概览

基于电能路由器的交直流混合微网是当前能源互联网研究的热点之一，本文介绍了如何利用远宽能源（ModelingTech）自主研发的实时仿真产品以及实时仿真软件StarSim HIL和StarSim RCP来实现基于电能路由器的交直流混合微网系统的实时仿真，并通过一个典型的交直流混合微网系统实时仿真实验结果验证了所提控制策略的正确性以及实时仿真产品的精确性，为科研人员和企业的相关工程师提供了参考。 

应用背景

基于电能路由器的交直流混合微网介绍

随着新能源发电（分布式发电）、电气化交通、储能系统等的发展，电力系统正进入“源-网-荷-储” 协调优化运行的新阶段，传统的电力系统设备无法满足供电形式多样性和能量多向流动以及功率流的主动调控等要求，无法适应未来电网能源互联的趋势。而基于电能路由器交直流混合微网，不但能为不同的新能源发电装置和不同类型负载提供灵活多样化的接口电气形式，还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。其中作为核心结点和纽带的电能路由器架起了多电压等级、交直流混合系统的桥梁，能够灵活、精确地控制微网之间功率的双向流动，解决分布式能源接入和利用的一系列问题。

电能路由器（亦称为 能量路由器）是一个整合了通信单元、控制单元和功率单元的装置。从电力电子的角度来看，电能路由器表现为多端口、多级联、多流向的电力电子变换器，由全控型电力电子开关器件和高频变压器构成。目前研究的很多电能路由器都是基于电力电子变压器的拓扑，如H桥级联加DAB(Dual Active Bridge)并联的拓扑是非常典型的一种电能路由器（电力电子变压器）拓扑，具备高度模块化特点，可根据不同应用场合及应用需求对各级模块进行增减，使其应用范围更加广泛。

随着未来区域式和家庭式新能源模式的推广，基于电能路由器的交直流混合微网具有广泛的应用前景。交直流混合微网中通常包括电能路由器、储能、光伏、风电以及各种形式负载，其中交直流混合微网中各个子系统之间协调控制、能量有序流动是当前亟需解决的实际问题，也是当前学术界与工程界研究的重点内容。但基于电能路由器的交直流混合微网系统组成部件多，控制复杂，要搭建出多级的完整物理原型系统较为困难，因此目前许多电能路由器的研究工作是通过离线仿真（Simulink，PSCAD等）来进行[1-2]。实时仿真器是一种通过实时运行数学模型来模拟物理系统的行为的设备。科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证，因此实时仿真得到了越来越广泛的应用。

基于StarSim的解决方案

基于电能路由器的交直流混合微网的任意小步长实时仿真

基于电能路由器的交直流混合微网是一个典型的电力电子系统，电力电子系统中的开关一般都以kHz的频率开合，为了准确仿真这样的系统，仿真步长一般要在1微秒的量级。远宽能源(ModelingTech)推出了基于FPGA的实时仿真方案来实现这样的小步长实时仿真，可以精准和高效地完成对交直流混合微网系统的实时仿真测试。

ModelingTech的交直流混合微网实时仿真与控制系统由三个实时硬件系统组成：
· MT6020实时仿真器
交直流混合微网模型按1us实时运行在FPGA上；
· MT1050 RCP控制器
电能路由器中PET（电力电子变压器）控制算法实时运行在CPU上， 移相PWM脉冲在FPGA上实现；
· MT1050微网主控
模拟的交直流网主控算法实时运行在CPU上。

基于电能路由器的交直流混合微网实时仿真系统将系统的状态（功率，开关状态）和PET控制器的电气量通过Modbus通信传送到能量管理系统的主控MT1050-CPU上，主控MT1050-CPU将各种控制指令（并网脱网，充电桩充电，电池充电放电等）通过通讯接口发送给实时仿真器和PET控制器，系统中的实时仿真器和PET控制器通过真实的物理IO构成闭环，整体架构如图1所示：

图1 基于电能路由器的交直流混合微网实时仿真系统整体架构

应用实例

基于电能路由器的交直流混合微网实时仿真

本文以经典的交直流混合微网为例，利用远宽能源提供的StarSim实时仿真软件和自主研发的MT6020和MT1050来进行实时仿真测试。系统的具体拓扑如下，其中电能路由器采用H桥级联加DAB并联的拓扑。

图2 基于电能路由器的交直流混合微网系统

注：①实时仿真系统对交直流混合微网的拓扑没有任何限制或预先假设，即用户也可以在此平台上搭建和仿真其它新型拓扑。

②图1中基于电能路由器的交直流混合微网系统一共含有103个关键元件（其中61个开关、其它为L、C、电源等），对于这样一个系统StarSim实时仿真软件目前最小可以以0.915微秒的步长实时仿真运行。

基于电能路由器的交直流混合微网系统有并网和孤岛两种运行模式，两种模式下有不同的控制目标和策略。其中孤岛模式下微网能量管理系统控制策略如图3所示。

图3 孤岛模式下微网能量管理系统控制策略

实时仿真测试

实时仿真系统的照片如下图所示，下图左边的白色机箱是实时仿真器，它的FPGA上按1微秒的仿真步长实时运行着基于电能路由器的交直流混合微网拓扑（拓扑与本文图1一致），它的CPU上运行着光伏、风机、储能系统、充电桩等控制算法；右边最下面的MT1050是电能路由器的原型控制器，它运行着电能路由器网侧逆变器控制，电容均压，DAB（dual active bridge）的移相PWM脉冲发生等控制算法，右边最上面MT1050是能量管理系统的原型控制器，通过Modbus通信方式与实时仿真器和PET控制器互联，传递信号，模拟真实系统信号的传输过程，下发控制命令，控制整个系统的能量管理、各个子单元投切命令等操作，并实时监控整个系统的能量信号。实时仿真器和PET控制器通过真实的物理IO互联，利用示波器可以对仿真测试系统的信号输入输出进行观测，并验证控制算法的运行效果。

图4 测试现场图

基于电能路由器的交直流混合微网实时仿真结果

如下是利用主控的原型控制器的上位机软件截取的基于电能路由器的交直流混合微网控制界面，通过图5可以清晰的看到整个交直流混合微网中各个系统的电气量，并能实时监控整个系统的能量信号。

图5 能量管理系统主控界面

由图5可以看到此时直流母线电压控制在700V; 光伏系统向系统发送大概50 kW的功率，图6是实时仿真器上看到的光伏系统的具体工况，可以看到此时光伏系统工作在最大功率点附近。

图6 光伏发电系统波形

如下是利用实时仿真器的上位机软件截取的直流母线电压和交流母线电压波形，由图7可以看到，直流母线电压稳定在700V，交流母线三相电压稳定为380V，控制算法可实现直流母线电压和交流母线电压稳定。

图7 直流母线和交流母线电压

如下示波器波形图是网侧电压和电流的示波器波形图，可以看到此时电网通过电能路由器向负载供电，且PET原型控制器可实现PET的单位功率因数控制：

如下示波器波形展示的是DAB的移相PWM脉冲，由此可知，PET原型控制器可准确实现DAB的移相PWM脉冲控制算法：

参考文献：

[1]刘海军，李 刚，王志凯等，面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究 [J], 电力系统控制与保护，2017,45(2):85-93

[2] 肖迁，何晋伟，王浩等，电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制策略[J], 电力系统自动化，2018, 42(2):20-25