CN109120008A - 一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法，涉及能源系统技术领域。该装置包括双向整流单元、谐振型双向DC‑DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC‑DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线、DSP控制器以及电压传感器和电流传感器；同时，该装置采用随机鲁棒优化方法的混合储能协调控制策略，包括7种工作模式；本发明还提供应用于风光储能的能源路由器装置储能优化的控制方法。本发明提供的应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法，装置所采用的多单元拓扑结构决定其能够提供多种电压等级电能，满足多种负载与储能设备的需求，并能通过控制方法和硬件结构实现光伏和风机互补发电的效果。

Description

一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法

技术领域

本发明涉及能源系统技术领域，尤其涉及一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法。

背景技术

随着能源系统中新能源渗透率逐步提升，未来的能源系统中电力电子设备将会逐步占有主导地位。相比较传统能源网络，电力电子化的能源系统具备可控制性强、灵活度高、动态响应快、功能多样化等优势。在推动分布式发电、分布式储能、可再生能源、新型电力电子器件、新型电力电子拓扑、交/直流混合微网、电工新材料、电动汽车等关键技术领域产生重大突破，实现能源效率、能源环境、能源结构、能源安全的协调发展，推动能源网络与信息网络融合的能源互联网发展等方面，电力电子化的能源系统将会产生举足轻重的作用。电力电子化的能源系统概念、特征与架构以及标准化接口定义问题，电源、储能、输配电和负荷的电力电子化等问题，能源系统的多层次控制策略和稳定性分析、多尺度应力特性分析和故障诊断保护问题，电能网络中的电压稳定性和频率稳定性问题，以及电能网络、热能网络、燃气网络和交通网络之间的能量转换和协同优化问题，能源网络中功率/能量分配与优化控制问题，将成为研究热点。目前现有的能源路由器拓扑结构相对简单，功率容量小，所能提供的电压等级相对单一，能量流动及形式局限大且效率低。而传统的能源路由器控制方式单一，因此对于能源路由器拓扑结构和控制方法的研究迫在眉睫，同时为了提高能源利用率，对于风光互补发电系统的研究也是重中之重，而二者的有机结合也是我们目前需要重点研究的方向。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法，提供新的能源路由器拓扑结构和控制方法。

一方面，本发明提供一种应用于风光储能的能源路由器装置，包括双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线、DSP控制器以及电压传感器和电流传感器；所述双向整流单元的输入端与220V配电网相连，输出端通过高压直流母线与谐振型双向DC-DC变换单元的输入端相连；所述谐振型双向DC-DC变换单元的输出端与低压直流母线相连；所述软开关单相全桥逆变单元的输入端与低压直流母线相连接，输出端与单相负载相连接；所述双向DC-DC变换单元的输入端与低压直流母线相连，输出端与储能装置相连；所述光伏Boost变换器的输出端与低压直流母线相连，输入端与光伏序列相连；所述三相PWM整流单元的输入端与风机相连，另一端与低压直流母线相连；所述DSP控制器与双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线均相连，用于控制各单元；所述电压传感器和电流传感器连接到DSP控制器的ADC采样端口。

优选地，所述双向整流单元的输入接口电压为220V、50HZ的交流电，输出接口电压为600V的交流电，谐振型双向DC-DC变换单元输出接口电压为400V交流电，双向DC-DC变换单元输出接口电压为240V直流电，软开关单相全桥逆变器输出接口为工频50HZ，220V的交流电，三相PWM整流单元接入风机组。

优选地，所述双向整流单元的辅助谐振支路放高压直流母线的回路上，有利于降低分布电感；所述谐振型双向DC-DC变换单元的初次级全桥电路通过由谐振电感L5，L6和谐振电容C10构成的T型LCL谐振网络以及高频变压器相连；所述双向DC-DC变换单元的辅助谐振支路包括一个谐振电感L12和一个谐振电容C8，实现零电压开通和零电压关断，确保储能装置快速充放电。

优选地，所述软开关单相全桥逆变单元在传统全桥逆变结构的基础上，增加了一个有源箝位辅助支路；所述辅助支路包括谐振电感L8、辅助开关管S30、辅助谐振电容；所述辅助谐振电容并联在辅助开关管的两端，并且在逆变主电路的开关管中并联电容作为主管谐振电容，结合一定的调制方式为主功率管创造零电压开关条件。

优选地，所述双向DC-DC变换单元，为对称结构，在传统DC-DC变换器的基础上增加了谐振电感L11以及谐振电容C8，二者在开关管开闭过程中制造了开关的零电压开通和零电压关断的条件，且不影响原电路的能量传递的过程。

优选地，所述应用于风光储能的能源路由器装置，采用随机鲁棒优化方法的混合储能协调控制策略，包括7种工作模式，分别为：

模式一：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时光伏Boost变换单元和风机发电的总和P大于能源路由器装置的总负载功率P_lode与各储能装置的最小容量和P_s的和P_l，即P＞P_l，根据计算出的储能配置方案以及储能装置荷电限充最大值SOC_max，当储能装置荷电状态小于其限充值时，按照预设储能配置方案，光伏boost变换单元工作在MPPT控制状态下；

模式二：在模式一的运行条件下，当储能装置的电荷量大于储能装置荷电限充最大值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在恒压控制下，防止储能过冲，维持母线电压稳定；

模式三：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时P＜P_l，由风光发电和储能装置共同供电；

模式四：在模式三的情况下，当储能装置的荷电状态小于最小放电值SOC_min，为防止继续放电损坏储能装置而限制储能装置放电，并关闭部分负荷或者系统停机来实现能源路由器装置功率平衡；

模式五：能源路由器装置在并网条件下，P＞P_l时，且储能装置荷电状态小于其最大限充值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在MPPT模式下，谐振型双向DC-DC变换单元和双向整流单元工作在停机状态；

模式六：在模式五的条件下，当储能装置的荷电状态达到其限充值SOC_max时，为防止其过冲，储能装置转入空闲状态，谐振型双向DC-DC变换单元正常工作且双向整流单元工作在逆变状态，能源路由器装置内剩余能量送入电网；

模式七：能源路由器装置处于并网工作状态，此时P＜P_l；电网来弥补分布式发电与负载功率的差额，维持系统稳态平衡，蓄电池处于空闲状态，减少了蓄电池的利用次数，双向整流单元处于整流状态，光伏boost变换单元工作在MPPT工作模式，电能通过谐振型双向DC-DC变换单元实现能量交互。

优选地，所述模式六和模式七中，谐振型双向DC-DC变换单元运行时，采取n重移相控制方法，1≤n≤3，根据能源路由器装置智能化的风光发电功率分配方案预判该单元传输功率提前选取相应控制方案，并且根据DSP控制器实时采样得到的流过谐振型双向DC-DC变换器的功率的大小，最后再次确定采用控制策略；当流过谐振型DC-DC变换器的功率P≤3％P_额时，P_额为谐振型双向DC-DC变换器系统的额定功率，DSP控制器采用TPS控制，当3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用DPS控制，当8％P_额＜P时，DSP控制器采用SPS控制；这样在保证电能质量的基础上，大幅度的降低能量传输过程中DC-DC环节的能量损耗；

所述DSP控制器中采用三个控制量D₀、D₁、D₂；根据DSP控制器采样的电压电流实时计算功率，当流过谐振型DC-DC变换器的功率8％P_额＜P时，DSP控制器采用控制变量D₀，令D₁、D₂一直为零，当功率在3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用控制变量D₀、D₁，令D₂为零，当P≤3％P_额时，控制器采用控制变量D₀、D₁、D₂，谐振型双向DC-DC变换单元初始启动状态采用SPS控制。

另一方面，本发明还提供应用于风光储能的能源路由器装置进行储能优化的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据统计风光发电储能装置的历史数据和规律给定置信度α；

步骤2、设定目标函数为储能装置总容量最小，如下公式所示：

min[A₁，A₂，…，A_k，…，A_T] (1)

其中，A_k为k时段储能装置的最小总容量；

步骤3、根据储能装置的状态设定约束条件：

其中，p_k ^LA、p_k ^DA分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的实际值；p_k ^LB、p_k ^DB分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的预测值；Δp_k ^L、Δp_k ^D均为随机变量，为所有可能分布下，事件A发生的最小概率，α为置信度，分别为风光发电系统输出的上限和下限；

步骤4、计算能源路由器装置净负荷的相对预测误差Δp_k ^L-D，如下公式所示：

步骤5、根据概率论中的最优不等式的处理方法，将双随机变量的问题转化为单随机变量的问题，根据对历史信息的统计得到相对预测误差Δp_k ^L-D的概率矩阵信息，根据概率论中的数学规划方法，按照单变量三阶矩概率边界的数学公式，将不确定性约束转化为确定性约束；

由此将公式(2)的约束条件转化为确定性约束，如下公式所示：

其中，M₁为随机变量Δp_k ^L-D的概率三阶矩，K(p_k ^LB-p_k ^DB)和-K(p_k ^LB-p_k ^DB)分别为分布式风机发电系统的发电机上下旋转备用；

步骤6、根据步骤1到步骤5，计算出满足要求的储能配置范围即优化储能配置。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种应用于风光储能的能源路由器装置及控制方法，提供即插即用的电能，通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压等级变换、电气隔离和能量传递。与传统变压器相比，它具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点，不仅有变换电压、传递能量的作用，而且兼具限制故障电流、无功功率补偿、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等多种功能。前端采用双向整流单元与传统单相整流固态变压器相比容量更大，输出电能谐波更少，并且加入辅助谐振电路，实现整流器单元开关器件ZVS软起动。谐振型双向DC-DC变换单元，区别于传统变压器，其工作在10KHZ以上的高频部分，使得电路中变压器的体积、重量大大降低；同时，谐振型双向DC-DC变换单元的拓扑主要有两个对称的H桥和高频变压器以及LCL谐振网络组成。两个对称的H桥保证了能量的双向流动：高频变压器主要完成能量传递和电压等级的变换，另外这种拓扑结构容易实现ZVS，因此可以作为高功率密度模块，广泛应用于固态变压器中，LCL谐振网络及谐振型双向DC-DC变换单元的三重移相控制方法可以大幅度的降低器件运行过程中的功率回流，降低该单元运行过程中的能量损耗，延长开关器件的使用寿命。从各能源终端将风机和光伏并入电网，能量转换形式更加多样化，从根本上实现了能量的双向流动。本装置多单元拓扑结构决定其能够提供多种电压等级电能，满足多种负载与储能设备的需求，能通过控制方法和硬件结构实现光伏和风机互补发电的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的智能型风光互补发电储能网络的3层电网树形架构图；

图2为本发明实施例提供的智能型风光互补发电储能网络的分级分布式控制结构图；

图3为本发明实施例提供的智能型风光互补发电储能网络系统控制结构图；

图4为本发明实施例提供的一种应用于风光储能的能源路由器装置的结构框图；

图5发本发明实施例提供的一种应用于风光储能的能源路由器装置各单元能量流动示意图；

图6为本发明实施例提供的一种应用于风光储能的能源路由器装置的电路结构图；

图7为本发明实施例提供的双向DC-DC变换单元电路结构图；

图8本发明实施例提供的谐振型双向DC-DC变换单元电路结构图；

图9本发明实施例提供的软开关单相全桥双向逆变单元电路结构图；

图10为本发明实施例提供的谐振型双向DC-DC变换器单元n重控制波形图；

图11为本发明实施例提供的应用于风光储能的能源路由器装置储能优化的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种智能型分布式控制技术，如图1所示，将整个供电系统分成3层树形架构，自顶向下分别为配电网层、微电网层和用户层。在该整体架构的基础上实现了风机发电与光能发电及其他分布式能源系统及电网的统一协调控制和通信调度。

分布式风机及光伏能源系统的运行控制如下：配电网层在满足电网供电质量、供电可靠性以及安全性的要求下，采用集中控制方式下的优化调度算法，实现整个系统运行成本最小化和效益最大化，对于分布式电源在分布式预测控制的基础上，采取多级分布式预测控制，每个局部控制采用双层控制结构，上层为功率分配层，下层为功率输出层，用于实现对参考值的跟踪，实现风光互补发电，在不改变各分布式电源并网方式的基础上，提供双向可靠的电力流和信息流，实现整体的协调优化运行和节能减排；微电网层分别有孤岛运行模式和并网运行模式；当微电网工作在孤岛运行模式时，微电网路由器与配电网路由器无任何通信，独立的协调控制各分布式能源的行为，保证对优先级较高的负载供电，且能按需求自动返回并网模式，通过控制在风光发电系统能满足用户需求时，风光发电且讲多余电能传至电网，当风光互补发电系统不能满足用户用电需求时，由电网和分布式电源共同供电。

分布式能源系统的通信调度方法：根据分布式能源系统自身分散性特点，其运行控制需要依赖通信进行统一协调控制。微电网层根据电网预测值协调各单元之间的运行，配电网层通过控制器对微电网层下发功率调节、运行模式、发电安排等命令。微电网层通过对用户端的状态检测和信息采集来协调控制功率分配。在用户层加装通信和控制模块，通过通信总线与微电网能源路由器相连，可以通过控制单元使其相应微电网的命令，，同时向微电网层上传终端的状态以及控制所需的数据信息。微电网层根据用户层输出的反馈值，选择最优运行模式，从而协调用户层各单元的工作。

一种智能型风光互补发电的分级控制技术，如图2所示，将各个分布式能源和变换单元作为子系统，通过分级式控制器控制各个子系统的运行，并且通过协调控制器来控制系统内各子系统的控制器，来实现系统的协调稳定运行。

一种智能型分光互补发电的系统级控制技术，如图3所示，将每个子系统的整体控制分为双层控制结构，即功率分配层和功率跟踪层，通过通信网路与控制器进行通信，实现各单元按照预定功率分配协调稳定运行，实现在风光互补发电储能的基础上，满足用户的用电需求。

一种应用于风光储能的能源路由器装置，如图4所示，包括双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线、DSP控制器以及电压传感器和电流传感器；所述双向整流单元的输入端与220V配电网相连，输出端通过高压直流母线与谐振型双向DC-DC变换单元的输入端相连；所述谐振型双向DC-DC变换单元的输出端与低压直流母线相连；所述软开关单相全桥逆变单元的输入端与低压直流母线相连接，输出端与单相负载相连接；所述双向DC-DC变换单元的输入端与低压直流母线相连，输出端与储能装置相连；所述光伏Boost变换器的输出端与低压直流母线相连，输入端与光伏序列相连；所述三相PWM整流单元的输入端与风机相连，另一端与低压直流母线相连；所述DSP控制器与双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线均相连，用于控制各单元；所述电压传感器和电流传感器连接到DSP控制器的ADC采样端口。

本发明提供的应用于风光储能的能源路由器装置的能量流动如图5所示，具体为：

双向整流单元完成220V，50HZ交流电与高压直流母线之间的电力变换；可根据不同的控制方式使其分别工作在整流或逆变两种工作模式，完成电能在配电网与直流母线之间的双向能量流动；如工作在整流工作模式时，双向整流单元将配电网输入的220V，50HZ交流电通过双向整流单元转换成600V直流电，并且维持配电网输入正弦电流且与电网电压保持同步，以期获得单位输入功率因数，实现无功功率补偿，同时保证与双向整流单元相连接的直流母线的电压恒定。

谐振型双向DC-DC变换单元完成600V直流电与400V直流电之间的电力变换；实现高压直流母线与低压直流母线之间能量的双向流动；作为能源路由器装置中间的关键环节，谐振型双向DC-DC变换单元是电网电能与分布式能源之间能源交换的桥梁。通过选择不同的控制方式可以实现升压或降压两种功能。通过在谐振型双向DC-DC变换单元加装高频变压器，极大的提高了能量的交互效率，并且大大降低了硬件电路的体积。

双向DC-DC变换单元用于实现低压直流电与240V直流电之间的相互转换；本单元可实现直流发电设备、直流负载以及储能装置与低压直流母线之间能量的电力变换，为直流发电设备、直流负载以及储能装置提供合适的直流电压；同时有效的提高了系统供电的可靠性；并且本单元通过引入辅助电路来实现开关器件的软启动特性，降低了开关器件的功率损耗并且有效的延长了开关器件的使用寿命。

软开关单相全桥逆变器单元实现了低压直流电与220V，50HZ交流电之间电能之间的相互转换；能够完成低压直流母线、单相负载及交流发电设备之间能源的双向流动；工作模式有逆变和整流两种模式。

光伏Boost变换单元实现了光能与低压直流母线之间的连接和能量流动。

三相PWM整流单元实现风机与低压直流母线之间的连接和能量传递；与各单元配合从而实现风光互补发电的效果。

高压直流母线用于稳定双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元的输入电压；完成双向整流单元与谐振型双向DC-DC变换单元的相互连接；完成双向整流单元与谐振型双向DC-DC变换单元的之间能量的双向流动。

低压直流母线用于稳定谐振型双向DC-DC变换单元输出电压、软开关单相全桥双向逆变单元输入电压、光伏Boost单元输出电压；完成谐振型双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥双向逆变单元和光伏Boost单元的相互连接和能量流动。

双向整流单元如图6所示，输入接口电压为220V、50HZ的交流电，输出接口电压为600V的交流电，谐振型双向DC-DC变换单元输出接口电压为400V交流电，双向DC-DC变换单元输出接口电压为240V直流电，软开关单相全桥逆变器输出接口为工频50HZ，220V的交流电，三相PWM整流单元接入风机组。

双向DC-DC变换单元，为对称结构，在传统DC-DC变换器的基础上增加了谐振电感L11以及谐振电容C8，二者在开关管开闭过程中制造了开关的零电压开通和零电压关断的条件，且不影响原电路的能量传递的过程。

双向DC-DC变换单元的电路结构如图7所示，包括辅助谐振电路和主电路两部分，其中辅助谐振电路的连接方式为：谐振电感L11与储能电感L12串联，谐振电容C8与L12并联后与高压直流母线的正极相连；辅助谐振支路放高压直流母线的回路上，有利于降低分布电感；主电路连接方式：第29绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至高压直流母线的负极；第28绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至第29绝缘栅双极型晶体管的集电极，L11连接至第29绝缘栅双极型晶体管的集电极。

谐振型双向DC-DC变换单元的结构如图8所示，包括8个绝缘栅双极型晶体管(IGBT功率管)，1个高频变压器和LCL谐振网络；整体可分为高频逆变模块，LCL谐振模块，高频变压器模块，整流输出模块；高频逆变模块包括2个桥臂(桥臂：上开关管的集电极与高压直流母线的正极相连接，上绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到下绝缘栅双极型晶体管的集电极，下绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到高压直流母线负极)；第8，10绝缘栅双极型晶体管的集电极与高压直流母线正极相连，第9，11绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到高压直流母线负极；第8绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第9绝缘栅双极型晶体管的集电极；第10绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第11绝缘栅双极型晶体管的集电极；

高频变压器模块由一个单相高频变压器组合而成，连接方式为：第8绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至高频变压器T1的原边正极；第10绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至高频变压器T1的原边负极；第12绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至高频变压器T1的副边正极；第14绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至高频变压器T1的副边负极；

整流输出模块由4个绝缘栅双极型晶体管组成，连接方式为：第12，14绝缘栅双极型晶体管的集电极与低压直流母线正极相连，第13，15绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到低压直流母线负极；第12绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第13绝缘栅双极型晶体管的集电极；第14绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第15绝缘栅双极型晶体管的集电极。

谐振型双向DC-DC变换单元的初次级全桥电路通过由谐振电感L5，L6和谐振电容C10构成的T型LCL谐振网络以及高频变压器相连；

在三相PWM整流器的输入可接入风机，在二号直流母线上也引入了光伏能源，通过有效的控制方法，整体硬件结构设计实现了多端口的即插即用和能源的有效利用。

软开关单相全桥逆变单元在传统全桥逆变结构的基础上，增加了一个有源箝位辅助支路；该辅助支路包括谐振电感L8、辅助开关管S30、辅助谐振电容；所述辅助谐振电容并联在辅助开关管的两端，并且在逆变主电路的开关管中并联电容作为主管谐振电容，结合一定的调制方式为主功率管创造零电压开关条件。

软开关单相全桥逆变单元的电路结构如图9所示，包括辅助谐振模块和单相全桥逆变主电路模块两部分；辅助谐振模块的连接方式为：辅助谐振支路中辅助开关管第7绝缘栅双极型晶体管和箝位电容C3串联，其发射极与电容相连，谐振电感L4与该串联之路并联。

单相全桥逆变主电路模块的连接方式为：第8，10绝缘栅双极型晶体管的集电极连接至低压直流母线正极；第9，11绝缘栅双极型晶体管的发射极连接至低压直流母线负极，第8绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第9绝缘栅双极型晶体管的集电极，第10绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第11绝缘栅双极型晶体管的集电极；软开关单相全桥逆变器输出端与L滤波器相连接；

应用于风光储能的能源路由器装置，采用随机鲁棒优化方法的混合储能协调控制策略，包括7种工作模式，分别为：

模式一：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时光伏Boost变换单元和风机发电的总和P大于能源路由器装置的总负载功率P_lode与各储能装置的最小容量和P_s的和P_l，即P＞P_l，根据计算出的储能配置方案以及储能装置荷电限充最大值SOC_max，当储能装置荷电状态小于其限充值时，按照预设储能配置方案，光伏boost变换单元工作在MPPT控制状态下；

模式二：在模式一的运行条件下，当储能装置的电荷量大于储能装置荷电限充最大值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在恒压控制下，防止储能过冲，维持母线电压稳定；

模式三：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时P＜P_l，由风光发电和储能装置共同供电；

模式四：在模式三的情况下，当储能装置的荷电状态小于最小放电值SOC_min，为防止继续放电损坏储能装置而限制储能装置放电，并关闭部分负荷或者系统停机来实现能源路由器装置功率平衡；

模式五：能源路由器装置在并网条件下，P＞P_l时，且储能装置荷电状态小于其最大限充值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在MPPT模式下，谐振型双向DC-DC变换单元和双向整流单元工作在停机状态；

模式六：在模式五的条件下，当储能装置的荷电状态达到其限充值SOC_max时，为防止其过冲，储能装置转入空闲状态，谐振型双向DC-DC变换单元正常工作且双向整流单元工作在逆变状态，能源路由器装置内剩余能量送入电网；

模式七：能源路由器装置处于并网工作状态，此时P＜P_l；电网来弥补分布式发电与负载功率的差额，维持系统稳态平衡，蓄电池处于空闲状态，减少了蓄电池的利用次数，双向整流单元处于整流状态，光伏boost变换单元工作在MPPT工作模式，电能通过谐振型双向DC-DC变换单元实现能量交互；

在模式六和模式七中，谐振型双向DC-DC变换单元运行时，采取n重移相控制方法，1≤n≤3，根据能源路由器装置智能化的风光发电功率分配方案预判该单元传输功率提前选取相应控制方案，并且根据DSP控制器实时采样得到的流过谐振型双向DC-DC变换器的功率的大小，最后再次确定采用控制策略；当流过谐振型DC-DC变换器的功率P≤3％P_额时，P_额为谐振型双向DC-DC变换器系统的额定功率，DSP控制器采用TPS控制，当3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用DPS控制，当8％P_额＜P时，DSP控制器采用SPS控制；这样在保证电能质量的基础上，大幅度的降低能量传输过程中DC-DC环节的能量损耗；

本实施例中，谐振型双向DC-DC变换单元的n重移相控制的控制波形图如图10所示。

所述DSP控制器中采用三个控制量D₀、D₁、D₂；根据DSP控制器采样的电压电流实时计算功率，当流过谐振型DC-DC变换器的功率8％P_额＜P时，DSP控制器采用控制变量D₀，令D₁、D₂一直为零，当功率在3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用控制变量D₀、D₁，令D₂为零，当P≤3％P_额时，控制器采用控制变量D₀、D₁、D₂，谐振型双向DC-DC变换单元初始启动状态采用SPS控制。

应用于风光储能的能源路由器装置储能优化的控制方法，如图11所示，包括以下步骤：

步骤1、根据统计风光发电储能装置的历史数据和规律给定置信度α；

步骤2、设定目标函数为储能装置总容量最小，如下公式所示：

min[A₁，A₂，…，A_k，…，A_T] (1)

其中，A_k为k时段储能装置的最小总容量；

步骤3、根据储能装置的状态设定约束条件：

其中，p_k ^LA、p_k ^DA分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的实际值；p_k ^LB、p_k ^DB分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的预测值；Δp_k ^L、Δp_k ^D均为随机变量，为所有可能分布下，事件A发生的最小概率，α为置信度，分别为风光发电系统输出的上限和下限。

步骤4、计算能源路由器装置净负荷的相对预测误差Δp_k ^L-D，如下公式所示：

步骤5、根据概率论中的最优不等式的处理方法，将双随机变量的问题转化为单随机变量的问题，根据对历史信息的统计得到相对预测误差Δp_k ^L-D的概率矩阵信息，根据概率论中的数学规划方法，按照下表的单变量三阶矩概率边界数学公式，将不确定性约束转化为确定性约束；

其中，

式(4)中，X代表随机变量Δp_k ^L-D，M₁、M₂、M₃分别为其概率三阶矩。

由此将公式(2)的约束条件转化为确定性约束，如下公式所示：

其中，M₁为随机变量Δp_k ^L-D的概率三阶矩，K(p_k ^LB-p_k ^DB)和-K(p_k ^LB-p_k ^DB)分别为分布式风机发电系统的发电机上下旋转备用；

步骤6、根据步骤1到步骤5，计算出满足要求的储能配置范围即优化储能配置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：包括双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线、DSP控制器以及电压传感器和电流传感器；所述双向整流单元的输入端与220V配电网相连，输出端通过高压直流母线与谐振型双向DC-DC变换单元的输入端相连；所述谐振型双向DC-DC变换单元的输出端与低压直流母线相连；所述软开关单相全桥逆变单元的输入端与低压直流母线相连接，输出端与单相负载相连接；所述双向DC-DC变换单元的输入端与低压直流母线相连，输出端与储能装置相连；所述光伏Boost变换器的输出端与低压直流母线相连，输入端与光伏序列相连；所述三相PWM整流单元的输入端与风机相连，另一端与低压直流母线相连；所述DSP控制器与双向整流单元、谐振型双向DC-DC变换单元、光伏Boost变换单元、双向DC-DC变换单元、软开关单相全桥逆变器单元、三相PWM整流单元、高压直流母线、低压直流母线均相连，用于控制各单元；所述电压传感器和电流传感器连接到DSP控制器的ADC采样端口。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述双向整流单元的输入接口电压为220V、50HZ的交流电，输出接口电压为600V的交流电，谐振型双向DC-DC变换单元输出接口电压为400V交流电，双向DC-DC变换单元输出接口电压为240V直流电，软开关单相全桥逆变器输出接口为工频50HZ，220V的交流电，三相PWM整流单元接入风机组。

3.根据权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述双向整流单元的辅助谐振支路放高压直流母线的回路上，有利于降低分布电感；所述谐振型双向DC-DC变换单元的初次级全桥电路通过由谐振电感L5，L6和谐振电容C10构成的T型LCL谐振网络以及高频变压器相连；所述双向DC-DC变换单元的辅助谐振支路包括一个谐振电感L12和一个谐振电容C8，实现零电压开通和零电压关断，确保储能装置快速充放电。

4.根据权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述软开关单相全桥逆变单元在传统全桥逆变结构的基础上，增加了一个有源箝位辅助支路；所述辅助支路包括谐振电感L8、辅助开关管S30、辅助谐振电容；所述辅助谐振电容并联在辅助开关管的两端，并且在逆变主电路的开关管中并联电容作为主管谐振电容，结合一定的调制方式为主功率管创造零电压开关条件。

5.根据权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述双向DC-DC变换单元，为对称结构，在传统DC-DC变换器的基础上增加了谐振电感L11以及谐振电容C8，二者在开关管开闭过程中制造了开关的零电压开通和零电压关断的条件，且不影响原电路的能量传递的过程。

6.根据权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述应用于风光储能的能源路由器装置，采用随机鲁棒优化方法的混合储能协调控制策略，包括7种工作模式，分别为：

模式一：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时光伏Boost变换单元和风机发电的总和P大于能源路由器装置的总负载功率P_lode与各储能装置的最小容量和P_s的和P_l，即P＞P_l，根据计算出的储能配置方案以及储能装置荷电限充最大值SOC_max，当储能装置荷电状态小于其限充值时，按照预设储能配置方案，光伏boost变换单元工作在MPPT控制状态下；

模式二：在模式一的运行条件下，当储能装置的电荷量大于储能装置荷电限充最大值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在恒压控制下，防止储能过冲，维持母线电压稳定；

模式三：能源路由器装置孤岛运行，谐振型双向DC-DC变换单元以及双向整流单元处于停机状态，此时P＜P_l，由风光发电和储能装置共同供电；

模式四：在模式三的情况下，当储能装置的荷电状态小于最小放电值SOC_min，为防止继续放电损坏储能装置而限制储能装置放电，并关闭部分负荷或者系统停机来实现能源路由器装置功率平衡；

模式五：能源路由器装置在并网条件下，P＞P_l时，且储能装置荷电状态小于其最大限充值SOC_max时，光伏boost变换单元工作在MPPT模式下，谐振型双向DC-DC变换单元和双向整流单元工作在停机状态；

模式六：在模式五的条件下，当储能装置的荷电状态达到其限充值SOC_max时，为防止其过冲，储能装置转入空闲状态，谐振型双向DC-DC变换单元正常工作且双向整流单元工作在逆变状态，能源路由器装置内剩余能量送入电网；

模式七：能源路由器装置处于并网工作状态，此时P＜P_l；电网来弥补分布式发电与负载功率的差额，维持系统稳态平衡，蓄电池处于空闲状态，减少了蓄电池的利用次数，双向整流单元处于整流状态，光伏boost变换单元工作在MPPT工作模式，电能通过谐振型双向DC-DC变换单元实现能量交互。

7.根据权利要求6所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置，其特征在于：所述模式六和模式七中，谐振型双向DC-DC变换单元运行时，采取n重移相控制方法，1≤n≤3，根据能源路由器装置智能化的风光发电功率分配方案预判该单元传输功率提前选取相应控制方案，并且根据DSP控制器实时采样得到的流过谐振型双向DC-DC变换器的功率的大小，最后再次确定采用控制策略；当流过谐振型DC-DC变换器的功率P≤3％P_额时，P_额为谐振型双向DC-DC变换器系统的额定功率，DSP控制器采用TPS控制，当3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用DPS控制，当8％P_额＜P时，DSP控制器采用SPS控制；这样在保证电能质量的基础上，大幅度的降低能量传输过程中DC-DC环节的能量损耗；

所述DSP控制器中采用三个控制量D₀、D₁、D₂；根据DSP控制器采样的电压电流实时计算功率，当流过谐振型DC-DC变换器的功率8％P_额＜P时，DSP控制器采用控制变量D₀，令D₁、D₂一直为零，当功率在3％P_额＜P≤8％P_额时，DSP控制器采用控制变量D₀、D₁，令D₂为零，当P≤3％P_额时，控制器采用控制变量D₀、D₁、D₂，谐振型双向DC-DC变换单元初始启动状态采用SPS控制。

8.采用权利要求1所述的一种应用于风光储能的能源路由器装置进行储能优化的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据统计风光发电储能装置的历史数据和规律给定置信度α；

步骤2、设定目标函数为储能装置总容量最小，如下公式所示：

min[A₁，A₂，...，A_k，...，A_T] (1)

其中，A_k为k时段储能装置的最小总容量；

步骤3、根据储能装置的状态设定约束条件：

其中，p_k ^LA、p_k ^DA分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的实际值；p_k ^LB、p_k ^DB分别为k时段能源路由器装置的总负荷和风光发电系统总发电的预测值；Δ_p ^kL、Δ_p ^kD均为随机变量，为所有可能分布下，事件A发生的最小概率，α为置信度，分别为风光发电系统输出的上限和下限；

步骤4、计算能源路由器装置净负荷的相对预测误差Δp_k ^L-D，如下公式所示：

步骤5、根据概率论中的最优不等式的处理方法，将双随机变量的问题转化为单随机变量的问题，根据对历史信息的统计得到相对预测误差Δp_k ^L-D的概率矩阵信息，根据概率论中的数学规划方法，按照单变量三阶矩概率边界的数学公式，将不确定性约束转化为确定性约束；

由此将公式(2)的约束条件转化为确定性约束，如下公式所示：

其中，M₁为随机变量Δp_k ^L-D的概率三阶矩，K(p_k ^LB-p_k ^DB)和-K(p_k ^LB-p_k ^DB)分别为分布式风机发电系统的发电机上下旋转备用；

步骤6、根据步骤1到步骤5，计算出满足要求的储能配置范围即优化储能配置。