本发明涉及电力电子，尤其涉及一种多直流端口电能路由器及其基于环流和电压调节的控制策略。
背景技术：
1、随着分布式电源的不断渗透，储能、电动汽车及可控负荷等的大量接入，以分布式电源为核心的多元化分布式电力供应系统将改变配电网的现有形态，并对配电网的功率可控性、运行灵活性、供电可靠性等方面提出了更高需求。而基于电能路由器的交直流混合配电架构，为本地用户与分布式电源提供中低压可控交直流端口，从而极大提升配电系统控制及设备接入的灵活性，是未来配电网的重要发展方向之一。
2、针对低压直流用户，电能路由器需引出多个直流端口，为直流源荷提供不同等级的直流电压，能满足配电复杂多样的应用需求。现有技术不足：针对低压直流用户，现有电能路由器单套装置无法直接同时具有多个直流端口，仅能通过多套装置引出多个直流端口，增加了成本与占地空间。例如：公开号cn114710052a提出一种电能路由器功率模块和电能路由器，该电能路由器功率模块由五个部分组成，分别为多绕组高频变压器、缓冲支路、高频变流器、直流接口电路和交流接口电路，该路由器可以将交流端口各相二倍频功率波动通过磁路进行抵消，减小直流侧电容所缓冲的功率，从而减小直流侧电容容值，但电能质量不高和转换效率较低；公开号cn202311180343.6提出一种子模块集成的mmc型电能路由器及其控制方法，利用每相上半桥臂的一个子模块与下半桥臂对应位置的子模块的直流侧连接到一个dab模块，采用重复控制的纹波传递控制策略，但并没有实现单套装置本身具有多个直流端口。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中，低压直流用户使用电能路由器仅能通过多套装置引出多个直流端口，增加了成本与占地空间的技术问题，本发明提出了一种多直流端口电能路由器及其基于环流和电压调节的控制策略，有效解决低压直流用户使用电能路由器仅能通过多套装置引出多个直流端口的技术问题，实现单套装置本身具有多个直流端口，并且可提供两个相同功率或者不同功率的低压直流端口，有效降低成本与缩减了设备占地空间。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明第一方面提供了一种多直流端口电能路由器，包括三相电路模块和端口；所述三相电路模块拓扑结构为基于上、下半桥臂的电能路由器拓扑结构；所述端口包括：中压交流端口；所述电能路由器拓扑结构分为三相，每个单相电路包括上半桥臂和下半桥臂，每个半桥臂含有n个组合模块与一个桥臂电感，两个桥臂电感串联形成桥臂，桥臂的中点引出单相中压交流端，三个单相电路的单相中压交流端可组成所述中压交流端口；所述组合模块包含一个mmc子模块、一个ibdc模块、一个电容，所述mmc子模块输出端与所述ibdc模块的输入端相级联，并在级联端跨接一个电容；所述组合模块的端口包括：上输入端口、下输入端口、上输出端口、下输出端口；将所述上半桥臂的所述上半桥臂电感下端、所述下半桥臂的所述下半桥臂电感上端和单相中压交流端连接；所述上半桥臂：将上半桥臂最上方所述组合模块的下输入端口和相邻所述组合模块的上输入端口连接，以此类推，将上半桥臂最下方所述组合模块的下输入端口和所述上半桥臂电感上端连接；所述下半桥臂：将下半桥臂最下方所述组合模块的上输入端口和相邻所述组合模块的下输入端口连接，以此类推，将下半桥臂最上方所述组合模块的上输入端口和所述下半桥臂电感下端连接；
4、所述端口还包括：正极低压直流端口1、正极低压直流端口2和共用负极低压直流端口；
5、将所述上半桥臂所有所述组合模块上输出端口并联得到所述正极低压直流端口1；
6、将所述下半桥臂所有所述组合模块下输出端口并联得到所述正极低压直流端口2；
7、将所述上半桥臂所有所述组合模块下输出端口和所述下半桥臂所有所述组合模块上输出端口并联得到共用负极低压直流端口。
8、优选的，所述mmc子模块采用半桥结构；所述ibdc模块采用隔离性双有源桥型dc-dc变换器。
9、优选的，所述端口还包括：正极中压直流端口、负极中压直流端口；
10、将所述上半桥臂最上方所述组合模块的上输入端口作为部分正极中压直流端，将三个单相电路的部分正极中压直流端连接得到所述正极中压直流端口；
11、将所述下半桥臂最下方所述组合模块的下输入端口作为部分负极中压直流端，将三个单相电路的部分负极中压直流端连接得到所述负极中压直流端口。
12、本发明第二方面提供了一项所述的多直流端口电能路由器的基于环流和电压调节的控制策略，控制策略步骤包括：
13、s1：基于对所述多直流端口电能路由器进行电路分析，获得环流注入调节方式和桥臂电压调节方式；
14、s2：基于s1的所述环流注入调节方式和所述桥臂电压调节方式进一步对多直流端口电能路由器拓扑进行稳态分析；
15、s3：利用s1中所述的电路分析和s2中所述的稳态分析，获得基于环流和电压调节的多直流端口电能路由器的控制策略：
16、若两个低压直流端口的不平衡功率小于|δudmax·2id|时，采用补偿方案1：桥臂电压调节控制；
17、若两个低压直流端口的不平衡功率大于δudmax·2id时，采用补偿方案2：先采用桥臂电压调节控制，将桥臂电压调节量设定为最大负值进行功率补偿，再采用环流注入控制；
18、若两个低压直流端口的不平衡功率小于-δudmax·2id时，采用补偿方案3：先采用桥臂电压调节控制，将桥臂电压调节量设定为最大值进行功率补偿，再采用环流注入控制；
19、所述桥臂电压调节控制：
20、s311：将三相上半桥臂子模块电容电压之和与三相下半桥臂子模块电容电压之和作差，并通过pi控制器作用，得到s311输出量；
21、s312：将中压直流侧电流id依次通过死区控制和符号函数sign调节，得到s312输出量；
22、s313：将s311输出量和s312输出量叠加，并通过上下限控制，得到中压直流侧电压参考值udref；
23、所述环流注入控制：
24、s321：将三相上半桥臂子模块电容电压之和与三相下半桥臂子模块电容电压之和作差，并通过pi控制器得到的控制量与环流的幅值ic叠加，得到所注入环流的幅值参考值icref；
25、s322：将所注入环流的幅值参考值icref经过传递函数2ωla的作用，设置所注入环流的相位和桥臂电压的相位一致，得到环流控制量ucjref。
26、优选的，所述s1中，根据多直流端口电能路由器结构和基尔霍夫定律，可得上下半桥臂的瞬时功率，具体如公式(1)所示：
27、
28、其中，upa为a相上半桥臂电压；una为a相下半桥臂电压；ipa为a相上半桥臂电流；ina为a相下半桥臂电流；n为桥臂模块数目；ucpa为上半桥臂子模块电容电压；ucna为下半桥臂子模块电容电压；idpa上半桥臂ibdc模块的输入电流；idna为下半桥臂ibdc模块的输入电流；c为mmc子模块电容；
29、式(1)中，上半桥臂电压upa和下半桥臂电压una由mmc子模块开关函数表示，具体如公式(2)所示：
30、upa＝n·spa·ucpa, una＝n·sna·ucna (2)
31、其中，spa和sna分别为a相上下半桥臂mmc子模块的平均开关函数；
32、根据多直流端口电能路由器结构可得，子模块平均开关函数由出口电压交流分量和恒定的1/2直流分量共同构成，对mmc子模块平均开关函数引入桥臂电压调控量δud和环流电压调控量uca，得到a相上半桥臂mmc子模块平均开关函数spa和a相下半桥臂mmc子模块平均开关函数sna，具体如公式(3)所示：
33、
34、其中，ud为中压直流侧电压；spa为a相上半桥臂mmc子模块平均开关函数；sna为a相下半桥臂mmc子模块平均开关函数；ea为稳态下mmc的交流侧等效出口电压；
35、根据基尔霍夫定律，可得a相上半桥臂电流ipa、a相下半桥臂电流ina、a相中压交流侧电流isa、中压直流侧电流id和环流ica的关系，具体如公式(4)所示：
36、
37、根据多直流端口电能路由器结构、式(1)、式(2)、式(3)和式(4)，可得环流动态方程表达式，具体如公式(5)所示：
38、
39、其中，la为桥臂电感；ux为环流压降；
40、根据多直流端口电能路由器结构，可得各个ibdc模块的输入输出功率平衡方程表达式，具体如公式(6)所示：
41、nucpaidpa＝ulvpilvp/3, nucnaidna＝ulvnilvn/3 (6)
42、其中，ulvp为低压直流端口1的电压；ilvp为低压直流端口1的电流；ulvn为低压直流端口2的电压；ilvn为低压直流端口2的电流；
43、结合式(2)和式(3)，进一步更新式(5)环流动态方程，具体如公式(7)所示：
44、
45、基于式(7)可得，环流通过uca注入，δud不影响环流，环流注入调节和桥臂电压调节互相独立，可同时实现；
46、根据多直流端口电能路由器结构，将上下半桥臂mmc子模块电容之和uσca作为中压直流电压ud的2倍，且桥臂电压调节量δud<<ud，得出a相上下半桥臂电容电压之和的动态方程表达式(8)和a相上下半桥臂电容电压之差的动态方程表达式(9)，具体如公式所示：
47、
48、其中，plv＝ulvpilvp+ulvnilvn为两个低压直流端口功率之和；cσ＝c/n为等效桥臂电容；uσca＝nucpa+nucna为上下半桥臂mmc子模块电容之和；uδca＝nucpa-nucna与上下半桥臂mmc子模块电容之差；
49、
50、其中，δplv＝ulvpilvp-ulvnilvn为两个低压直流端口功率之差；
51、基于式(9)可得，控制桥臂电压影响δudid分量或控制环流注入影响eaica分量，可抵消δplv，实现多直流端口电能路由器的稳定运行。
52、优选的，所述s2中，对多直流端口电能路由器拓扑进行稳态分析，获得最优补偿策略，
53、根据多直流端口电能路由器结构，得出中压交流网侧电压和电流的表达式，具体如公式(10)所示：
54、
55、其中，um为中压直流侧电压幅值；im为中压直流侧侧电压幅值；为中压直流侧电流相位；em为变换器侧电压幅值；δ为变换器侧电压相位；m为变换器调制度；
56、环流电压和电流表达式，具体如公式(11)所示：
57、uca＝-xudcos(ωt-β), ica＝icsin(ωt-β) (11)
58、其中，x为环流系数；β为环流相位；ic＝xud/(2ωla)为环流幅值；
59、桥臂电压的交流分量表达式，具体如公式(12)所示：
60、una,ac＝-upa,ac＝ea＝(mud/2)sin(ωt-δ) (12)
61、桥臂电压的直流分量表达式，具体如公式(13)所示：
62、upa_dc＝una_dc＝nucpa/2＝nucna/2＝ud/2 (13)
63、其中，ucpa和ucna分别为上下半桥臂mmc子模块电容电压的直流分量；
64、上下半桥臂的平均输入功率表达式，具体如公式(14)所示：
65、
66、稳态时各桥臂输入输出功率平衡，电能路由器拓扑的上下半桥臂输出功率表达式，具体如公式(15)所示：
67、
68、其中，ppa_out为上半桥臂输出功率；pna_out为下半桥臂输出功率；ppa_in为上半桥臂输入功率；pna_in为下半桥臂输入功率；ulvp为低压直流端口1的电压；ilvp为低压直流端口1的电流；ulvn为低压直流端口2的电压；ilvn为低压直流端口2的电流；
69、利用桥臂电压调节和环流注入的方式补偿低压直流两个端口的不平衡功率的表达式，具体如公式(16)所示：
70、δplv＝ulvnilvn-ulvpilvp＝3emiccos(δ-β)+2δudid (16)
71、其中，ic为环流幅值；δud为引入桥臂电压调控量；id为中压直流侧电流；
72、为实现最优环流注入，所注入环流相位需满足表达式，具体如公式(17)所示：
73、β ＝ δ (17)
74、其中，δ为所注入环流相位；β为桥臂电压的相位；
75、为了避免过调制，最大允许的桥臂电压调节量δudmax，具体如公式(18)所示：
76、
77、其中，ud为中压直流电压；em为变换器侧电压幅值；m为变换器调制度。
78、优选的，在s321中，所述环流的幅值ic应满足：
79、δplv＝ulvnilvn-ulvpilvp＝3emiccos(δ-β)+2δudid
80、在s322中，所述设置所注入环流的相位和桥臂电压的相位相等，注入环流的相位应满足：
81、edref和eqref，具体如公式(19)所示：
82、
83、sinδ和cosδ，具体如公式(20)所示：
84、
85、其中，edref和eqref分别为mmc交流侧出口电压参考值的d-q轴分量。
86、有益效果：
87、本发明提供了一种多直流端口电能路由器，包括：三相电路模块和端口，其中：三相电路模块拓扑结构为基于上下半桥臂的电能路由器拓扑结构；端口包括：中压交流端口；电能路由器拓扑结构分为三相，每个单相电路包括上半桥臂和下半桥臂，每个半桥臂含有n个组合模块与一个桥臂电感，两个桥臂电感串联形成桥臂，桥臂的中点引出单相中压交流端，三个单相电路的单相中压交流端可组成中压交流端口；组合模块包含一个mmc子模块、一个ibdc模块、一个电容，mmc子模块输出端与所述ibdc模块的输入端相级联，并在级联端跨接一个电容；组合模块的端口包括：上输入端口、下输入端口、上输出端口、下输出端口；将上半桥臂的上半桥臂电感下端、下半桥臂的下半桥臂电感上端和单相中压交流端连接，三个单相电路的单相中压交流端可组成中压交流端口；上半桥臂：将上半桥臂最上方组合模块的下输入端口和相邻组合模块的上输入端口连接，以此类推，将上半桥臂最下方组合模块的下输入端口和上半桥臂电感上端连接；下半桥臂：将下半桥臂最下方组合模块的上输入端口和相邻组合模块的下输入端口连接，以此类推，将下半桥臂最上方组合模块的上输入端口和下半桥臂电感下端连接；
88、多直流端口电能路由器右侧输出部分通过将上半桥臂所有组合模块上输出端口并联得到正极低压直流端口1，将下半桥臂所有组合模块下输出端口并联得到正极低压直流端口2，将上半桥臂所有组合模块下输出端口和下半桥臂所有组合模块上输出端口并联得到共用负极低压直流端口，通过上述方式为低压直流用户提供两个相同功率的低压直流端口；通过将上半桥臂最上方组合模块的上输入端口作为部分正极中压直流端，将三个单相电路的部分正极中压直流端连接得到正极中压直流端口，将下半桥臂最下方组合模块的下输入端口作为部分负极中压直流端，将三个单相电路的部分负极中压直流端连接得到负极中压直流端口，通过上述方式提供中压直流端口，无需利用多套装置来实现多个直流端口供电，仅需单套装置即可提供两个相同功率的低压直流端口，有效降低了成本与缩减了设备占地空间。
89、为了进一步满足低压直流用户复杂多样的直流电源配电应用需求，同时本发明还提出一种基于环流和电压调节的多直流端口电能路由器的控制策略。该控制策略通过桥臂电压调节控制和环流注入调节控制多直流端口电能路由器，利用单套装置为低压直流用户提供两个不同功率的低压直流端口，实现桥臂间的能量调节，有效降低了环流幅值和桥臂电流幅值，降低了mmc侧开关器件的电流应力需求，进一步降低设备成本，为低压直流用户提供低压可控多直流端口。