CN112736972A - 一种新型能源路由器的拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型能源路由器的拓扑结构包括：直流微电网、交流微电网和主网，所述直流微电网与主网之间设有逆变器VSC0，所述直流微电网与交流微电网之间设有逆变器VSC1，所述交流微电网内部设有逆变器VSC2和逆变器VSC3。将分布式电源由能源路由器的逆变器接入后，形成了交流微电网和直流微电网，之后再与主网形成互联架构，避免当大量分布式电源单独直接接入配电网末端时，造成电网电压闪变、谐波含量过大、电压过低等电能质量问题，对电网及用户产生不利影响；优先微电网之间的能量交换的，促进了相邻微电网之间的能量互换，减少了微电网内部负荷对主网供电的依赖程度，促进了分布式发电系统的出力被充分消纳。

Description

一种新型能源路由器的拓扑结构及其控制方法

技术领域

本发明属于城市配电网和能源路由器技术领域，具体涉及一种新型能源路由器的拓扑结构及其控制方法。

背景技术

随着可再生能源发电的渗透率和电力电子装备的应用比例在电力系统中的逐步提高，以及信息技术与物理系统的加速融合，新一代多能互补的综合电力系统逐渐建立，促使城市配电网也经历着一系列的发展和变化。

作为分散式资源协同作用的“中介”能源路由器具有无可比拟的优势，尤其针对高频电力电子接口具有灵活的“即插即用”功能，可有效提高目前电网对分布式能源、储能、可控负荷的灵活接入程度，提高城市电网的兼容性和灵活性。目前，能源路由器主电路结构为固态变压器，其能量管理与控制模块、网络通信模块协同作用根据信息流控制能量流，实现通信、控制与管理功能。能源路由器接入城市配电网，可实现电压、电流和功率的灵活调节，为城市负荷可靠供电。采用能源路由器作为未来电力系统中的一次调控设备，将信息和电能的高度融合，达到精确、连续、快速、灵活的调控效果，从而将电网的韧性、兼容性和经济性有效提高，使系统各参与者即电能的供应者、经营者与使用者获得更多的价值。

发明内容

本发明的目的在于将对城市配电网的发展、特性、构成，以及城市配电网基于能源路由器所形成的交直流混合趋势、微电网与主网互联架构和含能源路由器的城市配电网网架结构等进行模块化，并且提出了一种能源路由器的拓扑结构及其控制方法，分析了其工作模式。主要目的是实现未来城市配电网中的微电网间能量优先互补，减少负荷对主网的依赖，从而充分消纳微电网内新能源出力。

本发明公开一种新型能源路由器的拓扑结构，包括：

直流微电网、交流微电网和主网，所述直流微电网的直流母线电压为750V，所述交流微电网的交流母线电压为380V，所述直流微电网与主网之间设有逆变器VSC0，所述直流微电网与交流微电网之间设有逆变器VSC1，所述交流微电网内部设有逆变器VSC2和逆变器VSC3。

进一步地，

还包括滤波器L，所述逆变器VSC0、VSC1、VSC2和VSC3的交流侧与滤波器L是三相对称回路，还包括开关S,s_ij为三相两电平VSCi，i＝0、1、2、3的单相桥臂开关函数：

i＝0,1,2,3；j＝a,b,c。

进一步地，

逆变器VSCi，i＝0、1、2、3，在dq旋转坐标系下的三相电路方程为：

式中，L_i为逆变器VSCi的滤波电感，ω_i为逆变器VSCi交流侧的频率，i_di和i_qi分别为交流测i_abci的d轴和q轴的分量，u_di和u_qi，分别为u_abci的d轴和q轴的分量，u_abci和i_abci是VSCi的三相电压和电流，s_di和s_qi分别是开关函数的d轴和q轴分量，u_dci为逆变器直流侧的电压。

进一步地，

VSCi，i＝0、1、2、3在dq旋转坐标系下的电流方程为：

直流母线电流计算方程为：

i_{dc_Bus}＝i_dc0-i_dc1

i_dc0为VSC0直流侧电流瞬时值，i_dc1为VSC1直流侧电流瞬时值；

交流母线电流计算方程为：

i_{abc_Bus}＝i_abc1＝i_abc2+i_abc3+i_{load_ac}

i_abc1为VSC1交流测三相电流瞬时值，i_abc2代表VSC2交流测三相电流瞬时值,

i_abc3代表VSC3交流测三相电流瞬时值,i_load-ac代表负荷的电流瞬时值；

交流微电网和直流微电网内部的交换功率为：

P_AC＝P_{DG_AC}+P_{ES_AC}+P_{Load_AC}

P_DC＝P_{DG_DC}+P_{ES_DC}+P_{Load_DC}

式中，P_DG为分布式电源的有功功率，P_ES为储能的有功功率，P_Load为负荷的有功功率，且产生功率为正，消耗功率为负。

进一步地，

交、直流微电网与主网经逆变器VSC0交换的功率表示为：

P_VSC0＝P_Grid＝-(P_AC+P_DC)

P_Grid为主网的对外的流动功率。

进一步地，

所述能源路由器的拓扑结构包括六种工作模式：

模式一：当P_DC≥0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式二：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式三：当P_DC≥0，P_AC<0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式四：当P_DC<0，P_AC<0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式五：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式六：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式。

进一步地，一种新型能源路由器的拓扑结构的控制方法，包括：

所述直流母线电压依靠储能稳定，所述逆变器VSC0采用PQ控制方式；根据主网功率的流动方向区分VSC0的工作模式，若P_VSC0≥0，则逆变器VSC0工作于逆变模式，若P_VSC0<0，则逆变器VSC0工作于整流模式；

能源路由器中交流母线电压和频率依靠VSC1保持稳定，则VSC1采用V/f控制方式。根据交流微电网对外的功率流动方向区分VSC1的工作模式，若P_AC≥0，则VSC1工作于逆变方式，若P_AC<0，则VSC1工作于整流模式；

交流微电网内部的逆变器VSC2连接光伏电源采用PQ控制方式，工作于逆变模式，交流微电网内部的逆变器VSC3连接储能系统，正常运行时平抑交流微电网内部的功率波动，工作于逆变或整流模式，在非正常运行时，作为短时的冗余电源供应重要负荷，作为冗余电源的VSC3工作于逆变模式。

本发明具有的有益效果：

(1)为城市配电网中的分布式的清洁能源提供了接入主电网的标准格式化接口；

(2)将分布式电源由能源路由器的逆变器接入后，形成了交流微电网和直流微电网，之后再与主网形成互联架构，避免当大量分布式电源单独直接接入配电网末端时，造成电网电压闪变、谐波含量过大、电压过低等电能质量问题，对电网及用户产生不利影响；

(3)针对所设计的能源路由器的协调控制方法，是优先微电网之间的能量交换的，促进了相邻微电网之间的能量互换，减少了微电网内部负荷对主网供电的依赖程度，促进了分布式发电系统的出力被充分消纳。

附图说明

图1基于能源路由器的城市配电网架构；

图2能源路由器的拓扑结构图；

图3能源路由器的拓扑结构图；

图4能源路由器综合控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，未来城市配电网的交直流混合形式将是电网发展的必经之路，大量基于电力电子器件的供用电设备对电能质量要求非常高，对电能质量的干扰十分敏感，因此，基于能源路由器的交、直流集成微电网和主电网的互联架构，充分考虑了未来城市配电网的交直流混合的发展趋势，并且选择了适应城市配电网发展的分布式电源的形式去集成微电网。光伏发电系统和储能系统，对应于城市配电系统中的很可能大量推广的建筑光伏一体化和已经大量应用的电动汽车，因此，该设计更加符合未来城市电网的实际发展，而将这样的互联形式作为未来城市电网的基础模块，便于城市电网的改造和扩建。

如图2所示，本发明的一种新型能源路由器的拓扑结构，包括：

直流微电网、交流微电网和主网，所述直流微电网的直流母线电压为750V，所述交流微电网的交流母线电压为380V，所述直流微电网与主网之间设有逆变器VSC0，所述直流微电网与交流微电网之间设有逆变器VSC1，所述交流微电网内部设有逆变器VSC2和逆变器VSC3。所述直流微电网和交流微电网还分别设有光伏系统和储能系统。

如图3所示，能源路由还包括滤波器L、和开关S，逆变器VSCi(i＝0，1，2，3)的交流侧和滤波器L是三相对称回路，U_{abc_i}和i_{abc_i}是VSCi的三相电压和电流，而U_{dc_bus}和I_{dc_bus}是直流母线电压和电流，P_Grid、P_AC、P_DC分别为主网、交流微电网、直流微电网的内部的交换功率。

s_ij为三相两电平VSCi(i＝0，1，2，3)的单相桥臂开关函数：

逆变器VSCi(i＝0，1，2，3)在dq旋转坐标系下的三相电路方程为：

式中，L_i代表VSCi的滤波电感，ω_i代表VSCi交流侧的频率，i_di，i_qi，u_di，u_qi，分别代表交流测i_abci和u_abci的d轴和q轴的分量，s_di和s_qi分别是开关函数的d轴和q轴分量；u_dci代表逆变器直流侧的电压。

VSCi(i＝0，1，2，3)在dq旋转坐标系下的电流方程为：

直流母线电流计算方程为：

i_{dc_Bus}＝i_dc0-i_dc1 (3-4)

交流母线电流计算方程为：

i_{abc_Bus}＝i_abc1＝i_abc2+i_abc3+i_{load_ac} (3-5)

直流微电网和交流微电网内部的交换功率为：

式中，P_DG为分布式电源的有功功率，P_ES为储能的有功功率，P_Load为负荷的有功功率，且产生功率为正，消耗功率为负。

交、直流微电网与主网经逆变器VSC0交换的功率表示为：

P_VSC0＝P_Grid＝-(P_AC+P_DC) (3-7)

如图4所示，本发明的一种新型能源路由器的拓扑结构的控制方法，包括：

所述直流母线电压依靠储能稳定，所述逆变器VSC0采用PQ控制方式；根据主网功率的流动方向区分VSC0的工作模式，若P_VSC0≥0，则逆变器VSC0工作于逆变模式，若P_VSC0<0，则逆变器VSC0工作于整流模式；

能源路由器中交流母线电压和频率依靠VSC1保持稳定，则VSC1采用V/f控制方式。根据交流微电网对外的功率流动方向区分VSC1的工作模式，若P_AC≥0，则VSC1工作于逆变方式，若P_AC<0，则VSC1工作于整流模式；

交流微电网内部的逆变器VSC2连接光伏电源采用PQ控制方式，工作于逆变模式，交流微电网内部的逆变器VSC3连接储能系统，正常运行时平抑交流微电网内部的功率波动，工作于逆变或整流模式，在非正常运行时，作为短时的冗余电源供应重要负荷，作为冗余电源的VSC3工作于逆变模式。

根据直流微电网、交流微电网和主网的功率流向，可以得出能源路由器的六种工作模式：

模式一：当P_DC≥0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式二：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式三：当P_DC≥0，P_AC<0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式四：当P_DC<0，P_AC<0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式五：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式六：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于，包括：

直流微电网、交流微电网和主网，所述直流微电网的直流母线电压为750V，所述交流微电网的交流母线电压为380V，所述直流微电网与主网之间设有逆变器VSC0，所述直流微电网与交流微电网之间设有逆变器VSC1，所述交流微电网内部设有逆变器VSC2和逆变器VSC3。

2.根据权利要求1所述的一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于：

还包括滤波器L，所述逆变器VSC0、VSC1、VSC2和VSC3的交流侧与滤波器L是三相对称回路，还包括开关S,s_ij为三相两电平VSCi，i＝0、1、2、3的单相桥臂开关函数：

i＝0,1,2,3；j＝a,b,c。

3.根据权利要求2所述的一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于：

逆变器VSCi，i＝0、1、2、3，在dq旋转坐标系下的三相电路方程为：

式中，L_i为逆变器VSCi的滤波电感，ω_i为逆变器VSCi交流侧的频率，i_di和i_qi分别为交流测i_abci的d轴和q轴的分量，u_di和u_qi，分别为u_abci的d轴和q轴的分量，u_abci和i_abci是VSCi的三相电压和电流，s_di和s_qi分别是开关函数的d轴和q轴分量，u_dci为逆变器直流侧的电压。

4.根据权利要求3所述的一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于：

VSCi，i＝0、1、2、3在dq旋转坐标系下的电流方程为：

直流母线电流计算方程为：

i_{dc_Bus}＝i_dc0-i_dc1

i_dc0为VSC0直流侧电流瞬时值，i_dc1为VSC1直流侧电流瞬时值；交流母线电流计算方程为：

i_{abc_Bus}＝i_abc1＝i_abc2+i_abc3+i_{load_ac}

i_abc1为VSC1交流测三相电流瞬时值，i_abc2代表VSC2交流测三相电流瞬时值,

i_abc3代表VSC3交流测三相电流瞬时值,i_load-ac代表负荷的电流瞬时值；

交流微电网和直流微电网内部的交换功率为：

P_AC＝P_{DG_AC}+P_{ES_AC}+P_{Load_AC}

P_DC＝P_{DG_DC}+P_{ES_DC}+P_{Load_DC}

式中，P_DG为分布式电源的有功功率，P_ES为储能的有功功率，P_Load为负荷的有功功率，且产生功率为正，消耗功率为负。

5.根据权利要求4所述的一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于：

交、直流微电网与主网经逆变器VSC0交换的功率表示为：

P_VSC0＝P_Grid＝-(P_AC+P_DC)

P_Grid为主网对外的流动功率。

6.根据权利要求5所述的一种新型能源路由器的拓扑结构，其特征在于：

所述能源路由器的拓扑结构包括六种工作模式：

模式一：当P_DC≥0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式二：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式三：当P_DC≥0，P_AC<0，P_Grid<0时，逆变器VSC0工作于逆变模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式四：当P_DC<0，P_AC<0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式；

模式五：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于整流模式；

模式六：当P_DC<0，P_AC≥0，P_Grid≥0时，逆变器VSC0工作于整流模式，逆变器VSC1工作于逆变模式。

7.根据权利要求5所述的一种新型能源路由器的拓扑结构的控制方法，其特征在于，

包括：

所述直流母线电压依靠储能稳定，所述逆变器VSC0采用PQ控制方式；根据主网功率的流动方向区分VSC0的工作模式，若P_VSC0≥0，则逆变器VSC0工作于逆变模式，若P_VSC0<0，则逆变器VSC0工作于整流模式；

能源路由器中交流母线电压和频率依靠VSC1保持稳定，则VSC1采用V/f控制方式。根据交流微电网对外的功率流动方向区分VSC1的工作模式，若P_AC≥0，则VSC1工作于逆变方式，若P_AC<0，则VSC1工作于整流模式；

交流微电网内部的逆变器VSC2连接光伏电源采用PQ控制方式，工作于逆变模式，交流微电网内部的逆变器VSC3连接储能系统，正常运行时平抑交流微电网内部的功率波动，工作于逆变或整流模式，在非正常运行时，作为短时的冗余电源供应重要负荷，作为冗余电源的VSC3工作于逆变模式。

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