CN108767843A - 多端口能量路由器 - Google Patents
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Abstract
一种多端口能量路由器，其特征在于，首先提出双直流母线的正负环网，即正负375V直流环网母线，目的是为构建出375V/750V双直流母线系统；通过第四端口隔离直流变换器与储能设备协调运行，实现平抑375V/750V双直流母线系统中两条直流母线功能，提高系统供电质量，同时通过对第四端口隔离直流变换器的两个端口功率控制，实现两条直流母线的电能交互，保持两条直流母线在不同负载下仍能够维持在375V和750V；在构建的375V/750V双直流母线系统上，由若干不同的变换器作为端口将公共电网、风力发电、储能设备、光伏发电、交流负载、直流负载连接起来，再通过能量管理器控制各个端口协调运行。
Description
技术领域
本发明所属直流微电网和能源互联网领域，涉及多端口能量路由器产品开发。
背景技术
借鉴Internet中数据交换设备“路由器”的设计理念，“能量路由器”的概念也被提了出来，能源互联网在能源接入、能源控制和能量传输方面的研发开始活跃起来，以能够实现能源网络互联、调度和控制。
能量路由器是能源互联网的关键技术，是一种在现有电网基础上，基于先进的电力电子技术和信息网络技术，提供灵活多样的电气接口，实现大量分布式可再生能源发电设备、储能设备、各种用电负载接入电网，并且具有通讯和智能决策能力，实现对电力网络能量流、信息流主动管理的智能电力设备。
未来能源互联网将呈现交流电网、直流电网和交直流混合电网并存的形态，能量路由器在不同的电网组网中，要实现交流电、不同电压等级的直流电并网。
路由器进行研究探索，还没有统一的实施标准。
关于能量路由器尚没有成熟的产品，当前大多为实验样机阶段，现阶段的技术主要有以下两种：
一、采用多端口的高频变压器，通过高频变压器的控制实现产品多个端口的能量交互。该方法存在变压器制造难度大，功率小、效率低的缺点。
二、将多个电力电子装置使用一条直流母线连接，通过对多个电力电子装置的控制实现多个端口的能量交互。该方法的缺点是当大功率情况下，如果源节点和负载节点的距离较大，会产生较大的电流损耗、发热严重，同时会增加制造成本。另外单一直流母线只能支持与之相应电压等级的设备，设备兼容性差。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，公开一种多端口能量路由器产品设计。
本发明技术方案的设计实现，首先提出双直流母线的正负环网，即正负375V直流环网母线，目的是为构建出375V/750V双直流母线系统；通过第四端口隔离直流变换器与储能设备协调运行，实现平抑375V/750V双直流母线系统中两条直流母线功能，提高系统供电质量，同时通过对第四端口隔离直流变换器的两个端口功率控制，实现两条直流母线的电能交互，保持两条直流母线在不同负载下仍能够维持在375V和750V；在构建的375V/750V双直流母线系统上，由若干不同的变换器作为端口将公共电网、风力发电、储能设备、光伏发电、交流负载、直流负载连接起来，再通过能量管理器控制各个端口协调运行。
技术方案：
一种多端口能量路由器，其特征在于，包括第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器、能量管理器、两个直流母线，通过内部连接将正负直流母线连接为正负环网，即正负375V直流环网母线；所述第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器通过各自的连接端口接入两个环状直流母线进行能量交互，并通过通讯总线与能量管理器连接进行能量管理。
整体设计集成在柜体内，可以提供两种不同电压等级的直流母线，即750V和375V。所述能量管理控制器用于检测所述两直流母线的实时电压，维持两者电压两倍关系。通过六个不同的变换器和能量管理器可以将公共电网、风力发电、储能设备、光伏发电、交流负载、直流负载协调控制运行。
所述的第四端口隔离直流变换器，该变换器包括前级部分的CL-LLC变换器电路、后级部分的多路DCDC变换器电路、控制器，所述控制器包括PI控制器、PWM模块1、PWM模块2，其中，
所述前级的CL-LLC变换器电路，其输入端与储能设备连接，其输出端与所述后级的多路DCDC变换器连接，为后级提供稳定的直流电压；
所述后级的多路DCDC变换器电路设计有桥结构、两个电感和两个电容，其通过电感与所述端口电路连接；全桥电路的第一个桥臂中点与一组电感串联组成一个输出端口，另外一个桥臂中点与另外一组电感电容串联组成另外一个输出端口，两组电容的负端与桥臂负端相连，形成公共接口；左边桥臂和与之连接的电感电容组成一组回路，通过对桥臂的开关管控制，实现输出电压、电流控制；右边桥臂和与之相连的电感电容组成另一组回路，通过对桥臂开关管的控制，实现输出电压、电流控制，两组回路独立运行，相互不产生影响；
所述控制器包括母线电压自动恒压控制模块，母线电压自动恒压控制模块用于实现当母线电压大于允许值时隔离直流变换器转为充电运行，当检测到母线电压小于允许值时隔离直流变换器转换为放电运行；
所述能量管理控制器检测到两条母线电压发生倍数偏离，即750V母线或者375V母线出现电压偏离时，控制器通过闭环控制发送不同的控制指令给后级的多路DCDC变换器电路，将两个输出接口强制设置为750V、375V，以维持两条母线的倍数关系。
母线电压自动恒压控制模块的算法过程具体为：
当母线电压大于充电状态下垂算法低压边界值、并且小于母线高压待机阈值、同时电池侧电压小于电池高压待机阈值时，变换器工作在充电状态，能量从高压母线流向低压电池，充电电流为下垂算法所得(该算法为本领域已有技术)。当母线电压大于充电状态下垂算法高压边界值时，充电电流为设置的最大充电电流。
当母线电压小于放电状态下垂算法高压边界值、并且大于母线低压待机阈值、同时电池侧电压大于电池低压待机阈值时，变换器工作在放电状态，能量从低压电池流向高压母线，放电电流为下垂算法所得。当母线电压小于放电状态下垂算法低压边界值时，放电电流为设置的最大放电电流。
当母线电压大于高压保护阈值，或者母线电压小于低压保护阈值，或者电池电压大于高压保护阈值，或者电池电压小于低压保护阈值时，变换器保护停机。
当母线电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者母线电压在充电状态下垂电压下边界与放电状态下垂电压上边界之间，或者母线电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间，或者电池电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者电池电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间时，变换器处于待机状态，储能设备的电池与母线之间没有能量交换。
变换器控制器通过负序电流控制软件，将负序电流控制为0，以保持两条环网的电压倍数稳定，所述负序电流控制软件为：
V750为“-375V”母线与“375V”母线之间的实时电压差，V375为“375V”母线实时电压，Ip3为“共用”接口3的负序电流。控制器将“375V”母线电压值乘以2与“750V”电压求差，将差值再与负序电流求和。将这个差值经过PI控制器以后发给PWM模块1用于控制直流变换器“-375V”接口1的电流。将这个差值经过以下公式计算后发给PWM模块2用于控制“375V”接口2的电流。
其中Icmd为发送给PWM模块2的控制指令，ΔI为PI控制器输出。
能量管理器通过对第四端口隔离直流变换器和第三端口模块化风电变换器协调 控制，实现风力发电低电压穿越和高电压穿越功能。当第四端口隔离直流变换器检测到V4高于Vdmax时，第四端口隔离直流变换器自动转入充电模式，以消耗多余的风电电能，此时第三端口模块化风电变流器仍然可以正常使用。
能量管理器通过对第三模块化风电变流器、第五隔离光伏变换器和第一双向模块化换流器的协调控制，优先使用可再生能源，当可再生能源大于负荷时，先将电能存储在储能设备中，其次将余电通过双向模块化换流器馈送至电网。
能量管理器采用闭环反馈控制，将实际反馈到电网的功率值P1与P1ref、PWT和PPV求差后输入PID控制器，然后将PID控制器的输出功率指令值发给第四端口隔离直流变换器，用于控制储能设备电池的充放电运行。PID控制器输出为正时，控制储能设备放电运行，控制器输出为负时，控制储能设备充电运行。将第四端口隔离直流变换器近似等效为二阶系统如下：
其中S为拉普拉斯的微分算子，Kp＝4，Ki＝60，Kd＝2，代入，
所以系统的开环传递函数为：
P1＝Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P4+P5+P6+P7
则：
P4＝P1-(Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P5+P6+P7) 式(1-1)
其中：
Perr＝P1ref-PWT-PPV
P1ref为反馈到电网的功率指令值，
P1为实际反馈到电网的功率，
PWT为采集到的风速经过风功率预测模型后的预测功率值与实际功率差值，
PPV为光照经过光功率预测模型后的预测光功率值与实际功率差值。
当电池容量小于20％时，只允许充电。当电池容量大于90％时，只允许放电。如果此时实际馈网的功率大于目标功率P1ref(馈网为负值，所以判断条件为P1ref<P1)时，将限制第三端口模块化风电变流器的端口3(风电)和第五端口隔离光伏变换器的端口5(光伏)输出功率。当电池容量在20％和90％之间时，能量管理系统根据实时计算的第四端口隔离直流变换器P4值给储能设备电池控制器功率指令，控制电池充电或者放电运行。当设置为光伏优先时，会限制风电功率，当设置为风电优先时将限制光伏功率。
能量管理控制器通过控制第七端口7的能量，可以实现两个多端口的能量路由器系统产品的并联运行。将能量路由器2的能量管理控制器通过EtherCAT总线与能量路由器1能量管理控制器进行连接。当能量路由器1产生的电能超过负载所需且储能设备电池已经充满时，此时多余的电能不允许馈网(公共电网故障或者电网不允许馈网)或者馈网电能已经达到极限，通过第七端口7将多余的电能发送给能量路由器2使用。系统软件处理流程图11，其中V4max为第四端口的最大允许电压，P1max为第一端口模块化换流器端口1与公共电网连接时的最大允许功率。
有益效果
1.能够同时接入风电、光伏、储能、交流负载、直流负载以及公共电网，并协调运行各个微源与负荷。
2.采用双直流母线结构，能够直接兼容375V和750V两种电压等级的设备。
3.采用环网结构，避免一段直流线路出现问题，造成整个设备故障停机，提高产品供电稳定性；同时减小了母线上同一方向流过的电能，减小母线发热，降低母线制造成本。
4.可以通过其中的第七端口7并联使用，扩大产品容量。
5.将电能电路和系统能量控制功能高度集成，产品具备智能化功能，使用方便。
附图说明
图1能量路由器系统结构图
图2为本发明系统中第四端口隔离直流变换器结构拓扑图
图3为本发明自动平抑母线波动控制策略原理图
图4为本发明自动平抑母线波动软件实现算法流程图
图5为本发明负序电流控制软件原理图
图6第四端口隔离直流变换器和第三端口模块化风电变换器协调控制
图7第四端口隔离直流变换器和第三端口模块化风电变换器协调控制软件流程
图8为产品能量管理器自动算法原理图
图9系统能量管理器软件的控制流程图
图10多端口能量路由器之间构建的系统示意图
图11并联运行的多个多端口能量路由器系统软件处理流程图
图12离网逆变器系统示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步介绍。
实施例1
一种七端口能量路由器产品
产品包括六种不同功能的变换器(变换器来源可根据功能需要选购，变换器自身的设计不是本发明技术方案实现的关键)、能量管理器、以及正负直流母线，组成了正负双环网直流母线系统，该产品整体设计集成在柜体内，可以提供两种不同电压等级的直流母线，即750V和375V。通过六个不同的变换器和能量管理器可以将公共电网、风力发电、储能设备、光伏发电、交流负载、直流负载协调控制运行。
如图1所示，本发明系统包括第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器、能量管理器、两个直流母线，通过内部连接将正负直流母线连接为正负环网，即正负375V直流环网母线；
所述第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器通过各自的连接端口接入两个环状直流母线进行能量交互，并通过通讯总线与能量管理器连接进行能量管理；
以上各个换流器、逆变器和变换器硬件本身(除第四隔离直流变换器硬件外)，不是本发明技术方案关键的创新点，可以根据功能需要选购已有产品。
以下详细描述。
直流母线环网、系统能量管理控制器
所述两直流母线的电压，呈两倍关系，可用于与各类灵活多样的电气接口或者电力电子装置连接，实现大量分布式可再生能源发电设备、储能设备(电池)、各种用电负载接入电网或者多个端口能量的交互；
所述能量管理控制器用于检测所述两直流母线的实时电压，维持两者电压两倍关系。
第一端口模块化换流器
所述第一端口模块化换流器，其选购双向模块化换流器，双向模块化换流器不仅可以将三相交流电转换为直流电，也可以将直流电逆变为交流电。能量管理器通过控制该双向模块化换流器，实现并联公共电网/脱离公共电网运行，并通过该双向模块化换流器提供正负直流母线。双向模块化变换器同时将直流母线的中间点引出，形成正负375V的双直流母线。当电网发生故障时，双向模块化换流器从电网切出，使得本发明产品进入离网运行模式，当电网故障恢复后，双向模块化换流器切入连接上电网，本发明产品进入并网运行模式。
通过第一端口模块化换流器提供两种电压等级的直流母线，即750V和375V。
第二端口模块化离网逆变器
本端口离网逆变器是由三相全桥、三相电感和星三角变压器组成，如图12所示，用于实现直流电逆变为三相交流电的功能，此本端口采用的技术为已知技术。该端口可以直接连接交流负载，通过能量管理器协调电能向负载流动。
第四端口隔离直流变换器
如图2所示第四端口隔离直流变换器结构拓扑图，在母线-375V和母线375V之间串接两个电容，两个电容的中心连接点作为母线的中性点。
所述的第四端口隔离直流变换器，该变换器包括前级部分的CL-LLC变换器电路、后级部分的多路DCDC变换器电路、控制器，所述控制器包括PI控制器、PWM模块1、PWM模块2，其中，
所述前级的CL-LLC变换器电路(为一种双向隔离直流变换器设备，该类设备已为本领域已知成熟结构)，其输入端与储能设备连接，其输出端与所述后级的多路DCDC变换器连接，为后级提供稳定的直流电压。
所述后级的多路DCDC变换器电路设计有桥结构、两个电感和两个电容，其通过电感与所述端口电路连接；全桥电路的第一个桥臂中点与一组电感串联组成一个输出端口(本实施例可以命名为：“-375V”接口1)，另外一个桥臂中点与另外一组电感电容串联组成另外一个输出端口(本实施例可以命名为：“375V”接口2)，两组电容的负端与桥臂负端相连，形成公共接口。左边桥臂和与之连接的电感电容组成一组回路，通过对桥臂的开关管控制，实现输出电压、电流控制。右边桥臂和与之相连的电感电容组成另一组回路，通过对桥臂开关管的控制，实现输出电压、电流控制；两组回路独立运行，相互不产生影响。
所述控制器包括恒压模式控制模块、恒流模式控制模块、母线电压自动恒压控制模块，所述恒压模式控制模块、恒流模式控制模块为本领域常规的恒压、恒流模式控制技术，说明书中不再赘述。
所述母线电压自动恒压控制模块用于实现当母线电压大于允许值时第四端口隔离直流变换器转为充电运行，当检测到母线电压小于允许值时第四端口隔离直流变换器转换为放电运行。算法过程具体为：
当变换器工作在自动双向模式(母线电压升高时控制器充电运行，反之放电运行)时，变换器根据母线电压判断变换器工作状态:
当母线电压大于充电状态下垂算法低压边界值、并且小于母线高压待机阈值、同时电池侧电压小于电池高压待机阈值时，变换器工作在充电状态，能量从高压母线流向低压电池，充电电流为下垂算法所得(该算法为本领域已有技术)。当母线电压大于充电状态下垂算法高压边界值时，充电电流为设置的最大充电电流。
当母线电压小于放电状态下垂算法高压边界值、并且大于母线低压待机阈值、同时电池侧电压大于电池低压待机阈值时，变换器工作在放电状态，能量从低压电池流向高压母线，放电电流为下垂算法所得。当母线电压小于放电状态下垂算法低压边界值时，放电电流为设置的最大放电电流。
当母线电压大于高压保护阈值，或者母线电压小于低压保护阈值，或者电池电压大于高压保护阈值，或者电池电压小于低压保护阈值时，变换器保护停机。
当母线电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者母线电压在充电状态下垂电压下边界与放电状态下垂电压上边界之间，或者母线电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间，或者电池电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者电池电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间时，变换器处于待机状态，储能设备的电池与母线之间没有能量交换。
软件控制算法，是基于控制策略原理如图3所示，其中
| BUS_HV_standby | 母线高压电压待机阈值 |
| BAT_I_MAX | 电池最大电流 |
| BUS_V_Hh_droop | 母线电压充电下垂高端 |
| BUS_V_HI_droop | 母线电压充电下垂低端 |
| BUS_V_Lh_droop | 母线电压放电下垂高端 |
| BUS_V_Lh_droop | 母线电压放电下垂低端 |
| BUS_LV_standby | 母线低压电压待机阈值 |
图4中，充电下垂关系式为：
I_BAT＝(U_BUS-BUS_V_Hl_droop)*BAT_I_MAX/(BUS_V_Hh_droop-BUS_V_Hl_droop)；
放电下垂关系式为:
I_BUS＝(BUS_V_Lh_droop-U_BUS)*BUS_I_MAX/(BUS_V_Lh_droop-BUS_V_Ll_droop)
其中
| I_BAT | 电池电流 |
| U_BUS | 母线电压 |
| BUS_V_Hh_droop | 母线电压充电下垂高端 |
| BUS_V_HI_droop | 母线电压充电下垂低端 |
| BUS_V_Lh_droop | 母线电压放电下垂高端 |
| BUS_V_Lh_droop | 母线电压放电下垂低端 |
| BAT_I_MAX | 电池最大电流 |
| BUS_I_MAX | 母线最大电流 |
以上母线电压自动恒压控制模块算法关键在于：
1.实时监测直流母线电压，并根据母线电压状态自动选择相应的运行模式；
2.实时监测储能设备电池电压，并根据储能设备电池电压限定充放电电流，保持电池设备安全稳定运行；
3.设定直流母线滞回区间，在滞回区间内产品自动进入待机模式，减小对直流母线的干扰。同时在母线波动至运行区间时，产品自动激活并进入相应的运行模式。
所述能量管理控制器检测到两条母线电压发生倍数偏离，即375V母线或者-375V母线出现较大的电压偏离时，控制器通过图5所示的闭环控制发送不同的控制指令给后级的多路DCDC变换器电路，将两个输出接口强制设置为375V、-375V，以维持两条母线的倍数关系。具体的实现方法如下：
如图2所示在本发明的第四端口隔离直流变换器的输出端连接了一个全桥电路，将全桥两个桥臂的中性点分别与电感连接构成两个输出端口。两个端口共用一条直流母线，且两个端口双向独立运行，多路DCDC变换器电路可以对两个端口(“-375V”接口1、“+375V”接口2)电流和电流方向独立控制，实现两条环网母线之间的电流交互。第四端口隔离直流变换器的“共用”接口3与两个环网母线电容的中性点连接，当两条母线电压不再呈两倍数关系时，将在此中性点产生负序电流，本发明系统能量管理控制器检测到中性点的负序电流时，变换器控制器通过负序电流控制软件，将负序电流控制为0，以保持两条环网的电压倍数稳定。
所述负序电流控制软件的原理图5所示：
V750为“-375V”母线与“375V”母线之间的实时电压差，V375为“375V”母线实时电压，Ip3为“共用”接口3的负序电流。控制器将“375V”母线电压值乘以2与“750V”电压求差，将差值再与负序电流求和。将这个差值经过PI控制器以后发给PWM模块1用于控制直流变换器“-375V”接口1的电流。将这个差值经过以下公式计算后发给PWM模块2用于控制“375V”接口2的电流。
其中Icmd为发送给PWM模块2的控制指令，ΔI为PI控制器输出。
能量管理器通过对第四端口隔离直流变换器和第三端口模块化风电变换器协调
控制，实现风力发电低电压穿越和高电压穿越功能
如图6、图7所示。
当公共电网(Vg)发生故障跌落时，风力发电机组发出的电能无法通过第一端口模块化换流器馈到公共电网，会造成本发明系统直流母线电压升高。
当第四端口隔离直流变换器检测到V4(见图6)高于Vdmax(Vdmax是本发明系统直流母线最大允许值)时，第四端口隔离直流变换器自动转入充电模式，以消耗多余的风电电能，此时第三端口模块化风电变流器仍然可以正常使用。电网电压升高时，处理方式相同。
以上，不同于本领域已有的直流泄荷方式，本发明在出现低电压穿越或者高电压穿越时第三端口模块化风电变流器脉冲不封锁，风电机组可以一直正常运行，能够提高电网故障时的电能质量，同时将多余的电能存储到储能设备电池，能够回收电能，最大化的利用风电资源。
能量管理器通过对第三模块化风电变流器、第四隔离直流变换器、第五隔离光伏
变换器和第一双向模块化换流器的协调控制，优先使用可再生能源
图8为能量管理器自动算法原理图，能量管理控制器首先采集各个变换器的电压、电流和功率等参数信息。能量管理器通过对第三模块化风电变流器、第五隔离光伏变换器和第一双向模块化换流器的协调控制，优先使用可再生能源，当可再生能源大于负荷时，先将电能存储在储能设备中，其次将余电通过双向模块化换流器馈送至电网。图8中：
P1ref为反馈到电网的功率指令值，
P1为实际反馈到电网的功率，
PWT为采集到的风速经过风功率预测模型(本领域已知模型)后的预测功率值与实际功率差值，
PPV为光照经过光功率预测模型(本领域已知模型)后的预测光功率值与实际功率差值。
能量管理器采用闭环反馈控制，将实际反馈到电网的功率值P1与P1ref、PWT和PPV求差后输入PID控制器，然后将PID控制器的输出功率指令值发给第四端口隔离直流变换器，用于控制储能设备电池的充放电运行。PID控制器输出为正时，控制储能设备放电运行，控制器输出为负时，控制储能设备充电运行。将第四端口隔离直流变换器近似等效为二阶系统如下：
其中S为拉普拉斯的微分算子，Kp＝4，Ki＝60，Kd＝2，代入，
所以系统的开环传递函数为：
P1＝Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P4+P5+P6+P7
则：
P4＝P1-(Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P5+P6+P7) 式(1-1)
其中：
Perr＝P1ref-PWT-PPV
能量管理器软件的控制流程，见图9：
①当电池容量小于20％时，只允许充电。
②当电池容量大于90％时，只允许放电。如果此时实际馈网的功率大于目标功率P1ref(馈网为负值，所以判断条件为P1ref<P1)时，将限制第三端口模块化风电变流器的端口3(风电)和第五端口隔离光伏变换器的端口5(光伏)输出功率。
③当电池容量在20％和90％之间时，能量管理系统根据实时计算的第四端口隔离直流变换器P4值给储能设备电池控制器功率指令，控制电池充电或者放电运行。
④当设置为光伏优先时，会限制风电功率，当设置为风电优先时将限制光伏功率。
第六端口交错式直流变换器
所述第六端口交错式直流变换器，电压变换范围12V～375V，能够满足不同负载电压等级应用。
第七端口
所述第七端口7为直流母线连接端子，可以直接与其他能量路由器进行连接。
能量管理控制器通过控制第七端口7的能量，可以实现两个多端口的能量路由器系统产品的并联运行。如图10所示。
将能量路由器2的能量管理控制器通过EtherCAT总线与能量路由器1能量管理控制器进行连接。当能量路由器1产生的电能超过负载所需且储能设备电池已经充满时，此时多余的电能不允许馈网(公共电网故障或者电网不允许馈网)或者馈网电能已经达到极限，可以通过第七端口7将多余的电能发送给能量路由器2使用。由于第七端口7的能量可以双向流动，能量路由器2产生的多余电能也可以发送给能量路由器1使用。
系统软件处理流程图11如下，其中V4max为第四端口的最大允许电压，P1max为第一端口模块化换流器端口1与公共电网连接时的最大允许功率。
同时，第七端口7在能量路由器两个环网母线电压的负母线过高或者过低时，如图10所示，与其并联的另一个能量路由器通过自身的母线电压将波动的能量路由器电压自动维持在稳定值。
同时，第七端口7也可以作为375V的直流母线使用，为375V设备提供供电电源。
Claims (8)
1.一种多端口能量路由器，其特征在于，包括第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器、能量管理器、两个直流母线，通过内部连接将正负直流母线连接为正负环网，即正负375V直流环网母线；所述第一端口模块化换流器、第二端口模块化离网逆变器、第三端口模块化风电变流器、第四端口隔离直流变换器、第五端口隔离光伏变换器、第六端口交错式直流变换器通过各自的连接端口接入两个环状直流母线进行能量交互，并通过通讯总线与能量管理器连接进行能量管理。
2.如权利要求1所述的多端口能量路由器，其特征在于，整体设计集成在柜体内，可以提供两种不同电压等级的直流母线，即750V和375V；所述能量管理控制器用于检测所述两直流母线的实时电压，维持两者电压两倍关系。
3.如权利要求1所述的多端口能量路由器，其特征在于，所述的第四端口隔离直流变换器，该变换器包括前级部分的CL-LLC变换器电路、后级部分的多路DCDC变换器电路、控制器，所述控制器包括PI控制器、PWM模块1、PWM模块2，其中，
所述前级的CL-LLC变换器电路，其输入端与储能设备连接，其输出端与所述后级的多路DCDC变换器连接，为后级提供稳定的直流电压；
所述后级的多路DCDC变换器电路设计有桥结构、两个电感和两个电容，其通过电感与所述端口电路连接；全桥电路的第一个桥臂中点与一组电感串联组成一个输出端口，另外一个桥臂中点与另外一组电感电容串联组成另外一个输出端口，两组电容的负端与桥臂负端相连，形成公共接口；左边桥臂和与之连接的电感电容组成一组回路，通过对桥臂的开关管控制，实现输出电压、电流控制；右边桥臂和与之相连的电感电容组成另一组回路，通过对桥臂开关管的控制，实现输出电压、电流控制，两组回路独立运行，相互不产生影响；
所述控制器包括母线电压自动恒压控制模块，母线电压自动恒压控制模块用于实现当母线电压大于允许值时隔离直流变换器转为充电运行，当检测到母线电压小于允许值时隔离直流变换器转换为放电运行；
所述能量管理控制器检测到两条母线电压发生倍数偏离，即750V母线或者375V母线出现电压偏离时，控制器通过闭环控制发送不同的控制指令给后级的多路DCDC变换器电路，将两个输出接口强制设置为750V、375V，以维持两条母线的倍数关系。
4.如权利要求3所述的多端口能量路由器，其特征在于，母线电压自动恒压控制模块的算法过程具体为：
当母线电压大于充电状态下垂算法低压边界值、并且小于母线高压待机阈值、同时电池侧电压小于电池高压待机阈值时，变换器工作在充电状态，能量从高压母线流向低压电池，充电电流为下垂算法所得；当母线电压大于充电状态下垂算法高压边界值时，充电电流为设置的最大充电电流；
当母线电压小于放电状态下垂算法高压边界值、并且大于母线低压待机阈值、同时电池侧电压大于电池低压待机阈值时，变换器工作在放电状态，能量从低压电池流向高压母线，放电电流为下垂算法所得；当母线电压小于放电状态下垂算法低压边界值时，放电电流为设置的最大放电电流；
当母线电压大于高压保护阈值，或者母线电压小于低压保护阈值，或者电池电压大于高压保护阈值，或者电池电压小于低压保护阈值时，变换器保护停机；
当母线电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者母线电压在充电状态下垂电压下边界与放电状态下垂电压上边界之间，或者母线电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间，或者电池电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者电池电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间时，变换器处于待机状态，储能设备的电池与母线之间没有能量交换。
5.如权利要求3所述的多端口能量路由器，其特征在于，变换器控制器通过负序电流控制软件，将负序电流控制为0，以保持两条环网的电压倍数稳定，所述负序电流控制软件为：
V750为“-375V”母线与“375V”母线之间的实时电压差，V375为“375V”母线实时电压，Ip3为“共用”接口3的负序电流；控制器将“375V”母线电压值乘以2与“750V”电压求差，将差值再与负序电流求和；将这个差值经过PI控制器以后发给PWM模块1用于控制直流变换器“-375V”接口1的电流；将这个差值经过以下公式计算后发给PWM模块2用于控制“375V”接口2的电流；
其中Icmd为发送给PWM模块2的控制指令，ΔI为PI控制器输出。
6.如权利要求3所述的多端口能量路由器，其特征在于，能量管理器通过对第四端口隔 离直流变换器和第三端口模块化风电变换器协调控制，实现风力发电低电压穿越和高电压 穿越功能；当第四端口隔离直流变换器检测到V4高于Vdmax时，第四端口隔离直流变换器自动转入充电模式，以消耗多余的风电电能，此时第三端口模块化风电变流器仍然可以正常使用。
7.如权利要求3所述的多端口能量路由器，其特征在于，能量管理器通过对第三模块化风电变流器、第五隔离光伏变换器和第一双向模块化换流器的协调控制，优先使用可再生能源，当可再生能源大于负荷时，先将电能存储在储能设备中，其次将余电通过双向模块化换流器馈送至电网；能量管理器采用闭环反馈控制，将实际反馈到电网的功率值P1与P1ref、PWT和PPV求差后输入PID控制器，然后将PID控制器的输出功率指令值发给第四端口隔离直流变换器，用于控制储能设备电池的充放电运行；PID控制器输出为正时，控制储能设备放电运行，控制器输出为负时，控制储能设备充电运行；将第四端口隔离直流变换器近似等效为二阶系统如下：
其中S为拉普拉斯的微分算子，Kp＝4，Ki＝60，Kd＝2，代入，
所以系统的开环传递函数为：
P1＝Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P4+P5+P6+P7
则：
P4＝P1-(Perr*Gbat*GPID+P2+P3+P5+P6+P7) 式(1-1)
其中：
Perr＝P1ref-PWT-PPV
P1ref为反馈到电网的功率指令值，
P1为实际反馈到电网的功率，
PWT为采集到的风速经过风功率预测模型后的预测功率值与实际功率差值，
PPV为光照经过光功率预测模型后的预测光功率值与实际功率差值；
当电池容量小于20％时，只允许充电；当电池容量大于90％时，只允许放电；如果此时实际馈网的功率大于目标功率P1ref(馈网为负值，所以判断条件为P1ref<P1)时，将限制第三端口模块化风电变流器的端口3(风电)和第五端口隔离光伏变换器的端口5(光伏)输出功率；当电池容量在20％和90％之间时，能量管理系统根据实时计算的第四端口隔离直流变换器P4值给储能设备电池控制器功率指令，控制电池充电或者放电运行；当设置为光伏优先时，会限制风电功率，当设置为风电优先时将限制光伏功率。
8.如权利要求3所述的多端口能量路由器，其特征在于，能量管理控制器通过控制第七端口7的能量，可以实现两个多端口的能量路由器系统产品的并联运行；将能量路由器2的能量管理控制器通过EtherCAT总线与能量路由器1能量管理控制器进行连接；当能量路由器1产生的电能超过负载所需且储能设备电池已经充满时，此时多余的电能不允许馈网(公共电网故障或者电网不允许馈网)或者馈网电能已经达到极限，通过第七端口7将多余的电能发送给能量路由器2使用；系统软件处理流程图11，其中V4max为第四端口的最大允许电压，P1max为第一端口模块化换流器端口1与公共电网连接时的最大允许功率。
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Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109494732A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-19 | 许思成 | 一种四节点能源路由器 |
| CN110190602A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-30 | 深圳市航天新源科技有限公司 | 一种便携式智能功率路由器及其控制方法 |
| CN110867897A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-06 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种多端口能量路由器多模态下的协调控制策略 |
| CN111864816A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-10-30 | 西安图为电气技术有限公司 | 一种供电控制方法、装置、电子设备及存储介质 |
| CN112398308A (zh) * | 2019-08-14 | 2021-02-23 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种多端口能量路由器及其控制系统和控制方法 |
| CN113690936A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-23 | 成都星宇融科电力电子股份有限公司 | 一种多端口的储能能量路由器 |
| CN114123338A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 山东大学 | 立方体能量路由器及其控制方法 |
| CN114204538A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种直流微电网互联变换器及其功率协调控制方法 |
| CN114204542A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-18 | 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 | 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法 |
| CN114285019A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-05 | 北京机电工程研究所 | 基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器 |
| WO2022226956A1 (zh) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 华为数字能源技术有限公司 | 一种光储系统、电源系统及高电压穿越控制方法 |
| CN116488134A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-07-25 | 北京索英电气技术股份有限公司 | 一种能源路由器 |
| CN116526445A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-08-01 | 北京索英电气技术股份有限公司 | 一种能源路由器 |
| CN116937597A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-24 | 西安西电高压开关有限责任公司 | 一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130082525A1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | GCCA Inc. | Shared Power System with Multiple Inputs |
| CN105186583A (zh) * | 2015-10-22 | 2015-12-23 | 东北大学 | 基于多智能体建模的能量路由器及其能量调度方法 |
| CN105356517A (zh) * | 2015-12-02 | 2016-02-24 | 北京国网普瑞特高压输电技术有限公司 | 家庭能量动态分配路由器、方法及家庭能量发电计划方法 |
| CN106058844A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-10-26 | 西北工业大学 | 一种用于直流微网的多端口能量路由器 |
| CN106385056A (zh) * | 2016-09-13 | 2017-02-08 | 天津理工大学 | 一种适用于高端制造企业的能源路由器 |
| CN106911130A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-06-30 | 广东工业大学 | 一种能量路由器 |
| CN107516893A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-26 | 清华大学 | 能量路由器及基于该能量路由器的发电控制方法 |
-
2018
- 2018-07-02 CN CN201810720517.6A patent/CN108767843B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130082525A1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | GCCA Inc. | Shared Power System with Multiple Inputs |
| CN105186583A (zh) * | 2015-10-22 | 2015-12-23 | 东北大学 | 基于多智能体建模的能量路由器及其能量调度方法 |
| CN105356517A (zh) * | 2015-12-02 | 2016-02-24 | 北京国网普瑞特高压输电技术有限公司 | 家庭能量动态分配路由器、方法及家庭能量发电计划方法 |
| CN106058844A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-10-26 | 西北工业大学 | 一种用于直流微网的多端口能量路由器 |
| CN106385056A (zh) * | 2016-09-13 | 2017-02-08 | 天津理工大学 | 一种适用于高端制造企业的能源路由器 |
| CN106911130A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-06-30 | 广东工业大学 | 一种能量路由器 |
| CN107516893A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-26 | 清华大学 | 能量路由器及基于该能量路由器的发电控制方法 |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109494732A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-19 | 许思成 | 一种四节点能源路由器 |
| CN110190602A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-30 | 深圳市航天新源科技有限公司 | 一种便携式智能功率路由器及其控制方法 |
| CN112398308B (zh) * | 2019-08-14 | 2022-08-26 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种多端口能量路由器及其控制系统和控制方法 |
| CN112398308A (zh) * | 2019-08-14 | 2021-02-23 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种多端口能量路由器及其控制系统和控制方法 |
| CN110867897A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-06 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种多端口能量路由器多模态下的协调控制策略 |
| CN110867897B (zh) * | 2019-11-28 | 2023-07-14 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种多端口能量路由器多模态下的协调控制策略 |
| CN111864816A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-10-30 | 西安图为电气技术有限公司 | 一种供电控制方法、装置、电子设备及存储介质 |
| WO2022226956A1 (zh) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 华为数字能源技术有限公司 | 一种光储系统、电源系统及高电压穿越控制方法 |
| CN113690936A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-23 | 成都星宇融科电力电子股份有限公司 | 一种多端口的储能能量路由器 |
| CN114204538A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种直流微电网互联变换器及其功率协调控制方法 |
| CN114204538B (zh) * | 2021-11-29 | 2023-10-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种直流微电网互联变换器及其功率协调控制方法 |
| CN114123338B (zh) * | 2021-12-01 | 2023-08-08 | 山东大学 | 立方体能量路由器及其控制方法 |
| CN114123338A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 山东大学 | 立方体能量路由器及其控制方法 |
| CN114204542A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-18 | 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 | 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法 |
| CN114204542B (zh) * | 2021-12-14 | 2024-03-29 | 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 | 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法 |
| CN114285019A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-05 | 北京机电工程研究所 | 基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器 |
| CN114285019B (zh) * | 2021-12-20 | 2023-11-03 | 北京机电工程研究所 | 基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器 |
| CN116488134A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-07-25 | 北京索英电气技术股份有限公司 | 一种能源路由器 |
| CN116526445A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-08-01 | 北京索英电气技术股份有限公司 | 一种能源路由器 |
| CN116526445B (zh) * | 2023-05-10 | 2024-02-02 | 北京索英电气技术股份有限公司 | 一种能源路由器 |
| CN116937597A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-24 | 西安西电高压开关有限责任公司 | 一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法 |
| CN116937597B (zh) * | 2023-09-13 | 2023-12-19 | 西安西电高压开关有限责任公司 | 一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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