打开文本图片集

摘要：能量路由器是一种能够适应日益复杂化和多元化需求的新型电力电子集成一体化装置。近些年我国针对航空太阳能发电对能源利用的要求，提出多种新型的能源设备结构，并将其用于能源的实际发展当中。本文针对能量路由器的光伏储能系统和实际运行状态进行分析，也针对能量路由器的小型微网系统进行探讨，提出了能量路由器的光伏储能系统控制措施，并通过实验进行验证。

关键词：能量路由器；光伏储能系统；控制措施

引言

能量路由器当中主要包含控制装置和电能变换装置，能量路由器的应用可以对各个端口之间的能量进行有效调度和流通，电能在实际流通过程中与网络路由器相似，主要对新能源发电装置、储能装置和交直流负载能量流动进行主要管理。国内外对于能量路由器的研究逐渐深入，但是目前主要应用的领域包含多端直流供电系统、高压直流输电系统以及低压系统补偿设备当中，较少应用于中压等级的配电网络当中。因此本文提出了底层控制策略的设计、直流母线电压分区控制算法设计，并通过实验验证类似对系统的稳定性和平衡性进行有效保障。

1.系统架构

本文光电储能系统架构以分布式电源为主体，以储能设备、能量路由器为基础，另外，在这一系统中还包括机载负荷和功率电子变换器等部件。能量路由器有两种工作模式，第一种是将光伏电池和锂电池连接在一起，可以称之为并网模式[1]。另一种是如果只有一个光伏电池和锂电池连接，则称为孤岛模式。

2. 工作状态

当能量路由器系统处于并网状态时，系统的直流模块和交流模块之间存在着能量的双向流动，通过光伏电池、蓄电池及电网的协调运行来实现系统内部功率平衡，如果系统的能量过剩，也就是太阳能和蓄电池提供的能源远远超过了系统的需求，同时有多余的能量，则可能出现逆向运行，由电力网络来接收多余的能量，从而确保直流母线的电压不会上升。在系统能量短缺的情况下，由光伏电池和蓄电池来供给能量，以确保直流母线电压不会下降。当该能量路由器处于孤岛状态时，其直流模块和交流模块两个单元之间没有双向的能量流动，其内部的电力通过光伏电池与蓄电池的协同工作来实现。该系统没有接入到电力网络中，通过对光伏电池的调节，使得光伏电池能够按照所需的运行方式进行工作，使得整个系统的运行更为平稳。

3. 能量路由器的小型微网系统

3.1 微网拓扑结构

工程采用五端口双向能量路由器作为主要装备，在七楼建设了一套包含晶硅光伏、光储一体机、储能装置和智能房屋等在内的微型微电网。在这些建筑当中，智慧小屋利用光伏瓦、光伏道路与光伏幕墙来代替传统建筑的屋顶、墙面与屋外人行道，从而降低光伏板的占用面积，提升太阳能的利用率。小屋里除了传统负荷，还有一个375V直流和48V直流供电接口。智慧小屋系统利用2#端口的电能，以2#端口为核心，完成电能的自给和剩余电能的接入，其低碳、绿色的特征与能源互联网的需求相吻合[2]。

3.2 微网控制策略

工程通常应用多端口能量路由器，并配置了一套用于对五个接口的工作方式和电能传递的协同控制系统。利用该能量路由器，不仅可以监测微网的供电状况，保障智慧小屋的可靠运转，还可以设定“五个端口的总电能期望”，来调节主网-微网之间的电能流量，从而达到提高主网-微网之间电能流量和改变负载特性的目的。

4. 能量路由器的光伏储能系统控制措施

4.1 底层控制策略的设计

提升光伏电池的轴向输出功率是优化控制的一个重要目的。本文光伏电池可以在三种模式下工作：最大功率点追踪也就是MPPT模式，直流母线恒压控制也就是 CVC模式，以及最基本的停机状态。在此基础上，本文提出了一种光电转换器接口的控制方法。同时给出了该装置的充电方式的选择，并给出了相应的控制策略，如图1。重点分析了在单机运行中，在光伏电池发电功率超过负荷要求的情况下，蓄电池将会在单机运行中进行充电，从而对系统中的剩余能源进行消费，在SOC值为90%的情况下，断开电池。在光伏电池容量低于负荷要求的情况下，该电池将处于一种放电状态，并在其SOC值低于40%的情况下关闭电池[3]。

4.2 直流母线电压分区控制算法设计

本文以直流母线参数为基础，提出了一种分区控制算法，以确保电网的经济性、可靠性和稳定性。通过对节点电压进行分区，从而将节点的工作模式进行分区，在节点电压出现变化时，节点切换到对应的工作模式，从而保证节点的连续稳定工作。电网的分区是以电网的直流母线节点电压为基础进行的，结果将直接影响到电网的整体运行状况。随着节点电压的变化，其工作模式也发生变化[4]。

5. 实验验证

本文对几种典型的孤岛模式模态转换展开了实验证实：首先，能量路由器系统首先在工作模式二中，光伏电池工作在MPPT模式下，为负载提供所需的能量，而由负载消费所剩余的能量供蓄电池充电，在某一时刻蓄电池达到过充电压，当SOC达到最高值时，将系统从运行状态中抽离出来，并使母线电压下降，使系统进入工作模式一，光伏电池以最大功率点（MPPT）方式运行，为负荷独立供电。在试验过程中，将带电的方向设定为负值。第二种情形是，能源路由器系统首先在工作模式二中，在MPPT方式下，光伏电池工作于MPPT方式，为负荷供应所需要的能源，而负荷将所剩下的能源用来为蓄电池充电，从而在某个时间点上，将会受到外部环境的影响。如果遇到多云下雨的天气，光伏电池根本无法提供电能，而直流母线的电压又会降低，因此，蓄电池会从充电状态转换到放电状态，储能器为负荷独立供给所需的电力。

结束语

总体而言，本项目以航空航天领域中的光伏发电系统为背景，以能量路由器为核心，以多种形式的能量并网和电力均衡为目标，采用主从式和分级式协同的方式，进行协同控制。基于母线电压分级调控的思路，提出基于分级调控的母线电压分级调控的新思路，实现母线电压分级调控。制定出了一套完整的控制策略，从而达到了最优的能源流路线，可以满足机载操作的需要。

参考文献：

[1]刘瑞，王鹤，艾凤明. 基于能量路由器的光伏储能系统控制策略研究[J]. 节能技术，2022，40（2）：169-174.

[2]徐立波，朱清清，薛开阳，等. 基于能量路由器的多站融合工程交直流配电系统[J]. 电力与能源，2022，43（4）：287-293，314.

[3]孙利，陈武，蒋晓剑，等. 能源互联网框架下多端口能量路由器的多工况协调控制[J]. 电力系统自动化，2020，44（3）：32-39.

[4]张程翔，陆莹，贺军，等. 基于多端口能量路由器的微网系统及其调试[J]. 科学技术与工程，2020，20（13）：5149-5155.