图1 传统串联与串并联架构区域电能路由器
Fig.1 Traditional series and series-parallel architecture region power router
摘要 电能路由器是能源互联网的核心设备，是下一代智能电网的重要标志。受拓扑架构限制，传统区域电能路由器存在带载能力有限和无功功率无法柔性运行的缺点。为此，该文拟构建一种串并联架构新型区域电能路由器，通过增加一条并联能量流动通道，突破传统路由器100%能量传输和无功功率刚性运行的双重界限。对串并联架构路由器的功率流柔性运行机理进行分析，给出其在不同运行模式下功率流的计算方法，以揭示路由器系统的运行规律。为实现对能量的主动控制，提出一种双自由度功率流柔性控制策略，分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位角的自由度，从而灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率以及串、并联变换器之间的无功功率。在不增加系统容量和交流输入配电网的情况下，可实现有功功率最大允许量为200%及无功功率最大允许量为120%的传输目标，为路由器实现大功率能量柔性传输提供了设计思路和解决方案。
关键词：能源互联网 电能路由器 功率流 柔性运行 双自由度
近年来，随着可再生能源发电技术的不断发展，大规模分布式发电装置的接入是未来电网的主要特征之一，为平抑分布式发电装置接入带来的电力波动问题，以及实现对电网削峰填谷的功能，电网需要接入以电池和超级电容为代表的储能装置。因此，传统电网正由集中式发电向集中式与分布式并存的发电方式转变，而电能正由单向流动向多向流动的方式转变[1]。基于电力电子技术与信息技术的电能路由器（Electric Power Router, EPR）[2-4]允许同时存在多种不同电压等级交流和直流的变换形式，不但可以为分布式发电装置、储能装置和不同类型负荷提供灵活多样的即插即用电气接口[5]，还可以实现能量的多向流动和对功率流的主动控制[6]，同时能够满足能源互联网发展需要。其中，以中压（10kV）和低压（380V）配电网为背景的电能路由器分别称为主干电能路由器和区域电能路由器[1]。
主干电能路由器是以电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）实现中压配电网能量的路由功能，最早由美国北卡罗来纳州立大学FREEDM系统中心的A. Q. Huang团队于2008年提出[7]。由于中压配电网的输入电压等级较高，PET通常采用三级变换结构，即AC-DC、双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC和DC-AC变换器，这也是目前PET最为典型的拓扑结构。
区域电能路由器（Region EPR, REPR）的交流输入和输出电压均为380V/50Hz，无需使用DAB变换器进行隔离和高低压转换，因此一般采用两级串联变换器拓扑架构[8-10]，可将其称为传统串联架构REPR（Series Architecture REPR, SA-REPR），如图1a所示。交流输入级由AC-DC变换器将交流电整流为直流电（700~750V）连接到直流母线，交流输出级由DC-AC变换器将直流电逆变为380V无畸变的交流电后连接到交流母线。此外，储能装置（电池和超级电容）和分布式电源（光伏发电和风力发电）由不同电压等级的DC-DC和AC-DC变换器接入直流母线，用于平衡系统的功率需求。
然而，受电路拓扑架构的限制，SA-REPR只能通过输出级DC-AC变换器为交流负荷提供有功和无功功率，使得SA-REPR主要存在两个问题：①系统转换与传输的有功和无功功率均限制在100%功率范围内（即最大只能满足负荷100%的功率传输需求）；②无功功率无法实现柔性运行与控制（即只能刚性运行），在一定程度上限制了区域电能路由器的发展。如果能从电路拓扑架构和能量控制方法等方面入手解决以上问题，在继承传统路由器运行特征的基础上，对其功率传输和柔性运行能力进行扩展和延伸，将有助于推动能源互联网的发展。
图1 传统串联与串并联架构区域电能路由器
Fig.1 Traditional series and series-parallel architecture region power router
为此，本文面向低压配电网，以统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC）[11-13]的运行特征为理念，构建一种串并联架构区域电能路由器（Series-Parallel Architecture REPR, SPA-REPR），通过增加一条并联能量流动通道，可在不增加系统容量和交流输入配电的情况下，突破传统路由器100%功率传输和无功功率只能刚性运行的双重界限，赋予了路由器新的功能，其结构如图1b所示。不同于SA-REPR，在本文所构建的SPA-REPR中，交流电网、交流母线及变换器之间的连接方式发生了改变，即交流电网与交流母线之间通过变压器连接，AC-DC变换器（串联变换器）通过变压器串联在交流电网侧，而DC-AC变换器（并联变换器）并联在交流母线侧，其中并联变换器所在支路即为本文所增加的能量流动通道。
电能路由器涉及网与荷、源与荷、网与源、源与源之间等多种情况下的能量转换与传输问题，因此实现对能量的主动控制与有序分配是其必须具备的一项关键技术。文献[10]将虚拟同步机控制技术应用到电能路由器中，分别对交直流接口处的电压电流进行控制，从而实现对路由器功率流向及大小的调节。文献[14-15]根据级联型PET各个子模块之间的能量关系，提出了一套基于能量平衡的系统参数设计方法，有助于实现系统瞬态性能的优化控制以及多级变换器的优化运行。文献[16-17]针对多个不同电压等级的直流微网与交流电网互连系统，提出一种两级变换的交直流混合微网电能路由器。当微电网所需传输功率与H桥直流侧电压不匹配时，通过加入直流参考电压调节器实时调整H桥直流侧电压，使H桥级联电路满足其功率传输要求，实现路由器对各微电网能量动态的协调与控制。文献[18]提出了一种基于图论的e-LAN能量路由控制算法，用于路由器的优化运行，提高系统的鲁棒性。文献[19]提出了一种应用于三相系统的自平衡PET，通过中频变压器的磁耦合及低压侧逆变器交流输出的交错并联，对三相之间的不平衡有功功率进行自动重新平均分配，完成功率自平衡功能。
通过分析文献[10,14-19]可知，对于不同的应用背景和电路结构，路由器的能量控制方法不尽相同。具体到本文，为实现路由器的“两个突破”，除所构建的串并联架构电路拓扑外，还需要相应的功率流控制策略予以支撑。为此，本文提出双自由度功率流柔性控制策略（Two-Degree-of-Freedom Power Flow Flexible Control Strategy, TDF-PFFCS），通过串、并联变换器分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位角的自由度，形成有功和无功功率双自由度控制体系，灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率以及串、并联变换器之间的无功功率，在不增加系统容量和交流输入配电网的情况下，允许路由器以大于系统本身容量的条件传输能量，可实现有功功率最大允许量为200%及无功功率最大允许量为120%的传输目标，为路由器实现大功率能量柔性传输提供新颖的设计思路和解决方案。
SPA-REPR的能量控制核心单元以UPQC的运行特征为理念，其拓扑架构如图2所示。该核心单元主要由串联变换器（Series Converter, SC）、并联变换器（Parallel Converter, PC）和变压器组成，其中SC被控为正弦电流源，用于控制三相电网输入电流正弦且平衡，实现网侧单位功率因数（即电网只提供有功功率），同时可补偿负荷部分无功功率，控制直流母线电压稳定在700V；PC被控为正弦电压源，用于控制三相交流母线电压稳定、正弦且平衡，为负荷提供无功和谐波电流，同时实现对直流母线的充放电。
图2 SPA-REPR的能量控制核心单元
Fig.2 Energy control core unit of SPA-REPR
图2中，S1~S6和S7~S12分别为SC和PC的功率开关管（IGBT）；uSx和iSx分别为电网电压和电流，x=a,b,c；u1x和u2x分别为SC和PC的桥臂电压；iserx和iparx分别为SC和PC输出电流；i2x为流过电感Lpar的电流；uLx和iLx分别为输出交流母线电压和电流；Trx为变压器；uCx和uCnx分别为变压器一、二次电压；ZLx为负荷阻抗。此外，串并联架构拓扑电气参数见表1。
表1 串并联架构拓扑电气参数
Tab.1 Electrical parameters of series-parallel architecture topological circuit
参数数值 网侧滤波电感Ls/μH6 SC滤波电感Lser/mH7 PC滤波电感Lpar/mH0.3 PC滤波电容Cpar/μF40 变压器匝比n1:5 正负直流母线电容Cdc±/μF8 800 正负直流母线电压udc±/V±350 输出交流母线电压有效值/V220 SC及PC的开关频率/kHz10 电网及输出交流母线频率/(rad/s)2πfs =2π×50
由于采用三相四线制供电方式，SPA-REPR能够有效控制由不平衡负荷所引起的零序分量，除提供700V直流电压接口外，还可以提供±350V两个直流电压接口，进一步增加了路由器电气接口的灵活性和多样性。
对比于SA-REPR，由于电路拓扑架构的改变，SPA-REPR除能够实现“两个突破”外，还具有电流峰值系数高和运行安全性能高的优点。在理想电网条件下，交流电网为负荷提供全部的有功电流，使得PC有能力为负荷提供更多的谐波电流，因而SPA-REPR输出交流母线处的电流峰值系数更高，电流峰值系数高意味着系统对不确定性负荷的适应能力强。同时，由于输入侧含有工频变压器，其具有电气隔离作用，使得系统运行将更加安全。
SPA-REPR通过所构建的并联能量流动通道，扩展了能量的传输路径，使得路由器的功率流动情况更加多样化，因此有必要对SPA-REPR的功率流运行机理进行研究。根据对有功和无功功率的转换和传输情况，SPA-REPR的能量运行模式可分为：电网运行模式、柔性运行模式和孤岛运行模式。
电网运行模式（Grid Operation Mode, GOM）是指电网为负荷提供全部的有功功率，其适用条件为负荷有功功率PL≤100%PR（PR为100%系统额定有功功率）。GOM模式下的功率运行原理如图3所示，SPA-REPR的有功功率关系为
（1）式中，PS为电网输入的有功功率。
图3 电网运行模式
Fig.3 Grid operation mode
由于电网只为负荷提供有功功率，因此不存在电网提供无功功率的情况，而负荷所需的无功功率既可由SC和PC联合补偿（详见2.2节），也可由PC予以补偿（详见2.3节）。
按照有功和无功功率流动情况划分，柔性运行模式（Flexible OM, FOM）是指：①交流电网与直流母线按照一定配比联合为负荷提供有功功率；②SC与PC按照一定配比联合补偿负荷的无功功率。FOM模式下，有功和无功功率均可满足大于100%的负荷能量传输需求。
2.2.1 有功功率
由于直流母线与储能装置/分布式电源连接，可通过PC为负荷提供有功功率，从而为有功功率的柔性运行与突破100%功率传输界限创造了条件。无论负荷有功功率是否大于100%，交流电网侧和直流母线侧的有功功率均能够在各自0~100%范围内以任意配比柔性运行，如图4所示。因此，SPA-REPR具有最大传输200%有功功率的能力。
图4 有功功率柔性运行模式
Fig.4 Active power flexible operation mode
有功功率的FOM适用条件为PL≤200%PR，此时SPA-REPR的有功功率关系为
（2）式中，Ppar为PC传输的有功功率；kp为有功自由度系数，0≤kp≤PR/PL。
由式（2）可知，改变kp可自由调节电网与直流母线之间有功功率的配比关系，除实现突破100%有功功率传输界限外，还可实现对电网的削峰填谷和对分布式能源的及时消纳。
2.2.2 无功功率
除PC补偿负荷100%无功功率外，通过调节变压器所承受电压的幅值和相位，可使SC同样具有补偿无功功率的能力。SC的无功功率传输能力与变压器容量有关，变压器容量越大，SC无功功率传输能力越强，但变压器的体积和质量也就越大。同时考虑电网电压波动范围不超过±7%（GB/T 12325—2008）及对直流母线充电等条件，综合选定变压器容量为SPA-REPR容量的20%。
图5为FOM下的无功功率运行原理，无论负荷无功功率是否大于100%，SC和PC均可按照一定配比关系柔性补偿负荷无功功率，其补偿范围分别为0~20%和0~100%。因此，SPA-REPR可实现无功功率的柔性运行及最大120%的传输目标。
图5 无功功率柔性运行模式
Fig.5 Reactive power flexible operation mode
无功功率的FOM适用条件为QL≤120%QR，QR为100%系统额定无功功率，此时SPA-REPR的无功功率关系为
（3）式中，Qser和Qpar分别为SC和PC传输的无功功率；kq为无功自由度系数，0≤kq≤0.2QR/QL。
由式（3）可知，控制kq可在一定范围内（即Qser≤20%QR和Qpar≤100%QR）自由调节SC与PC之间的无功功率，从而实现无功功率的“两个突破”。
在FOM模式下，SC传输无功功率的同时，还需承担较少部分的有功功率传输任务，该部分内容将在3.2节中详细讨论。
类似于FOM划分方法，孤岛运行模式（Island OM, IOM）是指：①直流母线为负荷提供全部的有功功率；②PC补偿负荷全部的无功功率。
2.3.1 有功功率
当电网掉电或故障时，可通过控制有功自由度系数kp =0，使SPA-REPR运行于IOM模式下，即直流母线通过PC为交流负荷提供有功功率，如图6a所示，此时SPA-REPR具有不间断电源的功能。
有功功率的IOM适用条件为PL≤100%PR，SPA-REPR的有功功率关系为
（4）此外，IOM还适用于对电网的削峰和消纳分布式能源的情况。
2.3.2 无功功率
无功自由度kq = 0时，可使PC为负荷提供全部的无功功率，如图6b所示。无功功率的IOM适用条件为QL≤100%QR，SPA-REPR的无功功率关系为
图6 孤岛运行模式
Fig.6 Island operation mode
（5）分析以上不同模式下的功率流运行机理可知，SPA-REPR可根据实际需要运行在相应模式，即控制自由度kp和kq，可使有功功率在GOM、FOM和IOM三种模式之间自由切换，无功功率在FOM和IOM两种模式之间自由切换，实现有功和无功功率柔性运行的同时，还可突破传统路由器100%能量传输界限。因此，串并联架构拓扑为路由器能量的大功率柔性传输提供了一种切实可行的方案。
为实现SPA-REPR的“两个突破”，除具备串并联架构条件外，还需要相应的控制策略予以支撑。由第2节分析可知，自由度kp和kq是实现“两个突破”的关键所在。因此，如何基于自由度设计路由器的控制策略，是本节的主要研究内容。
电网电流幅值决定了电网输入的有功功率，因而kp可由SC对电网输入电流的控制体现；输出交流母线电压相位决定了变压器两端电压的相位，从而决定了SC所传输的无功功率，因而kq可由PC对输出交流母线电压相位的控制体现。
为此，本文提出双自由度功率流柔性控制策略（TDF-PFFCS），即通过SC和PC分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位的自由度，形成有功和无功功率双自由度控制体系，灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率以及串联和并联变换器之间的无功功率，提升系统功率传输能力，实现能量的多级利用。
设计思路：针对路由器多种形式能量汇集的特点，交流电网输入电流应根据直流母线储能和实际负荷容量情况进行适时适度的调节，从而实现能量的高效经济运行。通过SC对交流电网输入电流幅值的控制，可改变电网输入的有功功率，同时由于PC被控制为正弦电压源，当输入有功功率变化时，PC将自动从直流母线获取能量以补偿有功功率的变化，实现整个系统的功率平衡。可见，通过调节交流电网输入电流的幅值，负荷有功功率既可由交流电网提供，也可由直流母线提供。
基于上述思路，提出有功功率自由度柔性控制（Active Power Degree-of-Freedom Flexible Control, APDFFC），由电流幅值参考计算（Current Amplitude Reference Calculation, CARC）环节和自由度控制（Degree-of-Freedom Control, DFC）环节构成，其控制原理如图7所示。
图7 基于APDFFC的串联变换器控制策略
Fig.7 SC control strategy based on APDFFC
交流电网电压uSx、输出交流母线电压uLx和电流iLx经dq坐标变换后，再利用低通滤波器（Low Pass Filter, LPF）分别提取出基波正序分量
、
和
。忽略损耗，并根据瞬时功率理论可知，电网侧与交流输出母线侧的基波正序有功功率
与
相等，即
（6）进一步可得电网输入电流幅值参考
为
（7）由式（7）可知，在CARC作用下，
随输出交流母线侧有功功率的变化而变化，从而可根据实际负荷情况调节网侧输入电流iS的大小。
经CARC得到电流幅值参考后，加入DFC即可实现对系统有功功率的柔性控制，即
（8）由式（8）可知，当调节自由度kp时，交流电网输入电流随之改变，进而电网输入的有功功率也随之改变。为满足负荷的功率需求，PC将自动从直流母线获取能量，以补偿由kp变化而引起的功率变化。因此，交流电网与直流母线之间的有功功率能够在各自0~100%范围内以任意配比柔性运行。
根据交流电网故障情况、不同时段电网电价、直流母线储能情况和实际负荷容量，可利用kp控制SPA-REPR交流和直流能量的转换与配置关系。由于交流输入配电的限制，kp最大值为1，因此其取值范围为[0, 1]。结合实际负荷容量，不同kp值时SPA-REPR有功功率的运行模式见表2。
表2 不同kp值时SPA-REPR有功功率运行模式
Tab.2 Active power operation modes of SPA-REPR with different kp values
运行模式负荷容量(%)kp应用条件 IOM0~1000直流母线储能充足/交流电网故障 FOM0~100(0, 1)削峰填谷 100~200(0, 1]负荷容量大于系统容量 GOM0~1001直流母线储能不足
总的电网电流参考iSrefd由APDFFC环节生成的iap和直流母线电压环控制结果∆idc共同构成，即
（9）其中，APDFFC用于控制电网输入的有功功率，而直流母线电压环用于稳定直流母线电压及补偿系统内部运行损耗所需的功率。
由上述分析可知，利用自由度kp控制电网输入电流幅值，可灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率，能够在IOM、FOM和GOM三种模式之间自由切换。在FOM模式下，路由器最大可转换和传输200%的有功功率。
仅在APDFFC控制下，SC不具备无功功率传输能力，负荷所需的无功功率全部由PC提供，因此若不采取有效的控制方法，SPA-REPR只能刚性传输100%的无功功率。为此，本文提出无功功率自由度柔性控制（Reactive Power DFFC, RPDFFC），以解决无功功率刚性运行问题，进而突破其100%带载能力界限。
设计思路：在SC控制下，流过变压器的电流iS始终与uS保持同相位（以实现网侧单位功率因数），若能够对变压器所承受电压的相位角加以控制，从而改变变压器电压uC与iS的相位关系，即可实现对SC无功功率的控制。此外，由于PC本身具有无功功率补偿能力，因此可通过控制变压器电压的相位角，调节SC与PC之间无功功率的配比关系，进而实现整个系统无功功率的柔性运行与控制。
图8为路由器电压与电流的相量关系，其中uL和iL的运行轨迹半径保持不变，有效值
和
，φL为uL和iL之间的相位。SC传输的有功功率Pser和无功功率Qser可由
和
体现；PC传输的有功功率Ppar和无功功率Qpar可由
和
体现。具体的，无RPDFFC时，UL始终与US保持同相位，而加入RPDFFC后，
与
的有效值不变，但的相位δ受PC控制发生变化，导致与US之间产生了幅值差和相位差，且全部加在变压器两端，使得其两端产生电压
，因此利用与之间的相位关系即可实现SC对无功功率的补偿。可见，控制δ能够改变的幅值和相位，从而使SC具有无功功率传输能力。
图8 电压电流相量图
Fig.8 Phasor diagram of voltage and current
由于RPDFFC并不改变IS的幅值和相位，从交流输入和输出侧看，不会改变输入输出之间的能量关系，所改变的是SC和PC之间的内部能量关系。
图8中，在RPDFFC作用下uL有效值始终不变，根据三角函数关系可得变压器两端电压为
（10）由式（10）可知，变压器电压有效值
和相位φc与δ有关，δ越大，和φc越大，意味着变压器所承受的电压越大。因此，为保证变压器所承受电压不超过其最大设计值UCmax，δ与UCmax之间应具有一定的约束关系，具体如下。
令UCmax对应的最大角度为δmax，则由式（10）可得
（11）由式（11）可知，交流母线电压UL被允许执行的最大角度δmax为
（12）式（12）表明：δ与UCmax之间的约束关系，当UCmax确定后，即可得到δ的运行范围（0≤δ≤δmax）。由于δmax的限制，RPDFFC在实际运行中并不会造成变压器两端电压超过其设计极值UCmax，因而SC也不会超过其最大设计容量，保证了变压器和SC的安全运行。
SC输出的有功和无功功率分别为
（13）可见，通过控制δ，SC同时具有传输有功和无功功率的双重能力，δ越大所传输的无功功率越大。
由式（13）可得δ表达式为
（14）δ不但与Qser有关，还与负荷有功功率PL有关。同理，PC输出电流有效值和相位分别为
（15）由式（15）可知，PC的输出电流与δ有关。δ越大，越小，说明SC参与无功功率传输后，PC有能力为负荷提供更多的能量。
PC传输的有功功率和无功功率分别为
（16）由式（16）可知，PC补偿的无功功率为QL与
之间的差值，且当δ = 0°时，
。
自由度kq与相位δ的关系为
（17）由于SC所补偿的无功功率最大为20%QR，因此kq的最大取值为kqmax = 0.2QR/QL。
根据式（13）、式（16）和式（17），重新表示SC和PC传输的无功功率分别为
（18）式（18）揭示了SPA-REPR的无功功率柔性运行机理，通过控制kq（即δ）可灵活配比SC和PC之间的无功功率，可在IOM和FOM两种模式之间自由切换，不同kq值时SPA-REPR无功功率运行模式见表3。在FOM模式下，路由器最大可补偿120%的无功功率。
表3 不同kq值时SPA-REPR无功功率运行模式
Tab.3 Reactive power operation modes of SPA-REPR with different kq values
运行模式负荷容量(%)kq应用条件 IOM0~1000PC传输全部无功功率 FOM0~120(0, kqmax]SC和PC联合传输无功功率
在RPDFFC作用下，SC和PC之间需传输一定的有功功率。由式（13）和式（16）可知，SC将从网侧吸收一部分有功功率（
为负表示吸收功率），并通过PC提供给负荷（
为正表示发出功率），且满足
，此时SPA-REPR的有功功率和无功功率流运行原理如图9所示。需要说明的是，由于变压器所承受的电压范围有限（UCmax=20%UL），其最大相位δmax=11.48°，因此SC和PC传输的有功功率最大不超过2%PR。
图9 有功功率和无功功率流运行原理
Fig.9 Operation principle of active and reactive power flows
基于上述分析，PC的控制策略如图10所示，由RPDFFC、交流母线电压幅值控制和相位控制三部分组成：①RPDFFC中，瞬时有功和无功功率（pL和qL）经LPF后得到基波分量
和
，再通过设定PC的无功功率Qpar，确定SC应补偿的无功功率Qser，最后根据式（14）计算出角度δ；②交流母线电压幅值控制采用电压电流双闭环控制，将输出交流母线相电压幅值稳定在311V且保持三相平衡和正弦；③经电压幅值控制环节后，得到dq0坐标系下的调制信号urpardq0，并将其变换到abc坐标系下得到urparx0，同时将δ载入以实现对输出交流母线电压相位角控制。此外，GparV(s)和GparI(s)分别为电压和电流双闭环的PI控制器。
图10 基于RPDFFC的PC控制策略
Fig.10 PC control strategy based on RPDFFC
为验证理论分析的正确性和所提出TDF-PFFCS的有效性，对SPA-REPR的功率流运行进行仿真研究，参数见表1。为清晰表述不同运行模式下路由器的能量关系，假设三相交流电网电压uSx平衡无畸变，且有效值USx=ULx=220V。
仿真分为三种情况：①只考虑APDFFC，令δ=0°，kq=0；②只考虑RPDFFC，令kp=1；③同时考虑APDFFC和RPDFFC。
图11为有功功率流柔性运行仿真结果，其中负荷有功功率PL范围为1(pu)~2(pu)。
图11 有功功率流柔性运行仿真
Fig.11 Flexible operation simulation of active power flows
1）GOM [0.1s, 0.2s]：PL=1(pu)，kp=1
由于kp=1，使得电网向负荷传输全部的有功功率，因此ULx、ILx和ISx均为1(pu)，而PC输出的电流Iparx为零，如图11a所示。对应的功率关系为PS=PL=1(pu)，Pser=Ppar=0，如图11b所示。
2）IOM [0.2s, 0.3s]：PL=1(pu)，kp=0
不同于GOM，由于kp=0，使得ISx=0，说明电网输入的功率PS =0。因此，直流母线通过PC向负荷传输有功功率，即Iparx=1(pu)，Ppar=1(pu)。
3）FOM [0.3s, 0.4s]：PL=1(pu)，kp=0.5
kp=0.5时，交流电网和直流母线各自承担50%有功功率的传输任务，表现为ISx=Iparx=0.5(pu)和PS=Ppar =0.5(pu)。由此可知，SPA-REPR实现了有功功率的柔性运行，当调节kp时，网侧与直流母线侧的有功功率配比关系将随之改变，从而增加了功率传输的灵活性，可起到及时消纳分布式能源的作用。
4）FOM [0.4s, 0.5s]：PL=2(pu)，kp=0.5
负荷有功功率PL增加到2(pu)时，需控制kp=0.5，以使网侧与直流母线侧以各自100%的范围传输有功功率，表现为ISx=Iparx=1(pu)和PS=Ppar=1(pu)。考虑输入配电和系统本身容量的限制，SPA-REPR最大可传输200%的有功功率，突破了传统路由器有功功率100%的传输界限。
由仿真结果可知，APDFFC通过调节kp，可灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率，使SPA-REPR在GOM、IOM和FOM三种模式下自由切换。此外，由于uSx=uLx，使得变压器端电压UCx=0，因此SC输出的有功功率Pser始终为零。
为体现RPDFFC的控制作用，负荷容量由1(pu)+j1(pu)变化到1(pu)+j1.2(pu)，系统功率流柔性运行仿真结果如图12所示，其中uSx保持不变，而uLx在δ的作用下，其相位将发生变化。
图12 无功功率流柔性运行仿真
Fig.12 Flexible operation simulation of reactive power flows
1）IOM [0.1s, 0.2s]：QL=1(pu)，δ=0°，kq=0
由于δ=0°，使得uLx与uSx的相位一致，变压器电压UCx=0。同时，电网为负荷传输全部的有功功率，输入电流IS等于负荷有功电流ILP，满足：ISx=0.71(pu)（即IS=ILp=ILcos45°），PS=PL=1(pu)，Pser=Ppar=0。负荷的无功功率全部由PC补偿，满足：Iparx=ILq =0.71(pu)，Qpar=QL=1(pu)，QS=Qser=0。
2）FOM [0.2s, 0.3s]：QL=1(pu)，δ=5.74°，kq=0.1
该时间段内负荷容量不变，但在RPDFFC控制下，δ由0°变为5.74°（即kq由0变为0.1），导致uLx超前于uSx的相位5.74°，其电压差由变压器承担，即UCx=0.1(pu)，而流过变压器的电流iSx保持不变，因此SC将同时传输有功功率和无功功率，其值为Pser=-0.005(pu)和Qser=0.1(pu)，与式（13）和式（16）的计算结果一致。有功功率方面，SC从网侧吸收有功功率0.005(pu)，并通过PC提供给负荷（Ppar=-Pser）；无功功率方面，负荷无功功率由SC和PC联合传输，其中SC传输0.1(pu)，PC传输0.9(pu)，因此Iparx由0.71(pu)下降至0.64(pu)，与式（15）的计算结果一致。可见，控制δ可改变SC和PC之间无功功率的配比关系，从而实现无功功率的柔性运行。
3）FOM [0.3s, 0.4s]：QL=1.2(pu)，δ=11.48°，kq=0.166
当QL增加到1.2(pu)时，ILx相应增加到1.1(pu)，而PC的最大无功传输能力为Qparmax=1(pu)，为此需控制δ=11.48°，使得SC传输Qser=0.2(pu)的无功功率。此时，uLx超前于uSx的相位11.48°，导致UCx增加到0.2(pu)。相应的，SC吸收有功功率0.02(pu)，并通过PC提供给负荷。可见，SPA-REPR最大可传输120%的无功功率，突破了传统路由器无功功率100%的传输界限。
由仿真结果可知，在SC的控制下iSx与uSx始终保持同相位，说明电网只传输有功功率（即QS=0），且满足PS=PL=1(pu)，因此在整个仿真过程中，有功功率运行于GOM模式。对于无功功率而言，RPDFFC通过控制δ，可灵活配比SC与PC之间的无功功率，使SPA-REPR在IOM和FOM两种模式下自由切换。
以负荷容量1(pu)+j1(pu)为例，控制kp和δ，使SPA-REPR的有功和无功功率同时实现柔性运行，其仿真结果如图13所示。
1）GOM+IOM [0.1s, 0.2s]：kp=1，δ=0°，kq=0
对该时间段系统仿真结果的分析与4.2节一致，负荷的有功和无功功率分别由电网和PC提供。
2）FOM [0.2s, 0.3s]：kp=0.7，δ=5.74°，kq=0.1
当δ=5.74°时，为保证PC的视在功率Spar≤1（PC按照1(pu)容量设计）,设置kp=0.7，从而ISx= 0.49(pu)，PS=0.7(pu)。此外，变压器承受0.1(pu)电压，且与iSx之间存在相位差，因此SC传输0.07(pu)的无功功率。为满足负荷的功率需求，PC向负荷传输0.3(pu)有功功率的同时，还需传输0.93(pu)的无功功率。
图13 有功和无功功率流柔性运行仿真
Fig.13 Flexible operation simulation of active and reactive power flows
上述仿真结果与理论分析一致，验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。由此可见，基于本文所构建的串并联架构和所提出的双自由度功率流柔性控制策略，电路由器能够实现功率流的“两个突破”，为其大功率能量柔性传输提供新颖的设计思路和解决方案。
本文通过增加一条并联能量流动通道，构建出一种串并联架构区域电能路由器，可突破传统区域电能路由器100%能量传输和无功功率刚性运行的双重界限。对新型路由器的功率流运行机理进行了深入研究，并根据其能量传输特性给出了三种运行模式及其功率流计算方法，可推导出串联和并联变换器在不同运行模式下功率的流向和大小，揭示了路由器的运行现象与规律。为实现该路由器的柔性运行，提出双自由度功率流柔性控制策略，通过串联和并联变换器分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位的自由度，从而灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率及串联与并联变换器之间的无功功率。仿真结果与理论分析一致，验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。
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Flexible Operation and Power Flow Control Strategies for Series-Parallel Architecture Region Electric Power Router
Abstract Electric power router (EPR) is a core equipment in the energy internet and an important symbol of the next generation smart grid. Due to the limitation of topology architecture, the traditionalregion EPR (REPR) has the disadvantages of limited loading capacity and inability of flexible operation for the reactive power. To this end, this paper intends to build a new type of REPR with a series and parallel architecture (SPA-REPR). By adding a parallel energy flow path, it will break the double limits of the traditional EPR's 100% energy transmission and the reactive power rigid operation. The power flow flexible operation mechanism of SPA-REPR is analyzed, the calculation method of power flow in different operation modes is given, so that its operation law is clarified. To realize the active control for system's energy, a two-degree-of-freedom power flow flexible control strategy (TDF-PFFCS) is proposed to control the TDFs of the AC grid input current amplitude and output AC bus voltage phase angle, so as to flexibly match the active power between the AC grid and the DC bus and the reactive power between the series and parallel converters. As a result, without increasing the system capacity and AC input power distribution, the transmission targets of 200% active power and 120% reactive power can be achieved, which provides novel design ideas and solutions for EPRs to achieve high-power energy flexible transmission.
keywords：Energy internet, electric power router, power flow, flexible operation, two-degree-of-freedom
中图分类号：TM 721
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90442
国家自然科学基金（62003297）、河北省自然科学基金（E2020203192）、河北省博士后择优项目（B2019003024）和秦皇岛市科技支撑计划项目（201902A225）资助项目。
收稿日期 2020-07-11
改稿日期 2020-10-11
赵晓君 男，1985年生，博士，讲师，研究方向为电能路由器系统运行及其控制、新能源发电变流器及其控制等。E-mail：zhaoxiaojun@ysu.edu.cn
张纯江 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为新能源分布式并网发电及控制、电力电子高频功率变换等。E-mail：zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）
（编辑 赫蕾）