CN109787214A - 基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法 - Google Patents

基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法 Download PDF

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杨欣霈
吴冰钰
孙立
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Abstract

本发明公开了一种基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法，其中，所述能源路由器包括n个输入端口、n个升降压变换电路、n个二极管和1个输出端口，n为正整数，每一所述升降压变换电路的输入端连接一所述输入端口，输出端串联一所述二极管，所有二极管的输出端皆并联至所述输出端口，在使用时，每一所述输入端口连接一外部直流电源，所述输出端口连接外部直流母线。本发明结构简单，易于实施，且准确度更高。

Description

基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法
技术领域
本发明涉及电力技术，尤其涉及一种基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法。
背景技术
近年来，为解决能源短缺问题和采用传统化石能源的环境污染问题，对于清洁无污染的可再生能源譬如太阳能、风能的开发和利用日益受到重视，这将使得能源载体的种类变得越来越多样化，用电系统很可能连接着多种供电来源。如何实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，实现不同能源形式的互联互补、生产与消费环节的有机贯通则成了需要解决的问题。同时，由于传统电力系统为交流形式，因此微电网研究更多集中于交流微电网方面，但是直流微电网具有其独特的优势。
由于不存在无功、谐波等问题，直流微电网中的系统电能质量问题更容易被治理；而且随着直流电源(光伏池板，燃料电池等)和直流负荷(LED灯，电动汽车等)的不断增加，采用直流型公共母线可以避免多余的能量变换环节，使系统整体效率得以提升。随着近年来用户对电能质量、系统效率要求的提高，对直流微电网的研究也在逐步变多。
传统的负荷分配方法为基于基尔霍夫定律的下垂控制负荷分配方法。该方法虽然可以精确分配负荷，但是会带来较大的电压和功率波动。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于直流微电网逆变器的能源路由器及其负荷分配控制方法，本发明实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，实现不同能源形式的互联互补。本发明结构简单，易于实施，能够很好地融入到综合能源中。
技术方案：本发明所述的基于直流微电网逆变器的能源路由器包括n个输入端口、n个升降压变换电路、n个二极管和1个输出端口，n为正整数，每一所述升降压变换电路的输入端连接一所述输入端口，输出端串联一所述二极管，所有二极管的输出端皆并联至所述输出端口，在使用时，每一所述输入端口连接一外部直流电源，所述输出端口连接外部直流母线。
进一步的，所述升降压变换电路具体为DC-DC升降压逆变器。所述外部直流电源包括光伏发电设备、燃料电池、蓄电池中至少一种。
本发明所述的基于上述能源路由器的负荷分配控制方法包括：
(1)将输入端口连接的外部直流电源进行优先级分级；
(2)对于不同优先级的多个外部直流电源，采用与其连接的二极管进行负荷粗分配；
(3)对于相同优先级内的多个外部直流电源，通过功率平衡进行负荷细分配。
进一步的，步骤(2)具体包括：
(2.1)对于不同优先级的多个外部直流电源，从最高优先级别到最低优先级别的外部直流电源进行排列；
(2.2)调整与外部直流电源连接的二极管，使得相邻优先级的外部直流电源经升降压变换电路的输出电压具有0.5V的电压差，完成外部直流电源的负荷粗分配。
进一步的，步骤(3)具体包括：
(3.1)对于相同优先级内的多个外部直流电源，根据各外部直流电源分配的功率计算其经升降压变换电路的输出理想电流I1,I2,...,Im：
式中，m为当前优先级的外部直流电源数目，U为外部直流电源经升降压变换电路的输出电压，P1,P2,...,Pm依次为外部直流电源1到m的分配功率，I1,I2,...,Im依次为外部直流电源1到m经升降压变换电路的输出理想电流；
(3.2)调整外部直流电源经升降压变换电路的输出电流至所述输出理想电流，完成外部直流电源的负荷细分配。
进一步的，所述负荷控制方法通通过modbus协议上位机可调。在负荷分配调节过程中，在输入接口连接超级电容器消纳瞬态负荷。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明的直流能源路由器，能实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，实现不同能源形式的互联互补。
2、控制方法与现有技术相比较，可操控性强，可通过modbus协议上位机操控，灵活方便。加入二极管，利用其钳位作用决定输出的电源，可以较好地基于优先级实现功率分配电网负荷分配。利用简单的功率方程亦可实现相同优先级电源负荷分配，简单方便，实用性大。
3、本发明的直流能源路由器可同时满足3路或更多路不同类型微电源输入，能实现多种直流电源汇集，有效控制微电网电荷分布，可扩展性高，有利于构建微电网系统。
4、本发明的直流能源路由器可快速地完成各支路输入电源的负荷分配，且适用于更多路不同类型微电源输入，能增强微电网的适应性。
5、本发明直流微电网路由器完成多种输入电源的汇集，可动态调节各支路输出功率，进而满足母线的用电需求，可保障整个直流微电网系统稳定地运行。
附图说明
图1是本发明提供的一个实施例的电路图；
图2是基于本发明方法的各支路与母线电压实验曲线图；
图3是基于本发明方法的各支路与母线功率实验曲线图；
图4是本发明加入电容器后各支路与母线电压的实验曲线图；
图5是本发明加入电容器后加入电容器后各支路与母线功率实验曲线图；
图6是传统下垂控制方法下各支路与母线电压的实验曲线图；
图7是传统下垂控制方法下各支路与母线功率的实验曲线图。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于直流微电网逆变器的能源路由器，如图1所示，包括3个输入端口IN1、IN2、IN3，3个升降压变换电路(BUCK-BOOST电路)Q1、Q2、Q3，3个二极管D1、D2、D3和1个输出端口OUT，升降压变换电路Q1的输入端连接输入端口IN1，输出端的高压端正向串联二极管D1，二极管D1的输出端连接至输出端口OUT，其他支路同理。在使用该能源路由器时，可以将每一输入端口连接一外部直流电源，将输出端口连接外部直流母线，例如，本实施例中，将输入端口IN1连接光伏发电设备，将输入端口IN2连接燃料电池，将输入端口IN3连接蓄电池，输出端口OUT连接外部直流母线UR。可以理解的，输入端口也可以连接其他电源。在具体实施时，所述升降压变换电路可选择DC-DC升降压逆变器，用于改变输入直流电源的电压，二极管与DC-DC升降压逆变器串联，起稳定、控制作用。
本实施例还提供了一种基于上述能源路由器的负荷分配控制方法，包括：
(1)将输入端口连接的外部直流电源进行优先级分级。例如，可设置光伏发电设备为一级优先级，燃料电池和蓄电池为二级优先级。
(2)对于不同优先级的多个外部直流电源，采用与其连接的二极管进行负荷粗分配。
具体包括：(2.1)对于不同优先级的多个外部直流电源，从最高优先级别到最低优先级别的外部直流电源进行排列；(2.2)调整与外部直流电源连接的二极管，使得相邻优先级的外部直流电源经升降压变换电路的输出电压具有0.5V的电压差，完成外部直流电源的负荷粗分配。具体原理为：使不同优先级的外部直流电源经升降压变换电路的输出电压保持有0.5V的电压差，利用P＝U2/R这个公式与二极管的单向导电性，当功率超出该优先级电源所能提供的最大功率时，母线电压就会下降，当下降至下一优先级输出电压时，二极管钳位作用消失，下一优先级电源接入电路，如此循环，实现优先级功率自动补足。若是相同优先级的电源，可以对其中一个电源进行限流来限制某一路的功率。
在本实施例中，在光伏发电设备为一级优先级，燃料电池和蓄电池为二级优先级时，则调整二极管D1、D2、D3，使得电压U1-U2＝0.5V，U2＝U3，完成外部直流电源的负荷粗分配。
(3)对于相同优先级内的多个外部直流电源，通过功率平衡进行负荷细分配。
具体包括：(3.1)对于相同优先级内的多个外部直流电源，根据各外部直流电源分配的功率计算其经升降压变换电路的输出理想电流I1,I2,...,Im：
式中，m为当前优先级的外部直流电源数目，U为外部直流电源经升降压变换电路的输出电压，P1,P2,...,Pm依次为外部直流电源1到m的分配功率，I1,I2,...,Im依次为外部直流电源1到m经升降压变换电路的输出理想电流；
(3.2)调整外部直流电源经升降压变换电路的输出电流至所述输出理想电流，完成外部直流电源的负荷细分配。
在本实施例中，对于同一优先级别的燃料电池和蓄电池，计算得到输出理想电流I2,I3：
对于光伏发电设备，I1＝P1/U
调整输出电流至所述输出理想电流，完成外部直流电源的负荷细分配。
下面将本发明与原始的的相同优先级电源负荷分配方法进行对比：
原始的分配方法采用基尔霍夫电压定律，由基尔霍夫电压定律可得：
由基尔霍夫电流定律可得：
I1+I2+……+Im＝IR
联立两式共有2m个未知数U1,U2,...,Um，I1,I2,...,Im，其余数据均可通过测量得出，根据负荷分配需求引入p路控制方程：
其中P1,P2,...,Pp为用户需求的各支路分配功率。剩下的m-p路功率分配按优先级进行分配。
联立三式求解，即可得到每条支路的电流电压值，然后通过调节DC-DC即可达到功率调节的目的：
对比于此方法，可得知，本发明的负荷分配方法简单灵活，计算简单，更易操作。
最后，为避免负荷分配过程中各电压的突变幅度，引入超级电容器消纳瞬态负荷。所述负荷控制方法通通过modbus协议上位机可调。
对于本发明进行实验验证，实验1的参数为：负载为10Ω电阻，控制接入电路的数量来达到模拟不同功率负载的作用。单次实验进行250s数据采集，在0-50s、100-150s、200-250s时控制负载为10Ω，在50-100s、150-200s控制负载为5Ω，母线电压控制为24V，光伏发电设备输出功率控制为60W，实验数据如图2所示，实验2的参数为：负载为10Ω电阻，控制接入电路的数量来达到模拟不同功率负载的作用。单次实验进行250s数据采集，在0-50s、100-150s、200-250s时控制负载为10Ω，在50-100s、150-200s控制负载为5Ω，母线电压控制为24V，光伏发电设备输出功率控制为60W，实验数据如图3所示，加入超级电容器后的电网负荷分配控制数据图如图4-5，采用传统下垂控制的电网负荷分配控制数据图如图6-7，可知，本发明方法相比传统下垂控制，方法简单，且调节准确度更高。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于直流微电网逆变器的能源路由器，其特征在于：包括n个输入端口、n个升降压变换电路、n个二极管和1个输出端口，n为正整数，每一所述升降压变换电路的输入端连接一所述输入端口，输出端串联一所述二极管，所有二极管的输出端皆并联至所述输出端口，在使用时，每一所述输入端口连接一外部直流电源，所述输出端口连接外部直流母线。
2.根据权利要求1所述的基于直流微电网逆变器的能源路由器，其特征在于：所述升降压变换电路具体为DC-DC升降压逆变器。
3.根据权利要求1所述的基于直流微电网逆变器的能源路由器，其特征在于：所述外部直流电源包括光伏发电设备、燃料电池、蓄电池中至少一种。
4.一种基于权利要求1所述能源路由器的负荷分配控制方法，其特征在于：该方法包括：
(1)将输入端口连接的外部直流电源进行优先级分级；
(2)对于不同优先级的多个外部直流电源，采用与其连接的二极管进行负荷粗分配；
(3)对于相同优先级内的多个外部直流电源，通过功率平衡进行负荷细分配。
5.根据权利要求4所述的负荷分配控制方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：
(2.1)对于不同优先级的多个外部直流电源，从最高优先级别到最低优先级别的外部直流电源进行排列；
(2.2)调整与外部直流电源连接的二极管，使得相邻优先级的外部直流电源经升降压变换电路的输出电压具有0.5V的电压差，完成外部直流电源的负荷粗分配。
6.根据权利要求4所述的负荷分配控制方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：
(3.1)对于相同优先级内的多个外部直流电源，根据各外部直流电源分配的功率计算其经升降压变换电路的输出理想电流I1,I2,...,Im：
式中，m为当前优先级的外部直流电源数目，U为外部直流电源经升降压变换电路的输出电压，P1,P2,...,Pm依次为外部直流电源1到m的分配功率，I1,I2,...,Im依次为外部直流电源1到m经升降压变换电路的输出理想电流；
(3.2)调整外部直流电源经升降压变换电路的输出电流至所述输出理想电流，完成外部直流电源的负荷细分配。
7.根据权利要求4所述的负荷分配控制方法，其特征在于：所述负荷控制方法通通过modbus协议上位机可调。
8.根据权利要求4所述的负荷分配控制方法，其特征在于：在负荷分配调节过程中，在输入接口连接超级电容器消纳瞬态负荷。
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