙極運行，其中電能路由器容量200kW，光伏總功率71.5kW分兩組配置，功率平均分配，分別連接到正負母線，儲能分三組配置，一路148A·h接到正極，兩路148A·h接到負極，出口電壓等級分別為直流375V、750V兩個直流電壓等級，核心供電網(wǎng)絡采用375V作為傳輸通道。直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

4.1 直流負載

1）室內(nèi)負載

本工程遠期規(guī)劃滿足三層獨棟建筑樓宇日常工作、生活及娛樂的電力供應，目前已完成一層樓宇直流負載的改造，包括空調(diào)內(nèi)機、風扇、空氣凈化器、室內(nèi)照明，二期增加電磁爐、洗衣機、冰箱、電飯煲、凈水機等直流負載。

2）室外負載

本工程園區(qū)室外負載為空調(diào)外機、籃球場照明及直流充電樁，二期計劃新增直流供電的集智慧照明、視頻監(jiān)控、信息發(fā)布、5G微基站、環(huán)境監(jiān)測、公共廣播、USB手機充電、應急求助于一體的智慧路燈，直流負載拓撲如圖4所示。

圖4 直流負載拓撲

3）數(shù)據(jù)中心負載

本工程園區(qū)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)原方案為市電進線柜采用兩進線一母聯(lián)，分段運行方案，兩路市電分別取自兩臺0.4kV變壓器出線，通過雙電源裝置切換后用于數(shù)據(jù)機房空調(diào)、照明、消防等供電，兩套不間斷電源（UPS）系統(tǒng)市電輸入、旁路輸入分別取自兩段0.4kV配電母線，雙套不間斷電源互為備用，通過UPS配電柜（列頭柜）為數(shù)據(jù)機房內(nèi)所有服務器設備、服務器設備電源等所有電子信息設備提供電源。

為最大程度地利用清潔能源，減少用電量，節(jié)約經(jīng)濟成本，現(xiàn)將數(shù)據(jù)中心負荷經(jīng)Ⅰ段母線通過逆變器接入直流系統(tǒng)◆375V母線上，系統(tǒng)運行優(yōu)先使用Ⅰ段母線，當Ⅰ段斷電即直流配電設備故障時，控制器直接切換到Ⅱ段母線，保障數(shù)據(jù)中心交流設備正常運行。數(shù)據(jù)中心改造后主接線如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心改造后主接線

本工程按電壓等級分層分區(qū)供電，高電壓等級的直流負載布置在室外，低電壓等級直流負載布置在室內(nèi)，375V出線電壓經(jīng)戶用直流配電箱進行電能轉(zhuǎn)換變?yōu)?8V供電。直流負載清單見表1。

表1 直流負載清單

4.2 保護配置

在保護配置方面，針對375V及750V直流饋線上發(fā)生的過電壓、過電流、低電壓、過載等故障，系統(tǒng)采用基于間隔層、協(xié)調(diào)控制層和站控層的三層架構(gòu)直流配電網(wǎng)保護配置技術方案，每路饋出配置一套饋線保護裝置，并且±375V直流母線單獨配置絕緣監(jiān)測保護單元，檢測母線對地電壓、母線對地電阻、支路對地電阻，同時，對于電氣設備采用中性點直接接地方式接地。

5 試驗驗證及分析

投運后對系統(tǒng)進行性能測試，其中，交流接入端口AC-DC單模塊功率為25kW，光伏接入端口DC-DC單模塊功率為15kW，儲能接入端口DC-DC單模塊功率為15kW。

5.1 電能路由器端口性能測試

1）交流接入端口性能試驗

交流接入端口采用兩個AC-DC模塊串聯(lián)工作，輸入三相AC 380V，雙極性輸出DC ±375V，施加負載在750V母線，負載類型為可調(diào)式電子負載，光伏換流器模塊及儲能換流器模塊退出運行，分別測試重載（90%）、半載（56%）、輕載（28%）三種情況，如圖6所示。經(jīng)測試顯示，穩(wěn)壓精度、效率及功率因數(shù)、輸入電流諧波系數(shù)均滿足相關標準要求。

圖6 交流接入端口測試

2）光伏接入端口性能試驗

光伏接入端口采用單臺光伏換流器模塊工作，單極性輸出DC 375V，施加負載在375V母線，負載為可調(diào)式電子負載，交流接入端口AC-DC模塊及儲能換流器模塊退出運行，分別測試滿載（100%）、半載（50%）、輕載（25%）三種情況，如圖7所示。經(jīng)測試顯示，穩(wěn)壓精度、效率滿足相關標準要求。

圖7 光伏接入端口測試

3）儲能接入端口性能試驗

儲能接入端口充電性能測試采用單臺儲能換流器模塊工作模式，不施加負載，交流接入端口AC-DC模塊工作，光伏換流器模塊退出運行，如圖8所示。儲能接入端口放電性能測試采用兩臺儲能變流器（power conversion system, PCS）模塊并聯(lián)工作模式，施加負載在375V母線，單極方式運行，交流接入端口AC-DC模塊及光伏換流器模塊退出運行，如圖9所示。經(jīng)測試顯示，經(jīng)過一段時間后，電流緩慢上升至平穩(wěn)，儲能接入端口可以實現(xiàn)充放電功能。

圖8 儲能電池充電試驗

圖9 儲能電池放電試驗

5.2 電能路由器協(xié)調(diào)控制性能測試

直流微電網(wǎng)中光伏、儲能和市電可設定不同的供電優(yōu)先級，實現(xiàn)不同的潮流控制策略，本工程設定系統(tǒng)工作模式見表2，最大程度地優(yōu)先利用光伏和儲能供電。

表2 系統(tǒng)工作模式

本試驗中負載為可調(diào)式電子負載，電能路由器協(xié)調(diào)控制性能測試如圖10所示，圖10中母線電壓指DC 375V母線電壓，儲能指儲能模塊功率曲線，負載指負載功率曲線，光伏指光伏模塊功率曲線，AC-DC模塊指AC-DC模塊功率曲線。

圖10 電能路由器協(xié)調(diào)控制性能測試

1）加入負載，此時光伏發(fā)電端口模塊輸出功率大于負載消耗功率，儲能電池端口模塊吸收多余功率對電池進行充電，交流接入端口AC-DC模塊待機無輸出，母線電壓由光伏發(fā)電端口模塊維持在381.9V，如圖10（a）所示。

2）負載增加，光伏發(fā)電端口模塊無法提供足夠功率，轉(zhuǎn)由光伏及儲能聯(lián)合向負載供能，交流接入端口AC-DC模塊待機無輸出，如圖10（b）所示。

3）負載持續(xù)加大，儲能及光伏聯(lián)合供能不能滿足需求，交流接入端口AC-DC模塊工作并維持電壓穩(wěn)定至376.3V，如圖10（b）所示。

4）負載減小，儲能及光伏聯(lián)合供能可以滿足需求，交流接入端口AC-DC模塊退出工作，此時母線電壓抬升，維持在378.4V左右，如圖10（c）所示。

5）負載切除，光伏輸出功率充足且有盈余，儲能從光伏吸收能量對電池進行充電，此時光伏工作在恒壓狀態(tài)并維持母線電壓在382.7V且較為穩(wěn)定，如圖10（d）所示。

6）光伏退出運行，增加負載，儲能放電功率大于負載消耗功率，交流接入端口AC-DC模塊處于待機狀態(tài)，儲能電池端口模塊進行放電，母線電壓降低至377.2V，如圖10（e）所示。

7）持續(xù)增加負載，儲能電池端口模塊進行放電，放電功率不能滿足負載需求，交流接入端口AC-DC模塊工作，維持母線電壓至376.2V，如圖10（f）所示。

8）持續(xù)增加負載，儲能電池端口模塊放電功率不變，交流接入端口AC-DC模塊輸出功率增大，維持母線電壓穩(wěn)定至375.9V，如圖10（g）所示。

9）減小負載，儲能電池端口模塊放電功率不變，交流接入端口AC-DC模塊輸出功率減小，維持母線穩(wěn)定至376.2V，如圖10（h）所示。

5.3 效益分析

本工程已穩(wěn)定運行兩年有余，光伏、儲能、負載累計電量見表3。

表3 系統(tǒng)累計電量（單位：kW·h）

本工程優(yōu)先光伏出力，就地消納清潔能源，盈余部分給儲能電池充電，儲能系統(tǒng)平抑光伏發(fā)電輸出能量波動，交流電網(wǎng)支撐直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行，光伏累計發(fā)電量6719.95kW·h，累計CO2減排量2.69t，累計SO2減排量6.71t，累計減排標準煤0.20t，累計獲得經(jīng)濟收益0.59萬元，實現(xiàn)了安全、高效、高可靠、節(jié)能環(huán)保的樓宇直流供電模式。

6 結(jié)論

電能路由器具備各端口模擬量采集、狀態(tài)監(jiān)視及新能源接入功能，本文首先對電能路由器交流接入端口、光伏發(fā)電接入端口進行滿載運行、半載運行及輕載運行功能測試，對儲能電池接入端口分別進行充放電測試，結(jié)果表明穩(wěn)壓精度、效率及功率因數(shù)、輸入電流諧波系數(shù)等均滿足國家相關標準要求。

其次，對電能路由器進行協(xié)調(diào)控制測試，分別進行“光-儲”協(xié)調(diào)運行、“儲-荷”協(xié)調(diào)運行、“源-儲-荷”協(xié)調(diào)運行、“光-儲-荷”協(xié)調(diào)運行、“源-儲”協(xié)調(diào)運行、“源-光-儲”協(xié)調(diào)運行等實際工況模擬測試，電能路由器裝置多端口接入運行時，根據(jù)設定的協(xié)調(diào)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)直流微電網(wǎng)內(nèi)光伏、儲能及負荷的主動式功率平衡，可靠、靈活、高效地接入分布式能源，大幅度提高清潔能源的利用率。

最后，實際工程中也存在一些問題，如直流配用電相關標準和規(guī)范尚不完善，用電側(cè)配套設備缺乏，相關技術有待進一步發(fā)展，直流配電的大規(guī)模普及可能需要經(jīng)歷一個長期發(fā)展的過程，本文可為樓宇直流微電網(wǎng)的理論研究與工程實踐提供參考。

本文編自2022年第8期《電氣技術》，論文標題為“基于多端口電能路由器的樓宇直流微電網(wǎng)研究與應用”，作者為趙先浩、謝紅福等。