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电力电子技术的日益成熟及分布式电源、储能和用户侧5G基站、电动汽车充电桩、数据中心、直流家用电器等直流负荷的广泛应用，推动了低压直流微电网的快速发展。安徽南瑞继远电网技术有限公司、国网电力科学研究院实验验证中心的研究人员赵先浩、谢红福、刘飞、顾栋杰、任帅，在2022年第8期《电气技术》上撰文，提出基于多端口电能路由器的直流微电网典型拓扑结构，分析其光伏、风电、储能、交流电网及交直流负荷等多端口接入的功能，介绍直流配电系统保护策略及接地方式，并采用下垂控制方法，根据直流母线电压的变化，协调控制光伏、储能、交流电网、负荷之间实现主动式功率平衡。

他们最后搭建楼宇低压直流微电网系统，为楼宇内LED照明、风扇、空调、空气净化器及工业照明、充电桩、数据中心等直流负荷供电。运行及测试结果表明，该系统可实现源荷储即插即用的接入，提高清洁能源的利用率，并保持安全、高效、可靠的运行，具有实际推广应用价值。

近年来，日益枯竭的化石能源无法满足人民对电力的需求及对高电能质量的要求，以光伏、风电等清洁能源为主的分布式发电方式受到广泛关注，将分布式电源、储能装置、负荷进行结合并通过可控接口与电网进行连接的微电网系统应运而生。同时，电力电子技术的日益成熟及变频设备、电动汽车、信息通信设备、LED照明设备等直流负荷的广泛应用，推动了直流微电网的快速发展。相比于交流微电网，直流微电网具有线路损耗小、电能质量高、供电可靠性高、便于各类电源和负载接入等优点。

作为直流微电网的核心设备，电能路由器通过DC-DC变换器对分布式电源、储能单元、交直流负荷与直流母线进行连接，实现能量流的接入、转化、变换、传递和路由处理及信息流和控制流的接入、转化、传输和运算处理。

国内外相关科研机构相继开展楼宇直流微电网的研究，主要集中于系统的拓扑结构、电压等级的确定、经济性分析、供电能力、配电系统保护技术等方面，在工程实践应用方面较少。本文基于多端口电能路由器的直流微电网的典型结构、保护策略、电能路由器的功能及控制策略，探讨楼宇直流微电网的工程应用。

1 基于多端口电能路由器的直流微电网拓扑结构

电能路由器由交流端口、分布式电源及储能装置端口、交直流负荷端口和能量管理系统（energy management system, EMS）控制单元组成，各分布式电源、储能单元及公共电网通过电力电子变换器连接到直流母线，经过电能路由器进行能量转换与分配，EMS控制单元协调能量和信息的流动，给交直流负载供电，有效整合分布式可再生能源，使分布式可再生能源系统与传统发电系统的能源得到高效利用。电能路由器拓扑结构如图1所示。

图1 电能路由器拓扑结构

1）交流接入端口

分布式可再生能源由于存在间歇性和随机性，且难以实现高比例接入，为维持重要负荷端口的正常供电，电能路由器应与交流大电网连接，380V交流电接入本文电能路由器经AC-DC整流模块变为稳定的直流电。

2）风力发电端口

相较于双馈风力发电机和异步风力发电机，永磁直驱式风力发电机系统结构相对简单，发电效率高，应用广泛，由于风力发电机的输出功率受风速大小及风向的影响，接入电能路由器时需先稳定其输出，再通过AC-DC变换器将低压交流电变换为电能路由器所需直流电压。

3）光伏发电端口

光伏发电具有无枯竭危险、安全可靠、无污染等优点，利用光伏发电作为系统能源之一可以有效提高系统运行的经济性，光伏由输入端口接入电能路由器，通过控制DC-DC变换器中的功率开关管的通断来调节DC-DC变换器的输入电压，即光伏的工作电压，使光伏按照最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）理论工作在最大功率点或在极端情况下工作在恒压状态。

4）储能电池端口

在电能路由器的直流微电网中，接入的分布式电源的输出功率具有不稳定性，当分布式电源周围环境发生变化时，其输出功率也具有较大的波动性。电能路由器的直流微电网电压会随着功率的波动而波动，影响内部负荷的正常工作。储能电池可在光伏能量充裕时消纳多余能量、光伏能量不充裕时补充不足能量，从而平衡系统能量，稳定母线电压。

5）交直流负载端口

交流负载端口通过DC-AC变换器将来自直流母线的直流电逆变为交流电，为后级负载提供一个标准化的交流接口，为端口内的交流负载供电。直流负载端口与直流母线直接相连，为端口内的电动汽车充电桩、空调、照明、数据中心、路灯等直流负载供电。

6）EMS控制单元

EMS控制单元作为直流微电网的核心设备，通过模拟量采集、数据通信等方式集中监测系统中各设备的运行状态，协调控制系统中交流电网、分布式电源、储能电池及交直流负载的能量分配，保障直流微电网经济、稳定运行。

2 直流微电网保护策略

直流微电网与交流电网一样，其保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求，本文将保护分为交流侧保护、直流侧保护、换流器保护三部分。

1）交流侧保护

交流侧保护主要有变压器保护、母线保护、线路保护。交流侧故障以线路故障为主，包括单相接地短路、相间短路、两相接地短路等故障，此外，还有雷击、雨雪天气等自然灾害引起的故障，交流侧保护可以借鉴交流电网的保护方案。

2）直流侧保护

直流侧保护主要有直流母线保护、直流馈线保护和负载保护。直流母线故障主要有直流母线接地、绝缘下降、交流窜入直流、短路和环网等故障，针对上述故障，可在母线侧布置母线保护装置及绝缘监测装置；直流馈线故障主要有接地故障、极间故障及过电压、过电流故障，应对措施是装设馈线保护装置；负载侧故障主要是接入交直流负载引起的短路、过载等故障，可以通过自身的保护装置将故障切除。

3）换流器保护

换流器是直流微电网的核心设备，主要包括AC-DC换流器、DC-DC换流器及DC-AC换流器，其故障主要为元器件故障及出口处短路故障，主要保护功能通过换流器自身来实现，如孤岛、低电压穿越、过电压、过电流、过热、短路等保护功能。

此外，国内外学者对柔性直流输电系统接地方式的研究较为充分，而对于民用建筑低压直流用电系统的接地方式鲜有深入研究，缺乏相应的规程规范和标准。类似于交流系统，为保护人身和设备安全，直流系统也分为TT、IT、TN三种接地方式，对于低压真双极运行的3种接地方式，优选中性点不接地，其次为中性点经高阻接地，最后为中性点直接接地。

3 基于多端口电能路由器的直流协调控制策略

3.1 下垂控制原理

基于多端口电能路由器的直流微电网系统是一个多源、多负荷系统，而每个单元都通过相应的电力电子变换器与直流母线相连，母线电压是反映系统稳定运行和功率平衡的关键指标，直流电压的控制策略主要有主从控制、电压裕度控制、下垂控制等。下垂控制易于实现分布式电源的即插即用，且在进行运行模式切换时不影响微电网的暂态稳定性，因而在直流微电网中广泛应用。

本文采用下垂控制，根据直流母线电压的变化，协调电能路由器工作在不同的状态，保障直流微电网的稳定运行，典型下垂曲线表达式如式（1）所示。

式（1）

式（1）中：Udcref为单元变换器的给定输出电压；U0为直流母线电压设定的期望值；k为下垂曲线系数；I为单元变换器输出电流。下垂控制就是控制变换器的电压和电流或者电压和功率等运行在一条下垂曲线上的控制方式，协调各换流器功率输出。

3.2 电能路由器控制策略

本文直流微电网并网运行，协调控制策略如图2所示，根据直流母线电压大小，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个区，U0、UL、UM、UH分别为每种工作模态对应的母线电压值。

图2 协调控制策略

Ⅰ区：直流母线电压偏高，储能电池达到上限而不能继续进行充电，可再生能源光伏系统需弃能运行，为维持电压稳定，光伏发电工作在恒压模式。

Ⅱ区：可再生能源光伏发出的功率Ppv大于交直流负载消耗的功率Pl且有盈余，储能电池工作在恒流充电模式，光伏发电端口处于下垂控制，维持直流母线电压的稳定。

Ⅲ区：可再生能源光伏发出的功率Ppv不足以提供交直流负载消耗的功率Pl，为最大限度利用可再生能源，光伏发电系统始终工作在最大功率跟踪模式，此时为了维持母线电压的稳定，储能电池进行放电，工作在下垂控制状态。

Ⅳ区：可再生能源光伏发出功率Ppv和储能电池提供的功率Pb之和小于交直流负载消耗的功率Pl，光伏发电系统工作在MPPT模式，储能电池进行放电，交流接入端口工作在下垂控制状态，维持直流母线电压的稳定。

4 工程案例

某园区单栋三层建筑小楼采用直流供电电气运行技术，源端由市电、光伏及储能电池组成，±375V直流母线双极运行，其中电能路由器容量200kW，光伏总功率71.5kW分两组配置，功率平均分配，分别连接到正负母线，储能分三组配置，一路148A·h接到正极，两路148A·h接到负极，出口电压等级分别为直流375V、750V两个直流电压等级，核心供电网络采用375V作为传输通道。直流微电网拓扑结构如图3所示。

图3 直流微电网拓扑结构

4.1 直流负载

1）室内负载

本工程远期规划满足三层独栋建筑楼宇日常工作、生活及娱乐的电力供应，目前已完成一层楼宇直流负载的改造，包括空调内机、风扇、空气净化器、室内照明，二期增加电磁炉、洗衣机、冰箱、电饭煲、净水机等直流负载。

2）室外负载

本工程园区室外负载为空调外机、篮球场照明及直流充电桩，二期计划新增直流供电的集智慧照明、视频监控、信息发布、5G微基站、环境监测、公共广播、USB手机充电、应急求助于一体的智慧路灯，直流负载拓扑如图4所示。

图4 直流负载拓扑

3）数据中心负载

本工程园区数据中心供电系统原方案为市电进线柜采用两进线一母联，分段运行方案，两路市电分别取自两台0.4kV变压器出线，通过双电源装置切换后用于数据机房空调、照明、消防等供电，两套不间断电源（UPS）系统市电输入、旁路输入分别取自两段0.4kV配电母线，双套不间断电源互为备用，通过UPS配电柜（列头柜）为数据机房内所有服务器设备、服务器设备电源等所有电子信息设备提供电源。

为最大程度地利用清洁能源，减少用电量，节约经济成本，现将数据中心负荷经Ⅰ段母线通过逆变器接入直流系统375V母线上，系统运行优先使用Ⅰ段母线，当Ⅰ段断电即直流配电设备故障时，控制器直接切换到Ⅱ段母线，保障数据中心交流设备正常运行。数据中心改造后主接线如图5所示。

图5 数据中心改造后主接线

本工程按电压等级分层分区供电，高电压等级的直流负载布置在室外，低电压等级直流负载布置在室内，375V出线电压经户用直流配电箱进行电能转换变为48V供电。直流负载清单见表1。

表1 直流负载清单

4.2 保护配置

在保护配置方面，针对375V及750V直流馈线上发生的过电压、过电流、低电压、过载等故障，系统采用基于间隔层、协调控制层和站控层的三层架构直流配电网保护配置技术方案，每路馈出配置一套馈线保护装置，并且±375V直流母线单独配置绝缘监测保护单元，检测母线对地电压、母线对地电阻、支路对地电阻，同时，对于电气设备采用中性点直接接地方式接地。

5 试验验证及分析

投运后对系统进行性能测试，其中，交流接入端口AC-DC单模块功率为25kW，光伏接入端口DC-DC单模块功率为15kW，储能接入端口DC-DC单模块功率为15kW。

5.1 电能路由器端口性能测试

1）交流接入端口性能试验

交流接入端口采用两个AC-DC模块串联工作，输入三相AC 380V，双极性输出DC ±375V，施加负载在750V母线，负载类型为可调式电子负载，光伏换流器模块及储能换流器模块退出运行，分别测试重载（90%）、半载（56%）、轻载（28%）三种情况，如图6所示。经测试显示，稳压精度、效率及功率因数、输入电流谐波系数均满足相关标准要求。

图6 交流接入端口测试

2）光伏接入端口性能试验

光伏接入端口采用单台光伏换流器模块工作，单极性输出DC 375V，施加负载在375V母线，负载为可调式电子负载，交流接入端口AC-DC模块及储能换流器模块退出运行，分别测试满载（100%）、半载（50%）、轻载（25%）三种情况，如图7所示。经测试显示，稳压精度、效率满足相关标准要求。

图7 光伏接入端口测试

3）储能接入端口性能试验

储能接入端口充电性能测试采用单台储能换流器模块工作模式，不施加负载，交流接入端口AC-DC模块工作，光伏换流器模块退出运行，如图8所示。储能接入端口放电性能测试采用两台储能变流器（power conversion system, PCS）模块并联工作模式，施加负载在375V母线，单极方式运行，交流接入端口AC-DC模块及光伏换流器模块退出运行，如图9所示。经测试显示，经过一段时间后，电流缓慢上升至平稳，储能接入端口可以实现充放电功能。

图8 储能电池充电试验

图9 储能电池放电试验

5.2 电能路由器协调控制性能测试

直流微电网中光伏、储能和市电可设定不同的供电优先级，实现不同的潮流控制策略，本工程设定系统工作模式见表2，最大程度地优先利用光伏和储能供电。

表2 系统工作模式

本试验中负载为可调式电子负载，电能路由器协调控制性能测试如图10所示，图10中母线电压指DC 375V母线电压，储能指储能模块功率曲线电气运行技术，负载指负载功率曲线，光伏指光伏模块功率曲线，AC-DC模块指AC-DC模块功率曲线。

图10 电能路由器协调控制性能测试

1）加入负载，此时光伏发电端口模块输出功率大于负载消耗功率，储能电池端口模块吸收多余功率对电池进行充电，交流接入端口AC-DC模块待机无输出，母线电压由光伏发电端口模块维持在381.9V，如图10（a）所示。

2）负载增加，光伏发电端口模块无法提供足够功率，转由光伏及储能联合向负载供能，交流接入端口AC-DC模块待机无输出，如图10（b）所示。

3）负载持续加大，储能及光伏联合供能不能满足需求，交流接入端口AC-DC模块工作并维持电压稳定至376.3V，如图10（b）所示。

4）负载减小，储能及光伏联合供能可以满足需求，交流接入端口AC-DC模块退出工作，此时母线电压抬升，维持在378.4V左右，如图10（c）所示。

5）负载切除，光伏输出功率充足且有盈余，储能从光伏吸收能量对电池进行充电，此时光伏工作在恒压状态并维持母线电压在382.7V且较为稳定，如图10（d）所示。

6）光伏退出运行，增加负载，储能放电功率大于负载消耗功率，交流接入端口AC-DC模块处于待机状态，储能电池端口模块进行放电，母线电压降低至377.2V，如图10（e）所示。

7）持续增加负载，储能电池端口模块进行放电，放电功率不能满足负载需求，交流接入端口AC-DC模块工作，维持母线电压至376.2V，如图10（f）所示。

8）持续增加负载，储能电池端口模块放电功率不变，交流接入端口AC-DC模块输出功率增大，维持母线电压稳定至375.9V，如图10（g）所示。

9）减小负载，储能电池端口模块放电功率不变，交流接入端口AC-DC模块输出功率减小，维持母线稳定至376.2V，如图10（h）所示。

5.3 效益分析

本工程已稳定运行两年有余，光伏、储能、负载累计电量见表3。

表3 系统累计电量（单位：kW·h）

本工程优先光伏出力，就地消纳清洁能源，盈余部分给储能电池充电，储能系统平抑光伏发电输出能量波动，交流电网支撑直流系统稳定运行，光伏累计发电量6719.95kW·h，累计CO2减排量2.69t，累计SO2减排量6.71t，累计减排标准煤0.20t，累计获得经济收益0.59万元，实现了安全、高效、高可靠、节能环保的楼宇直流供电模式。

6 结论

电能路由器具备各端口模拟量采集、状态监视及新能源接入功能，本文首先对电能路由器交流接入端口、光伏发电接入端口进行满载运行、半载运行及轻载运行功能测试，对储能电池接入端口分别进行充放电测试，结果表明稳压精度、效率及功率因数、输入电流谐波系数等均满足国家相关标准要求。

其次，对电能路由器进行协调控制测试，分别进行“光-储”协调运行、“储-荷”协调运行、“源-储-荷”协调运行、“光-储-荷”协调运行、“源-储”协调运行、“源-光-储”协调运行等实际工况模拟测试，电能路由器装置多端口接入运行时，根据设定的协调控制策略，能够实现直流微电网内光伏、储能及负荷的主动式功率平衡，可靠、灵活、高效地接入分布式能源，大幅度提高清洁能源的利用率。

最后，实际工程中也存在一些问题，如直流配用电相关标准和规范尚不完善，用电侧配套设备缺乏，相关技术有待进一步发展，直流配电的大规模普及可能需要经历一个长期发展的过程，本文可为楼宇直流微电网的理论研究与工程实践提供参考。

本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“基于多端口电能路由器的楼宇直流微电网研究与应用”，作者为赵先浩、谢红福等。