0 引言

分布式电源发电及各类常用负荷的供电均具有直流属性，采用直流配电可以减少变换环节，提升能源转换效率；此外，直流配电在减小传输损耗及安全可靠性等方面优势显著^[1-2]。目前低压直流系统已应用于机房、工业系统等诸多场合，随着绿色建筑的发展，在建筑中采用直流方式进行新能源消纳和负荷供电也成为低压直流应用的1个典型场景^[3]，其优势在于可以更便捷地通过新能源消纳和储能配合的方式使整体建筑呈恒功率性，降低负荷的峰谷差^[4]。但在建筑中重新设计直流配电线路面临着工作量大、配置复杂等问题。本文研制了一种兼容交流电网、分布式能源及储能输入并可输出交直流电的户用能量路由装置，在此基础上提出了户用储能的容量配置原则，并分析能源管理策略的基本原理，为建筑内低压直流配电提供参考。

1 户用能量路由装置结构 1.1 整体结构

户用能量路由装置主要由功率变换子系统、监控及保护子系统组成。为实现光伏模块、储能单元和市电电网之间的能量互动，设计4个接口，包括双向市电接口、光伏输入接口、储能双向接口及直流输出接口。作为直流配电系统的入户装置，户用能量路由器除可为室内交直流负荷供电外，还可以实现削峰填谷、负荷响应等多种控制策略。该装置还具备0.5 h的整体负荷电力供应能力和额外2 h的重要负荷供电能力。

该装置功率及运行电压可根据实际需求进行调节，目前可运行电压等级为直流220 V和375 V两级。为满足室内负荷需求，单台装置功率等级设计为6 kW，可通过多台装置组合进行扩容。

1.2 功率变换子系统

为了增强装置的可控性和可靠性，设计时考虑了与电网的互动性，因而功率变换子系统包括交直流双向变换模组、光伏变换模组和储能双向变换模组，如图 1所示。

直流母线是装置中所有光伏模块、电网、直流负荷和储能单元的汇集点，因此，直流母线电压受这些要素的综合影响^[5-6]。无论是并网还是孤岛模式，本装置的直流母线电压波动保持在额定电压15%的限值内。在该装置中，储能单元被定义为响应速度最快的组件，其次是光伏模块和交流电网，最后是运行中的可控事件，如减载和限功率。

1.3 监控及保护子系统

由于装置内部不同功率变换子系统及光伏设备、储能设备、负荷均运行在同一直流母线上，每一个节点均可向总线注入或提取电流，因而需要考虑装置整体的协调控制和保护^[7]。本装置中的过电流保护动作由熔断器和断路器组合完成。过电压保护动作由监控系统完成，首先判断过电压原因并锁闭相应支路，如果无法明确原因则锁闭过压母线所有电源支路。装置内部具有绝缘监查功能，利用非平衡电桥进行检测，在各个直流支路加装了漏电流传感器，根据漏电流检测结果可以进行绝缘下降选线，并发出报警信号^[8]。

2 储能单元容量配置 2.1 负荷分类

储能单元蓄电池及光伏模块的功率和容量需要根据实际情况进行配置，储能单元的整体容量根据其独立供电的极端情况下维持负荷工作所需时间来确定。以某住宅模型为例进行说明。首先将家庭用电负荷按供电需求分为常规负荷、重要负荷及随机负荷，常规负荷包括冰箱、空调、空气净化器等持续性负荷，重要负荷包括监控装置、电脑等，并统计了负荷系数。负荷分类及供电需求如表 1所示。

2.2 容量计算

储能单元采用铅酸蓄电池，由20个电压12 V单节蓄电池组成，其容量根据阶梯负荷公式计算：

(1)

式中：C_Cn为第n阶段蓄电池放电容量；K_k为可靠系数，约等于1.4；K_Ci为第i阶段放电终止时的换算系数；I_i为第i阶段负荷电流。停电初期，储能单元供所有负荷工作0.5 h。0.5 h后，按负荷要求，只对重要负荷供电，供电上限为2 h。据此将放电时间分2个阶段，第一阶段：0~0.5 h，第二阶段：0.5~2 h。

由K_C1=0.92 h^-1，I₁=14.32 A，K_C2=0.4 h^-1，I₂=6.14 A计算可得：

(2)

经计算，C_C2的最小值为50.43 Ah。

随机负荷容量计算公式如下：

(3)

式中：I_R为随机负荷电流，取2.27A；K_R是随机负荷的容量换算系数，取为0.55 h^-1，计算得C_R=4.13 Ah。蓄电池的计算容量C_C为随机负荷容量C_R与C_C2的和，为54.56 Ah。考虑一定裕度和电池产品实际情况，蓄电池容量可设计为60~75 Ah。

2.3 储能双向变换器设计

储能双向变换模组采用两相并联交错Buck/ Boost双向功率电路设计，两个交错电路开关器件导通信号相位相差180°，与传统Buck/Boost电路相比，电感总谐波电流的频率提高1倍，纹波率大幅下降且与占空比有关^[9]。储能双向变换器电路拓扑结构如图 2所示。

为了实现母线侧电压稳定和蓄电池长时间充放电控制，设计一种新型数字式精确恒压、恒流、恒功率双向变换器控制策略，如图 3所示。通过电压环、电流环实现输出电压、电流的精确调节和限制，通过功率控制实现电池的长时间恒定功率充放电。以电池放电为例，当母线负载所需功率增量大于当前条件下电池最大输出功率时，控制电池输出最大功率；当负载所需功率增量小于电池最大输出功率时，控制电池快速精确输出电压或电流，以保证直流母线电压快速恢复至设定值。

3 控制方案及运行策略 3.1 控制方案

户用能量路由装置的控制方案主要目标是维持直流母线电压在合理区间。当前比较常用的做法是使用下垂控制，在控制回路中提供阻尼，从而使每个功率模块按照一定的比例分担母线功率^[10]。该方案可实现较为精确的功率平衡和优化控制，系统较复杂。对于户用级设备则采用更加简单、可靠的分散控制方案，其中装置内的每个变换模组可独立控制，并且相互之间不进行通信。

3.2 运行策略

装置内各组成部分的运行优先级为储能单元＞光伏模块＞交流电网＞负荷，即储能单元首先响应直流母线电压的所有变化，光伏不足时储能单元提供电力供应。第二优先级为光伏模块，当光伏模块发电功率低于客户需求时，采用最大功率点跟踪模式，目的是使光伏模块输出功率达到最大；当光伏模块发电功率大于负载时，光伏模块输出电压为母线电压，光伏模块作为系统中的一次能源优先供给用户负荷。第三优先级为交流电网，交流电网通过提供或吸收所需功率来平衡装置的输入、输出功率，从而影响直流母线电压，使发电、用电趋于平衡^[11-12]。直流负荷根据装置运行状态投入或切除。装置内各子系统的运行控制策略如表 2所示。

4 性能测试

在某住宅安装额定功率的光伏模块和储能单元，并接入户用能量路由装置，测试其在实际应用中的运行情况。光伏模块功率大于负荷时，母线电压维持在250 V左右，光伏模块提供负荷消耗的功率并对储能单元进行充电，若储能单元充满电则进行逆变上网；光伏模块和储能单元功率相加小于负荷时，母线电压维持在220 V左右，电网对负荷进行供电并对储能单元进行充电。某天午后时间段内的户用能量路由装置母线电压变化及能量转换情况分别如图 4和图 5所示。由图 5可知，当光伏模块发电充足时，可满足负荷供电需求，且多余电量可供储能单元充电，此时储能单元和交流电网放电功率均接近于0。

5 结束语

随着低压直流配电技术的发展、户用屋顶光伏发电模式的推广及家电产品直流化供电的技术驱动，建筑内部逐渐出现直流供电的需求。户用能量路由装置作为户用级别的低压直流配电装置，通过多模组电力电子变换实现了包括电网、光伏模块、储能单元及交直流负荷之间的能量互动，结合相应的监控系统和保护设备，可有效提升低压直流配电的灵活性和可靠性，为用户侧通过低压直流配电实现分布式新能源的高效消纳提供了切实可行的技术手段。