CN112994057A - 一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法 - Google Patents

一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，所述的系统包括即插即用模块，所述即插即用模块包括直流母线接口，以及交流母线接口，分别用于连接到外部直流母线或交流母线，或将即插即用模块直接连接到母体柜；当所述即插即用模块通过直流母线接口、交流母线接口接入外部直流母线、交流母线时或者例如接入外部母体柜运行时，执行集成运行策略；当所述即插即用模块不与外部直流母线或交流母线连接，作为便携式移动装置使用时，执行独立运行策略。本发明的控制方法有利于提升分布式能源/氢能利用率，有效弥补现有缺陷，实现经济优化，应用前景广阔。

Description

一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法
技术领域
本发明涉及制氢及能源领域，具体涉及一种模块化分布式能源/氢能能量路由器系统的经济运行控制方法。
背景技术
氢能由于其从制备到消费各个阶段都不产生污染物，并具备在高海拔高寒等极端天气地区应用的良好适应性，越来越受到人们的关注。目前在电力领域，可以选择使用可再生能源制氢作为电力调峰的手段。但现有的风/光互补制氢系统通常采用可再生能源交流汇集的方式，存在大量不必要的电力电子变换环节，系统的效率和可靠性较低、控制复杂，并且难以选择取能成本最低的储能控制策略。
近年来，相关学者提出了交直流混合微网、能量路由器技术，降低交直流变换环节，将可再生能源通过直流微网进行集成，在一定程度上为实现可再生能源互补制氢提供了有效的技术手段。
专利“用于分布式发电的能量路由器”201110268090.9提供一种组网方案、稳定控制手段和负荷管理策略，使得多种不稳定电源接入该能量路由器之后，输出为稳定的可控的交流电能。
现有控制方法侧重于稳定交/直流母线电压的幅值以及不同电压等级的多种制氢负荷需求，但难以选择最优储能功率使得系统整体经济性最佳。
发明内容
本发明针对这一新问题，提出一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，包括如下步骤：
本发明的技术方案为：一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，所述的系统包括即插即用模块，所述即插即用模块包括直流母线接口，以及交流母线接口，分别用于连接到外部直流母线或交流母线，或将即插即用模块直接连接到母体柜；其特征在于：
当所述即插即用模块通过直流母线接口、交流母线接口接入外部直流母线、交流母线时或者例如接入外部母体柜运行时，执行集成运行策略；
当所述即插即用模块不与外部直流母线或交流母线连接，作为便携式移动装置使用时，执行独立运行策略。
进一步的，所述的集成运行策略或独立运行策略，获取即插即用模块中的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率，将所述的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率代入预设的价格模型获取储能充电费用，直流母线取能费用，交流母线取能费用；将所述的直流母线取能费用，交流母线取能费用数值进行比对，储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率进行比对；根据比对结果和直流母线交换功率，交流母线交换功率数值，以控制模块中的开关，选择最经济的控制策略。
集成运行时，第一直流开关、第一交流开关导通，第二直流开关导通，其余开关断开。
进一步的，当即插即用模块投入母体柜时，或连接到外部直流母线或交流母线时，且第一直流总线电压需要调整时，第一直流开关、第一交流开关导通，第三直流开关导通，第四DC/DC变换器工作；其余开关断开；
设定：
Ces＝|Pes|jes
CDC＝a1+a2*|PDC|+a3*(PDC)2
Figure BDA0002937228470000021
其中，Ces为储能充电费用，Pes为储能充电功率，jes为储能充电的价格系数；
CDC为直流母线取能费用，PDC为直流母线交换功率，以流入即插即用模块为正方向，a1、a2、a3为相应的价格系数；
CAC为交流母线取能费用，PAC为交流母线交换功率，以流入即插即用模块为正方向，b1、b2、b3、b4为相应的价格系数。
进一步的，所述集成运行策略包括：
如果PDC>0且PAC>0时，储能装置接入第二DC/DC变换器以其额定功率进行充电，判断如果CAC>CDC，则启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes}；判断如果CDC>CAC且PDC>Pes，则不启动第一DC/AC变换器；判断如果CDC>CAC且PDC<Pes，则启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes-PDC}。
进一步的，所述集成运行策略包括：
如果PDC<0且PAC<0时，储能装置不参与优化管理。
进一步的，所述集成运行策略包括：
如果PDC<0，且PAC>0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器，Pes＝|X|*max{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)，并启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes}。
进一步的，所述集成运行策略包括：
如果PDC>0，且PAC<0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器，Pes＝min{PDC，|X|*min{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)}。
进一步的，当即插即用模块独立运行时，第一直流开关、第一交流开关断开，独立运行时的控制策略包括：
判断如果第一直流总线无电压时，此时需要交流总线为其提供支援，交流微网接入交流微网接口、或备用油机接入备用油机接口、或公用电网接入公用电网接口，第二交流开关、第三交流开关、第四交流开关相应导通，第五直流开关断开，第四直流开关导通，第一DC/AC变换器工作在整流模式，第二直流开关、第三直流开关断开；
判断如果交流总线无电压时，此时需要第一直流总线为其提供支援，第五直流开关导通，第一DC/AC变换器工作在逆变模式，其他开关断开。
进一步的，多路同时可导通的时候，第四交流开关导通优先级最高，第二交流开关导通优先级次之，第三交流开关导通优先级最低。
本发明通过获取即插即用模块中的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率。将所述的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率代入预设的价格模型获取储能充电费用，直流母线取能费用，交流母线取能费用。将所述的直流母线取能费用，交流母线取能费用数值进行比对，储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率进行比对。根据比对结果和直流母线交换功率，交流母线交换功率数值，以控制模块中的开关，选择最经济的控制策略。
有益效果：
本发明提出的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，能够在保持交流和直流电压稳定的基础上，根据模块的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率和储能充电费用，直流母线取能费用，交流母线取能费用，选择最优的控制策略，使得系统整体经济性最佳。本控制策略有利于提升分布式能源/氢能利用率。制氢系统接入可再生能源是电力调峰和消纳可再生能源的重要途径，模块化可再生能源/氢能能量路由器系统的控制策略优化的必要性日益凸显。本发明提出的技术可以有效弥补现有缺陷，实现经济优化，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的即插即用模块主电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，如图1所述，为本发明的即插即用模块主电路示意图；所述即插即用模块，包括直流母线接口10，以及交流母线接口11，分别用于连接到外部直流母线或交流母线；
所述即插即用模块还包括第一交流接口1、第一直流接口2、第二直流接口3、第三直流接口4、第四直流接口5、交流微网接口6、备用油机接口7、公用电网接口8、交流制氢接口9；以及第一AC/DC变换器31，第一DC/DC变换器32，第二DC/DC变换器33，第三DC/DC变换器34，第四DC/DC变换器35，第一DC/AC变换器36；
还包括第一直流总线21，第二直流总线22，第三直流总线23，交流总线41；
以及包括第一～第五直流开关KDC51、KDC52、KDC53、KDC54、KDC55；
以及包括第一～第四交流开关KAC61、KAC62、KAC63、KAC64。
可选的，本发明还可包括外部的母体柜，所述母体柜包含直流母线(正极、负极)、交流母线(A、B、C、N四线制)，所述的即插即用模块可以插接到所述母体柜上；
直流母线经过直流母线接口10连接第一直流开关KDC51，并经过第一直流开关KDC51连接第二直流总线22。
第一直流总线21经过第四直流开关KDC54连接第三直流总线23，第三直流总线23经过第一DC/AC变换器36连接交流总线41；第一直流总线21经过第五直流开关KDC55连接第三直流总线23，第三直流总线23经过第一DC/AC变换器36连接交流总线41。
交流母线经过交流母线接口11连接第一交流开关KAC61，并经过第一交流开关KAC61连接交流总线41；
交流微网经过交流微网接口6连接第二交流开关KAC62，并经过第二交流开关KAC62连接交流总线41；
备用油机经过备用油机接口7连接第三交流开关KAC63，并经过第三交流开关KAC63连接交流总线41；
公用电网经过公用电网接口8连接第四交流开关KAC64，并经过第四交流开关KAC64连接交流总线41；
本发明的即插即用模块在运行时，包括两种运行模式，即集成运行或独立运行。当即插即用模块通过直流母线接口、交流母线接口接入外部直流母线、交流母线时(或者例如接入外部母体柜)，可以集成运行；也可以独立运行，不与外部直流母线或交流母线连接，作为便携式移动装置使用。集成运行与独立运行可以提供灵活的应用方式。本发明为两种运行模式分别提供不同的控制策略，具体的，集成运行时的控制策略如下：
当即插即用模块投入母体柜时，或独立运行工况连接到外部直流母线或交流母线时，第一直流开关KDC51、第一交流开关KAC61导通，第二直流开关KDC52导通，其余开关断开。
当即插即用模块投入母体柜时，或独立运行工况连接到外部直流母线或交流母线时，且第一直流总线21电压需要调整时，第一直流开关KDC51、第一交流开关KAC61导通，第三直流开关KDC53导通，第四DC/DC变换器35工作。其余开关断开。
设定：
Ces＝|Pes|jes
CDC＝a1+a2*|PDC|+a3*(PDC)2
Figure BDA0002937228470000051
其中，Ces为储能充电费用，Pes为储能充电功率，jes为储能充电的价格系数；
CDC为直流母线取能费用，PDC为直流母线交换功率(以流入即插即用模块为正方向)，a1、a2、a3为相应的价格系数；
CAC为交流母线取能费用，PAC为交流母线交换功率(以流入即插即用模块为正方向)，b1、b2、b3、b4为相应的价格系数；
(1)如果PDC>0且PAC>0时，储能装置接入第二DC/DC变换器33以其额定功率进行充电，判断如果CAC>CDC，则启动第一DC/AC变换器36，运行在逆变状态，第一直流总线21向交流总线41注入功率，其数值为min{PAC，Pes}；判断如果CDC>CAC且PDC>Pes，则不启动第一DC/AC变换器36；判断如果CDC>CAC且PDC<Pes，则启动第一DC/AC变换器36，运行在逆变状态，第一直流总线21向交流总线41注入功率，其数值为min{PAC，Pes-PDC}。
(2)如果PDC<0且PAC<0时，储能装置不参与优化管理。
(3)如果PDC<0，且PAC>0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器33，Pes＝|X|*max{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)，并启动第一DC/AC变换器36，运行在逆变状态，第一直流总线21向交流总线41注入功率，其数值为min{PAC，Pes}。
(4)如果PDC>0，且PAC<0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器33，Pes＝min{PDC，|X|*min{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)}。
独立运行时的控制策略如下：
当即插即用模块独立运行时，第一直流开关KDC51、第一交流开关KAC61断开。
判断如果第一直流总线21无电压时，此时需要交流总线41为其提供支援，交流微网接入交流微网接口6、或备用油机接入备用油机接口7、或公用电网接入公用电网接口8，第二交流开关KAC62、第三交流开关KAC63、第四交流开关KAC64相应导通，(多路同时可导通的时候，第四交流开关KAC64导通优先级最高，第二交流开关KAC62导通优先级次之，第三交流开关KAC63导通优先级最低)。第五直流开关KDC55断开，第四直流开关KDC54导通，第一DC/AC变换器36工作在整流模式，第二直流开关KDC52、第三直流开关KDC53断开。
判断如果交流总线41无电压时，此时需要第一直流总线21为其提供支援，第五直流开关KDC55导通，第一DC/AC变换器36工作在逆变模式，其他开关断开。
本发明提出的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，能够在保持交流和直流电压稳定的基础上，根据模块的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率和储能充电费用，直流母线取能费用，交流母线取能费用，选择最优的控制策略，使得系统整体经济性最佳。本控制策略有利于提升分布式能源/氢能利用率。
制氢系统接入可再生能源是电力调峰和消纳可再生能源的重要途径，模块化可再生能源/氢能能量路由器系统的控制策略优化的必要性日益凸显。本发明提出的技术可以有效弥补现有缺陷，实现经济优化，应用前景广阔。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，所述的系统包括即插即用模块，所述即插即用模块包括直流母线接口，以及交流母线接口，分别用于连接到外部直流母线或交流母线，或将即插即用模块直接连接到母体柜；其特征在于：
当所述即插即用模块通过直流母线接口、交流母线接口接入外部直流母线、交流母线时或者接入外部母体柜运行时，执行集成运行策略；
当所述即插即用模块不与外部直流母线或交流母线连接，作为便携式移动装置使用时，执行独立运行策略。
2.根据权利要求1所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：
所述的集成运行策略或独立运行策略，获取即插即用模块中的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率，将所述的储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率代入预设的价格模型获取储能充电费用，直流母线取能费用，交流母线取能费用；将所述的直流母线取能费用，交流母线取能费用数值进行比对，储能充电功率，直流母线交换功率，交流母线交换功率进行比对；根据比对结果和直流母线交换功率，交流母线交换功率数值，以控制模块中的开关，选择最经济的控制策略。
3.根据权利要求2所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：
集成运行时，第一直流开关、第一交流开关导通，第二直流开关导通，其余开关断开。
4.根据权利要求1所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：
当即插即用模块投入母体柜时，或连接到外部直流母线或交流母线时，且第一直流总线电压需要调整时，第一直流开关、第一交流开关导通，第三直流开关导通，第四DC/DC变换器工作；其余开关断开；
设定：
Ces＝|Pes|jes
CDC＝a1+a2*|PDC|+a3*(PDC)2
Figure FDA0002937228460000011
其中，Ces为储能充电费用，Pes为储能充电功率，jes为储能充电的价格系数；
CDC为直流母线取能费用，PDC为直流母线交换功率，以流入即插即用模块为正方向，a1、a2、a3为相应的价格系数；
CAC为交流母线取能费用，PAC为交流母线交换功率，以流入即插即用模块为正方向，b1、b2、b3、b4为相应的价格系数。
5.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：所述集成运行策略包括：
如果PDC>0且PAC>0时，储能装置接入第二DC/DC变换器以其额定功率进行充电，判断如果CAC>CDC，则启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes}；判断如果CDC>CAC且PDC>Pes，则不启动第一DC/AC变换器；判断如果CDC>CAC且PDC<Pes，则启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes-PDC}。
6.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：所述集成运行策略包括：
如果PDC<0且PAC<0时，储能装置不参与优化管理。
7.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：所述集成运行策略包括：
如果PDC<0，且PAC>0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器，Pes＝|X|*max{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)，并启动第一DC/AC变换器，运行在逆变状态，第一直流总线向交流总线注入功率，其数值为min{PAC，Pes}。
8.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：所述集成运行策略包括：
如果PDC>0，且PAC<0时，设置临时变量X，X＝|PAC+PDC|，此时更新：
Ces＝|X|jes
CDC＝a1+a2*|X|+a3*(X)2
CAC＝b1+b2*|X|+b3*(X)2+b4*eX
储能装置接入第二DC/DC变换器，Pes＝min{PDC，|X|*min{Ces，CDC，CAC}/(Ces+CDC+CAC)}。
9.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：
当即插即用模块独立运行时，第一直流开关、第一交流开关断开，独立运行时的控制策略包括：
判断如果第一直流总线无电压时，此时需要交流总线为其提供支援，交流微网接入交流微网接口、或备用油机接入备用油机接口、或公用电网接入公用电网接口，第二交流开关、第三交流开关、第四交流开关相应导通，第五直流开关断开，第四直流开关导通，第一DC/AC变换器工作在整流模式，第二直流开关、第三直流开关断开；
判断如果交流总线无电压时，此时需要第一直流总线为其提供支援，第五直流开关导通，第一DC/AC变换器工作在逆变模式，其他开关断开。
10.根据权利要求4所述的一种模块化能量路由器系统的经济运行控制方法，其特征在于：
多路同时可导通的时候，第四交流开关导通优先级最高，第二交流开关导通优先级次之，第三交流开关导通优先级最低。
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