配网终端电能路由器交直混合型紧凑拓扑及其控制策略

Power router in the terminal of distribution network, is a key component in future energy internet. However, the topology of power router has been not studied adequately. The disadvantages of multi-converters integration scheme are that, complexity, much power nodes, weak applicability and generality, low efficiency and power density. This project intends to propose a compact integrated AC/DC hybrid topology for power router, with AC/DC power combinatorial converting mechanization and topological derivative law. First, based on the study of hybrid power converting module and its topology generation methodology, operating principles and mathematical models of power router topology will be studied. Second, the optimized modulation strategy will be studied, taking the quality of input/output waveforms, device loss, system efficiency, output common-mode voltage into consideration. Then, power control algorithm for AC/DC port, impedance matching features, power coupling and decoupling mechanism will be investigated to develop control schemes for power router in multiple energy coupled system. The research of this project provides a viable solution for the power router in distribution network, theoretical and technical reference for safe, efficient operation, reliability and cost-effectiveness smart grid in the future.

配网终端电能路由器是能源互联网的关键设备，目前其拓扑结构多采取交流与直流变换器简单集成的方案，导致配网系统冗杂、节点繁多、兼容扩展困难、效率与功率密度难以提升。本项目旨在基于交直流电能集中统一变换的思想及复合变换拓扑衍生规律，研究交直流混合型紧凑式电能路由器拓扑及相关控制策略。内容包括：1）运用复合功率模块变换机理与组合-优化拓扑构造法，研究交直流混合式无变压器隔离型电能路由器拓扑及其数学模型；2）考虑输入输出电能质量、器件损耗、系统效率、共模电压等因素，研究电能路由器多目标优化调制策略；3）基于多能耦合系统功率控制律及阻抗匹配特性，研究电能路由器交直流端口功率耦合与解耦机理，提出其运行控制策略。本项目可为能源互联网电能路由器研究提供新思路，为智能配电网构建及其安全、可靠与高效运行提供技术储备。

随着传统化石能源的逐渐枯竭与供求矛盾日趋紧张，气候变化与环境危机日益深化，世界各国对清洁可再生能源的应用要求越来越强烈。构建以深度融合可再生能源与互联网信息技术为特征的能源互联网将是实现能源清洁替代和可持续发展的关键所在。本项目以适应未来能源互联网的配网终端电能路由器为研究对象，从功率耦合的角度来分析阐释未来能源路由器面临高可靠性，高功率密度，高适应性等一系列问题。在此基础上，提出了基于单电感dual-buck自解耦型单相拓扑结构，能适应于新能源低电压高升压比的boost型单级逆变拓扑结构。基于未来配网终端电能路由器直挂单相电网运行的需求，提出适合于具有直流分量的单相电网锁相环控制策略。针对无电解电容的高寿命电能路由器，需在直流侧电压高二次纹波率条件下运行的需求，提出一种谐波削弱调制策略。并对配网终端电能路由器在V2G/G2V/PV2G三种模式下的功率解耦控制进行了前瞻的实践性研究。最后，提出了基于优化解空间的模型预测控制的/配网终端新能源经电能路由器并网优化控制策略，分别对并网波形质量，以燃料电池为代表的低输入电压新能源的的解耦与优化拓扑进行了深入研究。在该基金资助下，共发表高水平论文18篇，其中SCI8篇，EI检索论文2篇，培养硕士17名。除了顺利达到预期目标外，以该基金为起点和基础，科研团队中教师成功获批国家自然科学基金1项，以新能源为切入点，课题组后续研究工作将会更加深入。