CN110556856A - 不依赖通信的多模式电能路由器及其无缝切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种不依赖通信的多模式电能路由器及其无缝切换控制方法，电能路由器包括四个控制端口，分别与光伏变换器、储能变换器以及电力电子变压器中的并网逆变器、负载逆变器相连；其中，光伏阵列和蓄电池组分别通过光伏变换器和储能变换器与直流母线相连，并网逆变器和负载逆变器分别与直流母线相连。方法包括：储能变换器启动并稳定直流母线电压；光伏变换器采用正向扰动观测方式来实现最大功率点跟踪模式，并当输出电压超过阈值后采用反向扰动观测方式来实现限制功率运行模式；并网逆变器在并网、孤岛和封锁三种模式之间切换；负载逆变器根据需要稳定输出电压或进入限制功率模式。

Description

不依赖通信的多模式电能路由器及其无缝切换控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种不依赖通信的多模式电能路由器及其无缝切换控制方法。

背景技术

近年来，分布式光伏、风力发电、双向电动汽车储能等装置的大面积普及，正在改变传统的电网形态，用户侧由传统的仅吸收电能转换成具备分布式供给和储存能力的细胞单元。电能路由器一方面实现接入功能，在用户侧实现光伏、储能等能源系统接入，分配负载所需电能。光伏系统具有波动和间歇性特征，为了最大利用太阳能，需要最大功率跟踪，当功率过剩时又必须限制该能量；储能系统的大电流充放电能力使其成为理想的能量存储和缓冲设备，但电池的SOC状态限制了其充放电时刻和功率大小。因此对不同接入对象在不同环境条件、时间维度下需要实施不同的控制策略，实现多种运行工况下功率的平衡控制是电能路由器的基本功能和难点。

经典的直流微网和交流微网中多能源和负载倾向于作为分布式结构，以通信或自治方式协同控制，从而实现一个小区域内光伏、风力等各种新能源和负载的集成管理。而电能路由器则倾向以家庭作为最小单元使用户用电能路由器，向上到社区、城市或区域分别使用社区电能路由器、骨干网电能路由器，自下而上形成网络架构。户用电能路由器核心功能是提供光伏、电动汽车、储能电池等设备的电力电子接口；社区用电能路由器一方面能完成10kV到380V的电力电子变压器变压，另一方面可接入更大容量的光伏阵列或储能变流单元，从而稳定本地的功率和实现支撑；骨干级电能路由器主要功能则倾向于潮流控制，多端柔直系统能够实现该功能。

因此要求电能路由器能够集成光伏并网、储能变流、交直流混合微网等多种关键技术，需要融合和综合已有体制、技术，又需要对优化应用做进一步研究，而目前对其理论和实践研究仍处于概念定义、模式探究和典型示范的初级阶段。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种不依赖通信的多模式电能路由器及其无缝切换控制方法。

所述电能路由器包括四个控制端口，分别与光伏变换器、储能变换器以及电力电子变压器中的并网逆变器、负载逆变器相连；其中，并网逆变器和负载逆变器相连的直流母线为电力电子变压器的开放公共直流母线，光伏阵列和蓄电池组分别通过光伏变换器和储能变换器与该公共直流母线相连。

所述根据实际应用需要电力电子变压器选择在并网逆变器和直流母线之间插入双有源桥实现隔离或电压升降匹配；在配备双有源桥的应用中，双有源桥和并网变换器构成并网逆变器。

所述方法包括：

储能变换器启动并稳定直流母线电压；

光伏变换器采用正向扰动观测方式来实现最大功率点跟踪模式，并当输出电压超过阈值后采用反向扰动观测方式来实现限制功率运行模式；

并网逆变器在并网、孤岛和封锁三种模式之间切换；负载逆变器根据需要稳定输出电压或进入限制功率模式。

所述电能路由器在功率调节模式和电压调节模式之间切换；在功率调节模式下，由并网逆变器调节网侧的有功和无功输出，响应电网侧的需求，实现削峰填谷的经济运行功能；在电压调节模式下，调节直流母线电压，由电网间接实现对直流母线的支撑，光伏以最大功率输出，电池系统自动转入浮充状态，实现对负载的最大不间断供电。

所述储能变换器采用抗饱和PI控制器进行双环控制，内环控制充放电电流整定，外环控制输出母线电压。

所述并网逆变器在V-P和Q-f下垂曲线上叠加功率控制环或直流母线电压控制环，且能平滑切换。

在电压调节模式下，并网逆变器控制部分叠加的直流母线电压控制环会提高并稳定公共直流母线电压，对公共直流母线电压的稳定控制权由储能系统自治转换到电力电子变压器。

所述公共直流母线电压在启动或离网时由储能变换器稳定，光伏功率过剩时由光伏变换器箝位，并网时根据需要由电力电子变压器的并网逆变器间接调整；在多模式工况下的稳定控制不需要光伏变换器、储能变换器和电力电子变压器之间的通信协同，由系统根据功率状态和直流母线的电压状况自治切换。

启动并网逆变器，以下垂电压和频率模式运行，调整并网逆变器的等效d轴电压和频率值完成同步；并网运行后根据运行要求选择调整系统的有功、无功、或内部母线电压，并在调功率和调电压之间实时切换。

所述直流母线电压在接多个储能系统时的外环控制输出给定由母线电压设定值和储能变换器输出电流构成的改进下垂曲线决定。

本发明的有益效果：

本发明可以保证在不同的光照、温度、电池SOC、负载大小和不同电网状态下，整个系统能够无缝切换工作模式，同时具备指令可控的功率调节能力，分别实现保障用户负载或保障对电网的响应需求的电能路由器系统控制方法，具有以下优点：

1、实现光伏、储能、电网、负载四端口功率可控，每一个端口都能根据实际运行状况实现主动调控，提高了不同工况或不同光伏—储能容量配比下系统的鲁棒性。

2、整个系统控制结构在不同模式下保持不变，不需要控制结构的重新配置；自治切换策略一方面减小了对通信可靠性和实时性的依赖，另一方面避免了SST和DC-DC变换器在转移控制权时存在的多个电压源同时存在引起的电流瞬态问题。

3、SST的控制器能够作为电能路由器的主控制系统，具备多模式运行和功率平衡控制的同时，也能够较方便地实现和上一级的通信交互及综合能量管理功能。

附图说明

图1.含光伏、储能的电能路由器组网示意框图

图2.光伏DC-DC变换器的MPPT控制模型电路

图3.光伏DC-DC变换器的输出电压控制模型电路

图4.改进的仅控制光伏输入电压的MPPT和限功率控制策略

图5.储能DC-DC变换器的多个抗饱和、可调限幅PI耦合协同控制框图

图6.并网逆变器的控制策略框图

图7.启动和不同负载、工作模式下仿真波形图

图8.对应图7情况下端口功率示意图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1为多个含光伏和储能的电能路由器接入电网系统示意图，每一个电能路由器包含以下变换器的协同控制：

1、光伏DC-DC变换器的控制方式

在微网中光伏DC-DC变换器常用控制方式是并网情况下以MPPT方式工作，向电网输送最大功率，此时控制光伏电池电压即变换器的输入电压；在市电停电转为离网状态或变换器功率受限后，为了限制光伏输出功率，需要控制变换器的输出电压。对于双环控制的Boost变换器，控制输入电压时，对应的用于设计内环控制补偿器的占空比—电感电流传递函数为

用于设计外环控制补偿器的电感电流—光伏输入电压传递函数为

在控制输出电压时，占空比—电感电流传递函数为

在高频时，等效角频率较大，该传递函数简化为

用于设计外环控制补偿器的占空比—输出电压传递函数为

两种情况下用于建立小信号模型的电路示意图如图2、图3所示，得到对应的传递函数有较大区别，因此在MPPT控制输入电压和恒压模式控制输出电压两种控制方式切换时，不仅改变了控制结构，控制环路参数也需要进行调整。

采用图4所示的自治转换控制策略，该控制方式以传统扰动观测算法实现MPPT，当变换器输出电压超过阈值后，以反向扰动观测方式实现限制功率运行。在这种控制方式下，仅使用变换器输出电压来调整MPPT扰动观测的方向实现模式转换，在变换器控制层面始终控制的是输入电压即光伏电池板的电压。MPPT运行时，将MPPT的扰动周期设置为数十赫兹以减小启动或光照、温度变化时对变换器的功率冲击；限制功率运行时，为了避免母线电压上升过高，提高瞬态响应速度，将反向MPPT算法的扰动周期设置为数千赫兹。

2、储能DC-DC变换器控制方式

储能电池和变换器作为直流母线电压的主要支撑，充当光伏、风电等新能源的缓冲措施。在控制策略实施时需要综合充放电状态、SOC和电池电压等状况。使用可调幅度的抗饱和PI作为主要切换部件，如图5所示。

使用双环控制，电流内环实现充放电电流整定，i_L为正时对应为放电，外环调整变换器的输出母线电压。电池电压u_bat小于充电上限电压时，PI3反向饱和的输出为预设的负向最大值，该预设值小于或等于PI2的负向最大值，因此PI2的输出不受PI3的影响，能够以最大电流能力持续充电，当电池充满，u_bat接近u_bat ^*时，PI3的输出逐渐上升接近为0，从而也引起PI2的反向限幅逐渐上升到0，电池的充电电流逐渐减小，最终进入浮充状态；在放电时，由电池SOC决定当前放电电流，当SOC充足时PI2的正向限幅由变换器的最大放电输出能力预设定，如果放电导致SOC下降，激活限幅参数的实时调整功能，使SOC下降到较低值时逐渐减小放电电流，以防止电池过放电；电压环的PI2参考给定由母线电压设定值和变换器输出电流构成的改进下垂曲线决定，以实现多个储能变换器并联运行，单个变换器运行时其下垂系数设置为0，母线以初始预设值u_dcinit运行，即储能变换器的输出母线以电压初值稳定运行。

3、电力电子变压器SST控制方式

直流母线电压建立后，SST分步接入直流配电、启动负载逆变器和并网逆变器(隔离应用时为DAB+并网逆变器)，负载逆变器稳定电压输出，并能在直流母线电压过低后限制逆变器的输出电流；并网逆变器工作在电压频率控制模式，在低压交流配电网络中，并网逆变器和电网之间主要阻抗为配电线路的等效电阻，使用P-V和Q-f下垂曲线作为并网逆变器的下垂电压和频率控制(V-f控制)。SST的并网启动分为以下三个步骤：

(1)并网逆变器启动，以下垂电压和频率模式运行，下垂曲线由额定电压频率和当前的有功和无功输出计算得到，为了减小波动，功率计算使用低通滤波(LPF)，逆变器与交流微网的PCC之间的接触器开关处于断开状态；

(2)根据检测到的入口电压和频率执行同步过程，调整并网逆变器的等效d轴电压u_{d_inv}和频率值，完成同步后合上接触器开关实现交流孤岛或并网运行；

(3)并网运行后根据当前路由器的运行要求，可选择调整系统的有功、无功、或内部母线电压，并能够在调功率和调电压之间实时切换。

对应的控制框图如图6所示。

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4、多模式运行切换

本发明提出的电能路由器协同控制策略，其优势在于能够实现多种模式运行和无缝切换。能够在以下几种模式运行：

(1)直流微网模式。光伏和储能变换器、直流负载、交流负载逆变器能够形成直流母线耦合的直流微网，各部分功率在上述控制策略下实现自平衡。

(2)交流并网模式。在并网模式下，并网逆变器作为电能路由器功率调节的主要接口，储能变换器对直流母线提供电压支撑，光伏变换器为MPPT或限功率模式自动转换，仅由并网逆变器向电网导入或导出指令功率，不需要向储能系统或光伏系统发送功率指令。

当并网逆变器由有功功率调节切换到直流母线电压调节模式时，u_{dc_ref}设置为稍高于之前的稳定值u_dcinit，母线电压PI控制环输出使并网逆变器对应的u_{d_inv}减小，SST从交流网侧导入功率引起直流母线电压上升，在社区级具备隔离DAB的SST应用中，本发明中由DAB来始终稳定并网逆变器直流环节电压，其开关和控制频率都高于储能变换器的开关和控制频率，因此网侧功率增加时首先上升的是直流母线电压，控制环路使母线电压最终稳定在预设的u_{dc_ref}上。直流母线电压调节模式是由SST的并网逆变器间接实现的，在该模式下光伏以最大能力输出，储能电池为浮充状态。

功率调节模式下响应电网的需求，每一个电能路由器节点都能够根据上层控制器的指令输出指定的功率值，实现削峰填谷和经济运行；直流母线电压调节模式下响应本地需求，该模式下浮充运行能够提高电池寿命，并具备市电停电后的最大不间断供电能力。系统能够根据设定在这两种模式间实时切换。

(3)交流孤岛模式。在孤岛模式下，传统微网中使用主从切换或者多个逆变器同时工作在下垂模式下均分系统的有功和无功。在本发明中，孤岛模式下电能路由器依然能够使用并网模式中的功率调节或电压调节策略，当功率或电压超过该路由器限制时，对应的调节环路PI饱和该路由器自动转入下垂电压模式，因此孤岛模式下多电能路由器不是均分总的有功无功输出，而是以接近指令功率或电压的最大能力输出。

该协同控制策略下，多模式的切换原则为：在市电正常且具备足够的功率提供或消纳能力(上一级电能路由器节点正常)时，系统工作在并网模式；当交流电网故障或功率限制时，切换到交流孤岛的局域网络模式；当本地线路检修时电能路由器需要从网络中退出或本地启动、并网逆变器故障等特殊情况时，封锁并网逆变器，系统转换到本地直流微网模式。三种运行模式切换过程中，每个变换器的控制结构保持不变，直流母线和交流母线都不需要控制权的转换，仅由通信来传送显示监控量，不需要实时高性能通信措施。

5、主要仿真结果

对所发明的控制方法进行仿真，多端口变换器的主要参数如下。

表1 主要仿真参数

对系统启动运行和多模式、不同负载工况设计的仿真场景如下：

0.005s电池的DC-DC模块开始工作，0.1s完成建立直流母线690V电压；

0.3s负载DC-AC开始工作，0.5s负载逆变器加12.1kW负载；

0.5s光伏DC-DC接入工作，0.6s使能光伏的MPPT和功率限制模式，光照强度保持1000和25℃恒定值，光伏MPPT运行输出18kW功率；

0.5s-1s时间段，电池以6kW功率充电，光伏、储能和负载功率平衡；

1s时切除逆变器输出负载，光伏功率过剩导致母线上升超过720V，自动进入限制功率运行状态，储能电池以最大充电能力7.6kW功率充电，光伏和储能功率平衡；

2s启动DAB，稳定DAB输出电压(并网逆变器直流环节电压)为700V；

2.3s负载逆变器投入交流负载6.05kW，光伏平均输出功率由7.6kW上升到13.05kW；

2.6s启动并网逆变器，2.7-2.9s锁相同步；

3s合上并网开关；

3.01s接入无功的闭环控制，使无功控制为0；

3.5s执行直流母线电压的700V稳定调整控制，PV自动转为MPPT工作，功率输出18kW；

3.5s-6s光伏输出18kW，电池以7.6kW充电，负载功率6.05kW，导出到电网的功率约为4kW；

6s时并网逆变器转为恒功率8kW控制，光伏维持MPPT，负载逆变器功率不变，增加的4kW功率由储能电池提供。

7.5s时断开并网整流器与电网之间的开关，并网逆变器无法向电网导出功率，光伏、储能和负载自动进入下一个功率平衡状态。

图7、图8为仿真结果。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种不依赖通信的多模式电能路由器，其特征在于，包括四个控制端口，分别与光伏变换器、储能变换器以及电力电子变压器中的并网逆变器、负载逆变器相连；其中，并网逆变器和负载逆变器相连的直流母线为电力电子变压器的开放公共直流母线，光伏阵列和蓄电池组分别通过光伏变换器和储能变换器与该公共直流母线相连。

2.根据权利要求1所述电能路由器，其特征在于，根据实际应用需要电力电子变压器选择在并网逆变器和直流母线之间插入双有源桥实现隔离或电压升降匹配；在配备双有源桥的应用中，双有源桥和并网变换器构成并网逆变器。

3.一种基于权利要求1或2所述电能路由器的无缝切换控制方法，其特征在于，包括：

储能变换器启动并稳定直流母线电压；

光伏变换器采用正向扰动观测方式来实现最大功率点跟踪模式，并当输出电压超过阈值后采用反向扰动观测方式来实现限制功率运行模式；

并网逆变器在并网、孤岛和封锁三种模式之间切换；负载逆变器根据需要稳定输出电压或进入限制功率模式。

4.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，所述电能路由器在功率调节模式和电压调节模式之间切换；在功率调节模式下，由并网逆变器调节网侧的有功和无功输出，响应电网侧的需求，实现削峰填谷的经济运行功能；在电压调节模式下，调节直流母线电压，由电网间接实现对直流母线的支撑，光伏以最大功率输出，电池系统自动转入浮充状态，实现对负载的最大不间断供电。

5.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，所述储能变换器采用抗饱和PI控制器进行双环控制，内环控制充放电电流整定，外环控制输出母线电压。

6.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，所述并网逆变器在V-P和Q-f下垂曲线上叠加功率控制环或直流母线电压控制环，且能平滑切换。

7.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，在电压调节模式下，并网逆变器控制部分叠加的直流母线电压控制环会提高并稳定公共直流母线电压，对直流母线电压的稳定控制权由储能系统自治转换到电力电子变压器。

8.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，所述公共直流母线电压在启动或离网时由储能变换器稳定，光伏功率过剩时由光伏变换器箝位，并网时根据需要由电力电子变压器的并网逆变器间接调整；在多模式工况下的稳定控制不需要光伏变换器、储能变换器和电力电子变压器之间的通信协同，由系统根据功率状态和直流母线的电压状况自治切换。

9.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，启动并网逆变器，以下垂电压和频率模式运行，调整并网逆变器的等效d轴电压和频率值完成同步；并网运行后根据运行要求选择调整系统的有功、无功、或内部母线电压，并在调功率和调电压之间实时切换。

10.根据权利要求3所述无缝切换控制方法，其特征在于，所述直流母线电压在接多个储能系统时的外环控制输出给定由母线电压设定值和储能变换器输出电流构成的改进下垂曲线决定。