CN111641227A - 基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统 - Google Patents

基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统 Download PDF

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CN111641227A CN202010484831.6A CN202010484831A CN111641227A CN 111641227 A CN111641227 A CN 111641227A CN 202010484831 A CN202010484831 A CN 202010484831A CN 111641227 A CN111641227 A CN 111641227A
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徐红刚
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Abstract

本发明公开了基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，涉及基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统技术，包括路由器主电路拓扑和柔性协调控制单元，路由器主电路拓扑包括两个ACDC双向逆变器、DCDC变换器组、快速切换装置；柔性协调控制单元采用以太网通讯实时交互直流负荷表计、主电路直流表计、以及储能单元、光伏单元、快速切换装置和两个ACDC双向逆变器各底层模块信息。本发明还提供了一种基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统的应用。本发明现了多种模式下柔性控制策略，实现了“源‑网‑荷‑储”协调优化运行，适应未来电力市场化的需求，解决了多母线间能量搬移、多母线失电后协调控制技术。

Description

基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统
技术领域
本发明属于电力电网技术，具体涉及一种基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统及其应用。
背景技术
随着新能源发电(分布式发电)、电气化交通、储能系统等的发展，电力系统正进入“源-网-荷-储”协调优化运行的新阶段，从传统的发输配模式演化为电能自治单元对等互联的新体系。在目前泛在电力物联网技术背景下，可再生能源发电、储能设备及各种类型的用能负载的接入，传统的电力系统设备无法满足供电形式多样的能量多向流动以及实时功率调控等要求，无法适应未来电力市场化的需要。
能源路由器是能源互联网的关键设备，按照功率大小和应用场合有两种实现方案：
(1)基于电子电力变压器的能源路由器：电子电力变压器(ElectronicPowerTransformer，EPT)，又称电力电子变压器(PET)、固态变压器(SolidState Transformer，SST)，是一种电力电子变换技术和基于电磁感应的高频电能变换技术相结合，实现一种电能形式向另一种电能形式转换的静态电子设备。与传统变压器相比，EPT可实现电压、功率的灵活控制，改善电能质量补偿无功和提高系统稳定性，在智能电网领域应用广泛，是电能路由器结构的合适之选。该方案一般为主干电能路由器，功率较大，电压等级较高(一般10kV以上)，可以提供直流母线，供电区域较大，如美国FREEDM项目所构建能源互联网中能源路由器的结构。EPT一般有三级结构，分别是输入级、输出级和隔离级。其中，输入级和输出级均为换流器，交流或直流输入电压经过输入级后变换成高频方波，由隔离级中高频变压器实现电压等级变换，再通过输出级变换得到需要的电压。
(2)基于多端口变换器的电能路由器
基于多端口变换器(Muli-Port Converter，MPC)的电能路由器一般用于中小功率场合，不一定提供直流母线。在小区、楼宇、家庭等低压系统中实现电网、负荷、小型分布式能源之间的电能变换与功率控制，适合用于区域电能路由器。直流型MPC多为一些常见DC/DC变换的变形或组合，目前有很多学者对MPC进行了研究。多种含有交流或直流母线的大容量MPC拓扑，各端口与交流或直流母线相连，相互独立，可实现能量双向流动，目前应用比较广泛。
现有能源路由器设备目前采用较多有上述电力电子变压器、级联多端口以及低压多端口等；三种拓扑仅仅电压形式、等级及端口接入的变化，其实际仅仅在输出的直流母线(或交流母线)内进行组网，实现能量的调度控制，无法实现多个母线之间能量调度。
发明内容
本发明的目的是为了解决在不同交流母线间在全部并网、全部离网，一并一离的工况下，能源路由器设备之间的协调控制，而提出的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，包括路由器主电路拓扑和用于协调整个系统控制、保护、完成整个系统能量控制调度的柔性协调控制单元，所述路由器主电路拓扑包括：
两个前级大功率ACDC双向逆变器，用于连接1#和2#两段交流母线的1#ACDC和2#ACDC，每段交流母线上设有交流接入和交流负载；
DCDC变换器组，所述DCDC变换器组包括用于接入储能系统的1#DCDC，用于接入光伏组件的2#DCDC，用于接入直流负载的3#DCDC；
快速切换装置，连接在ACDC双向逆变器与交流母线之间，用于控制系统在PQ模式和VF模式运行切换；
所述柔性协调控制单元采用以太网通讯实时交互底层模块间信息；
所述底层模块包括用于检测直流负载的直流负荷表计、用于检测主直流电路的主电路直流表计、用于储能系统控制的储能单元、用于光伏组件控制的光伏单元、用于快速切换装置的STS模块和两个所述ACDC双向逆变器，各底层模块信息通过控制系统上传至上级监控，控制系统根据信息实时控制各底层模块运行方式。
进一步的，所述主直流电路采用750V。
进一步的，所述快速切换装置在PQ模式和VF模式运行切换时，主动切换时间0ms，被动切换时间小于20ms。
进一步的，所述以太网采用CAN/RS485。
本发明还提供了一种基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统的应用，所述柔性控制系统可提供多种运行模式的控制策略应用；
运行模式一：在该运行模式下，1#ACDC运行直流稳压模式，用于建立稳定直流电压；2#ACDC双向运行PQ模式，用于进行双向有功的调节，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电流源模式，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式二：在该运行模式下，2#母线失电，柔性协调控制单元检测到快速切换装置动作后，控制2#ACDC运行在VF模式，给2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电流源模式，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式三：在该运行模式下，1#母线失电，柔性协调控制单元检测到快速切换装置动作后，控制1#ACDC运行在VF模式，给1#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电流源模式，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式四：在该运行模式下，1#、2#母线均失电，柔性协调控制单元检测到快速切换装置动作后，控制1#ACDC、2#ACDC均运行在VF模式，分别给1#、2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电压源模式，稳定直流母线电压，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式五：在该运行模式下，2#由母线改变为重要负荷，控制1#ACDC工作在直流稳压模式，2#ACDC一直运行VF模式，给2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电流源模式，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式六：在该运行模式下，1#由母线改变为重要负荷，控制2#ACDC工作在直流稳压模式，1#ACDC一直运行VF模式，给1#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元控制1#DCDC工作在电流源模式，2#DCDC工作在电流源模式，3#DCDC工作在电压源模式；
运行模式七：在该运行模式为纯离网型，此模式下，1#ACDC(2)、2#ACDC(3)一直运行VF模式，分别给1#、2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电压源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式，此模式下，能量来源全部来自光伏发电。
本发明提出的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，有益效果在于：
(1)、本发明在电力物联网的大环境下，实现了发电、用能、保电等多种功能，为能源路由器的研制提供了一种新的解决思路。
(2)、本发明实现了多种模式下柔性控制策略，实现了“源-网-荷-储”协调优化运行，可支持可再生能源发电、储能设备及各种类型的用能负载的接入，适应未来电力市场化的需求。
(3)、本发明解决了多母线间能量搬移、多母线失电后协调控制技术。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的路由器主电路拓扑的结构示意图；
图2是本发明的系统框图；
图3是本发明中关于实施例1的运行模式一；
图4是本发明中关于实施例2的运行模式二；
图5是本发明中关于实施例3的运行模式三；
图6是本发明中关于实施例4的运行模式四；
图7是本发明中关于实施例5的运行模式五；
图8是本发明中关于实施例6的运行模式六；
图9是本发明中关于实施例7的运行模式七；
图10是本发明中关于初步实施方案的结构示意图。
图中标记为：1、柔性协调控制单元；2、1#ACDC；3、2#ACDC；4、1#DCDC；5、2#DCDC；6、3#DCDC；7、直流负荷表计；8、主电路直流表计；9、储能单元；10；光伏单元；11、STS模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1、2、10，基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，包括750V路由器主电路拓扑和用于协调整个系统控制、保护、完成整个系统能量控制调度的柔性协调控制单元1，路由器主电路拓扑包括：两个前级大功率ACDC双向逆变器、DCDC变换器组、快速切换装置。
两个前级大功率ACDC双向逆变器用于连接400V的1#和2#两段交流母线的50kW的1#ACDC2和50kW的2#ACDC3，每段交流母线上设有交流接入和20kW交流负载，ACDC双向逆变器实现母线间能量搬移；稳定直流母线电压；当某段母线断电后，转入VF模式运行，提供稳定输出电源。
DCDC变换器组包括50kW的1#DCDC4、50kW的2#DCDC5和20kW的3#DCDC6，1#DCDC4用于接入储能系统，储能系统可以为100kWh的锂电池储能系统，1#DCDC4为电池组进行充放电，2#DCDC5用于接入组串式光伏，3#DCDC6用于接入220V直流负载，给直流负载进行供电。
快速切换装置为100kW的STS11，连接在ACDC双向逆变器与交流母线之间，用于控制系统在PQ模式和VF模式运行切换，快速切换装置在PQ模式和VF模式运行切换时，主动切换时间0ms，被动切换时间小于20ms。
柔性协调控制单元1采用以太网通讯实时交互底层模块间信息，以太网采用CAN/RS485，所述底层模块包括用于检测直流负载的直流负荷表计7、用于检测750V主电路直流表计8、用于储能系统控制的储能单元9、用于光伏组件控制的光伏单元10、用于快速切换装置的STS模块11和两个ACDC双向逆变器，各底层模块信息通过控制系统上传至上级监控，控制系统根据信息实时控制各底层模块运行方式。完成两个母线间的能量转移、直流母线内光伏、负荷、储能间能量优化控制、1#母线失电、2#母线失电及母线均失电后的模式切换及能量协调策略。
本发明的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，在电力物联网的大环境下，实现了发电、用能、保电等多种功能，为能源路由器的研制提供了一种新的解决思路。实现了多种模式下柔性控制策略，实现了“源-网-荷-储”协调优化运行，可支持可再生能源发电、储能设备及各种类型的用能负载的接入，适应未来电力市场化的需求。同时解决了多母线间能量搬移、多母线失电后协调控制技术。
本发明还提供了一种基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统的应用，所述柔性控制系统可提供多种运行模式的控制策略应用。
实施例1
参见图3，提供了运行模式一：在该运行模式下，1#ACDC2运行直流稳压模式，用于建立稳定直流电压；2#ACDC3双向运行PQ模式，用于进行双向有功的调节，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电流源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。在此模式下，能量流向为：①通过调节2#ACDC5的有功功率可以实现1#和2#母线的能量搬移；②考虑经济化运行，优先使用光伏发电；③光伏给直流负载供电，光伏无法消纳时，可以通过控制将光伏发电能量通过1#ACDC、2#ACDC将能量搬移到1#交流母线或2#交流母线中，给交流负载供电；④光伏无法满足负荷的容量时，此时储能进行放电，通过能量调节，储能给直流负载供电；同时储能通过1#ACDC2、2#ACDC3将能量搬移到1#交流母线或2#交流母线中，给交流负载供电；⑤储能在夜间谷电时充电，电量来源于1#交流母线或2#交流母线；⑥1#母线或2#母线给直流负载供电；⑦1#ACDC2和2#ACDC3运行模式可以互换。
实施例2
参见图4，提供了运行模式二：在该运行模式下，2#母线失电，柔性协调控制单元1检测到STS模块11动作后，控制2#ACDC3运行在VF模式，给2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电流源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。此模式下，能量的流向为：①通过能量调度1#母线对2#母线的重要负载进行供电；②考虑经济化运行，优先使用光伏发电；③光伏给直流母线内直流负载供电，光伏无法消纳时，可以通过控制将光伏发电能量通过2#ACDC3给2#母线的重要交流负载供电；④光伏无法满足负荷的容量时，此时储能进行放电，通过能量调节，储能给直流负载供电；同时储能通过2#ACDC3给2#交流母线中的重要交流负载供电；⑤储能在夜间谷电时充电，电量来源于1#交流母线；⑥1#母线给直流负载供电；⑥1#母线给直流负载供电；⑦当2#母线恢复时，STS11快速切换，2#ACDC3运行在直流稳压模式，其他装置保持不变，运行模式参考运行模式一。
实施例3
参见图5，提供了运行模式三：在该运行模式下，1#母线失电，柔性协调控制单元1检测到STS模块11动作后，控制1#ACDC2运行在VF模式，给1#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电流源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。此模式下，能量的流向为：参考运行模式二。
实施例4
参见图6，提供了运行模式四：在该运行模式下，1#、2#母线均失电，柔性协调控制单元1检测到STS模块11动作后，控制1#ACDC2、2#ACDC3均运行在VF模式，分别给1#、2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电压源模式，稳定直流母线电压，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。此模式下，能量的流向为：①1#DCDC4控制运行在电压源模式，稳定直流母线电压；②光伏正常发电；光伏给直流母线内直流负载供电，光伏无法消纳时，可以通过控制将光伏发电能量通过1#ACDC2、2#ACDC3分别给1#、2#母线的重要交流负载供电；如果此时光伏还有富余电量，通过调节光伏给储能充电；③光伏无法满足负荷的容量时，此时储能根据负载情况进行放电，储能给直流负载供电；同时储能1#ACDC2、2#ACDC3分别给1#、2#母线的重要交流负载供电；④当1#母线恢复时，STS模块11快速切换，1#ACDC2运行在直流稳压模式，1#DCDC4切换至电流源模式，其他装置保持不变，运行模式参考模式三；⑤当2#母线恢复时，STS模块11快速切换，2#ACDC3运行在直流稳压模式，1#DCDC4切换至电流源模式，其他装置保持不变，运行模式参考模式二；⑥当1#、2#母线同时恢复时，STS模块11快速切换，1#ACDC2运行在直流稳压模式，2#ACDC3运行在双向PQ模式，1#DCDC4切换至电流源模式，其他装置保持不变，运行模式参考模式一。
实施例5
参见图7，提供了运行模式五：在该运行模式下，2#由母线改变为重要负荷，控制1#ACDC2工作在直流稳压模式，2#ACDC3一直运行VF模式，给2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电流源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。此模式下，能量的流向为：①能量流向参考模式二；②当1#母线失电后能量流向参考模式四。
实施例6
参见图8，提供了运行模式六：在该运行模式下，1#由母线改变为重要负荷，控制2#ACDC3工作在直流稳压模式，1#ACDC2一直运行VF模式，给1#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电流源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式。此模式下，能量的流向为：①能量流向参考模式三；②当2#母线失电后能量流向参考模式四。
实施例7
参见图9，提供了运行模式七：在该运行模式为纯离网型，此模式下，1#ACDC2、2#ACDC3一直运行VF模式，分别给1#、2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元1控制1#DCDC4工作在电压源模式，2#DCDC5工作在电流源模式，3#DCDC6工作在电压源模式，此模式下，能量来源全部来自光伏发电也可以是其他新能源发点。在此模式下，能量的流向为：①储能工作在电压源模式，稳定直流电压，光伏优先给储能充电，保证重要负荷应用时，储能存有电量；②光伏满发且有富余容量时给直流负载、交流负载供电；③重要负荷供电时，储能通过1#、2#ACDC2、3给重要负载供电。
多种运行模式根据应用情况，可自动切换。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，其特征在于：包括路由器主电路拓扑和用于协调整个系统控制、保护、完成整个系统能量控制调度的柔性协调控制单元(1)，所述路由器主电路拓扑包括：
两个前级大功率ACDC双向逆变器，用于连接1#和2#两段交流母线的1#ACDC(2)和2#ACDC(3)，每段交流母线上设有交流接入和交流负载；
DCDC变换器组，所述DCDC变换器组包括用于接入储能系统的1#DCDC(4)，用于接入光伏组件的2#DCDC(5)，用于接入直流负载的3#DCDC(6)；
快速切换装置，连接在ACDC双向逆变器与交流母线之间，用于控制系统在PQ模式和VF模式运行切换；
所述柔性协调控制单元(1)采用以太网通讯实时交互底层模块间信息；
所述底层模块包括用于检测直流负载的直流负荷表计(7)、用于检测主直流电路的主电路直流表计(8)、用于储能系统控制的储能单元(9)、用于光伏组件控制的光伏单元(10)、用于快速切换装置的STS模块(11)和两个所述ACDC双向逆变器，各底层模块信息通过控制系统上传至上级监控，控制系统根据信息实时控制各底层模块运行方式。
2.根据权利要求1所述的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，其特征在于，所述主直流电路采用750V。
3.根据权利要求2所述的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，其特征在于，所述快速切换装置在PQ模式和VF模式运行切换时，主动切换时间0ms，被动切换时间小于20ms。
4.根据权利要求1所述的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统，其特征在于，所述以太网采用CAN/RS485。
5.一种根据权利要求1所述的基于储能型低压交直流多端口能量路由器柔性控制系统的应用，其特征在于，所述柔性控制系统可提供多种运行模式的控制策略应用；
运行模式一：在该运行模式下，1#ACDC(2)运行直流稳压模式，用于建立稳定直流电压；2#ACDC(3)双向运行PQ模式，用于进行双向有功的调节，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电流源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式二：在该运行模式下，2#母线失电，柔性协调控制单元(1)检测到快速切换装置动作后，控制2#ACDC(3)运行在VF模式，给2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电流源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式三：在该运行模式下，1#母线失电，柔性协调控制单元(1)检测到快速切换装置动作后，控制1#ACDC(2)运行在VF模式，给1#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电流源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式四：在该运行模式下，1#、2#母线均失电，柔性协调控制单元(1)检测到快速切换装置动作后，控制1#ACDC(2)、2#ACDC(3)均运行在VF模式，分别给1#、2#母线的重要负载供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电压源模式，稳定直流母线电压，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式五：在该运行模式下，2#由母线改变为重要负荷，控制1#ACDC(2)工作在直流稳压模式，2#ACDC(3)一直运行VF模式，给2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电流源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式六：在该运行模式下，1#由母线改变为重要负荷，控制2#ACDC(3)工作在直流稳压模式，1#ACDC(2)一直运行VF模式，给1#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电流源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式；
运行模式七：在该运行模式为纯离网型，此模式下，1#ACDC(2)、2#ACDC(3)一直运行VF模式，分别给1#、2#的重要负荷保供电，柔性协调控制单元(1)控制1#DCDC(4)工作在电压源模式，2#DCDC(5)工作在电流源模式，3#DCDC(6)工作在电压源模式，此模式下，能量来源全部来自光伏发电。
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