CN114552660A - 双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器 - Google Patents

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孙振奥
王鹏程
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Abstract

本发明提供一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，涉及电力电子技术领域。该路由器包括三相PWM整流单元、三相PWM逆变单元、双向DC/DC变换单元、第一双向BUCK‑BOOST变换单元、第二双向BUCK‑BOOST变换单元、第三双向BUCK‑BOOST变换单元；双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的各个端口分别与发电机、光伏板、蓄电池组、超级电容、交流负荷、直流负荷相连；该路由器根据外部端口连接的蓄电池组剩余容量调节能量路由器工作模态，通过判断蓄电池组剩余容量进行充放电操作，且蓄电池组内部电池之间能够动态调节剩余容量，能量路由器还能通过对三相PWM整流单元进行复用，使得对外部端口连接的光伏板的输出电压进行控制，使光伏板始终保持最大工作电压。

Description

双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器。
背景技术
随着国家对清洁能源的推崇，对无污染可持续的新能源的大力扶持，新能源如太阳能的兴起成为了必然。能源路由器这一概念最早是能源互联网中提出并成功运用，在能源互联网中能源路由器是融合电网信息物理系统的具有计算、通信、精确控制、远程协调、自治，以及即插即用的接入通用性的智能体。将能源路由器从高电压运用到低电压，从能源互联网运用到车载微电网，实能源的高效利用提高了能源的利用率，同时由于能源路由器具有多端口可以进行对端口功能的自主定义，增加了能源路由器的实用性也从另一个层面丰富了能量流动，增加了续航。
孤岛支撑性能量路由器独立运行时不与电网并网，通过蓄电池与超级电容存储电能，孤岛支撑性能量路由器设计思路为实现提升能量路由器的便携性、减小能量路由器的体积从而节约空间的目标，这一设计主要通过复用能量路由器的拓扑结构实现，通过自切换改变工作模态实现能量路由器的不同的工作状态，从而提高孤岛支撑型能量路由器的实用性。
当前，传统的以固态变压器为核心的能量路由器面对复杂工况难以适应，无法针对不同的外部负荷选择合适的工作方式，能量转换效率低；由于传统能量路由器的硬件拓扑限制，能量路由器大多数工作单元处于相互独立，使得装置在体积上无法减小，难以提升装置的便携性；由于传统固态变压器控制方式单一，无法协调外部端口连接的蓄电池组优化分配输送的电能，难以满足提高蓄电池的利用率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的拓扑结构及其工作方式，通过复用能量路由器的拓扑结构实现通过复用整流单元实现对外接端口的光伏板的控制，并且能够通过自切换改变工作模态实现能量路由器的不同的工作状态，从而提高孤岛支撑型能量路由器的实用性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，包括三相PWM整流单元、三相PWM逆变单元、双向DC/DC变换单元、第一双向BUCK-BOOST变换单元、第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元；双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的各个端口分别与发电机、光伏板、蓄电池组、超级电容、交流负荷、直流负荷相连；所述蓄电池组包括三个蓄电池；
所述三相PWM整流单元的输入端与发电机相连，得到交流电源作为输入电源；所述三相PWM整流单元的输出端与双向DC/DC变换单元的输入端相连；所述三相PWM整流单元的输出端还与光伏板的输出端相连；所述光伏板的输出端与蓄电池组相连；所述双向DC/DC变换单元的输出端与三相PWM逆变单元的输入端相连；所述三相PWM逆变单元的输出端与交流负荷相连接；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输入端以及第三双向BUCK-BOOST变换单元的输入端均与蓄电池组相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与三相PWM逆变单元相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与超级电容输出端相连；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端以及超级电容输出端均与直流负荷相连。
优选地，所述孤岛支撑型能量路由器根据外部端口连接的蓄电池组剩余容量调节能量路由器工作模态，通过判断蓄电池组剩余容量进行充放电操作，且蓄电池组内部电池之间能够动态调节剩余容量，能量路由器还能通过对三相PWM整流单元进行复用，使得对外部端口连接的光伏板的输出电压进行控制，使光伏板始终保持最大工作电压。
优选地，所述蓄电池组剩余容量的计算方法具体为：
(1)以孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标、能量利用率和抗干扰能力建立以时间t为因变量的蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000021
其中，K>0为能量路由器所承受负荷的指标系数；α>0为能量路由器能量利用率系数；β>0为能量路由器抗干扰能力系数，px(t)、py(t)分别为t时刻能量路由器输入总功率和输出总功率，如下公式所示：
px(t)＝p1(t)+p2(t)py(t)＝p1(t)+p2(t)+p3(t)
其中，p1(t),p2(t),p3(t),p4(t),p5(t)分别为t时刻发电机输入功率、光伏板端口输入功率、交流负荷端输出功率、直流负荷端输出功率和蓄电池端输出功率；T(t)、To,、T*(t)、S1分别为孤岛支撑型能量路由器t时刻的环境温度、预设的工作环境温度、最佳工作环境温度和能源调节系数；
(2)为所述蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)建立优化条件，对孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标函数f1(p1,p2)、能量利用率函数f2(p1,p2,p3,p4,p5)、抗干扰能力函数f3(p5)三个指标函数进行求解，获得(p1,p2,p3,p4,p5),(p1,p2,p3,p4,p5)(2),(p1,p2,p3,p4,p5)(3)三组约束条件下的单一指标最优；
(3)根据三组约束条件下的单一指标最优，得到每个指标对应的最优解中的最大值Mi及每个指标对应的最优解中的最小值mi，确定每个指标的加权系数
Figure BDA0003574764630000031
其中，
Figure BDA0003574764630000032
i＝1,2,3；
(4)进一步构造以负荷的指标，能量利用率，抗干扰能力三者相加之和μ的线性规划性问题L(1)：
Figure BDA0003574764630000033
其中，R表示实数；
通过求解线性规划性问题L(1)，求得(p1,p2,p3,p4,p5)的理想解，将理想解带入三个指标函数中进行比较，若不满足每个指标偏差均小于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi增加3％；若不满足每个指标偏差均大于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi降低3％，再次重新构造规划性问题L(2)，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000034
再求解线性规划性问题L(2)，重复比较每个指标偏差是否均满足偏差小于设定阈值3％，不满足则反复进行直至输出一组(p1,p2,p3,p4,p5)的实际理想解为止，代入蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，即为当前蓄电池组动态剩余容量计算函数；再判断蓄电池组的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量大于等于95％额定容量，蓄电池对外供电；若各个蓄电池剩余容量均小于95％额定容量，则由光伏板向蓄电池充电。
优选地，所述对三相PWM整流单元的复用，即对三相PWM整流单元外部端口所连接的光伏板进行控制，具体方法如下：
光伏板向蓄电池组供电，光伏板输出端与蓄电池组连接，同时蓄电池组断开与第一双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输入端的连接，其余工作单元保持不变；
再采用MPPT算法，在某一时刻连续采集三次光伏板输出端的电压和电流，根据三次采集的电压值与电流值计算出光伏板输出功率，通过判断三次光伏板输出功率的变化趋势来判断光伏板输出电压的跟踪方向；将预测到的光伏板最大输出功率下的工作电压的值作为三相PWM整流单元输出端的电压参考值，代入三相PWM整流单元整流过程中电压电流双闭环的电压外环中的电压参考值与实际电压比较环节，进行三相PWM整流单元输出端的电压控制，使得三相PWM整流单元的输出端电压向参考电压变化。
优选地，所述孤岛支撑型能量路由器根据蓄电池组剩余容量选择不同的工作模式，具体方法如下，设定蓄电池组连接的外部负荷功率为P1，且单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率为Pv，蓄电池组和超级电容向负荷供电，此时蓄电池组的工作状态包括以下情况：
一、判断单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能够满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率Pv，则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态1：
光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组各蓄电池工作在串联状态下，通过第一双向BUCK-BOOST变换单元给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
二、判断两个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于两倍双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率2Pv，则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态2：
光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组中的两个蓄电池2，3串联后通过第二双向BUCK-BOOST变换单元，另一个蓄电池1通过第一双向BUCK-BOOST变换单元再给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
三、判断三个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否不大于双向BUCK-BOOST变换单元的三倍额定输出功率3Pv，符合则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态3：
光伏板断开与蓄电池组的连接，第一个蓄电池1连接第一双向BUCK-BOOST变换单元，第二个蓄电池2连接第二双向BUCK-BOOST变换单元，第三个蓄电池3连接第三双向BUCK-BOOST变换单元，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端并联之后给负荷供电；同时为保证向负荷供电的稳定性，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连。
优选地，所述能量路由器外部端口所接的蓄电池组剩余容量调节方法如下：
判断蓄电池组中各蓄电池的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量均大于等于设定额定容量，蓄电池组进入工作模式A；若存在某蓄电池剩余容量小于设定额定容量，则蓄电池组进入工作模式B；
工作模式A：
对各蓄电池动态剩余容量进行监测，求取蓄电池组端口SOC平均值
Figure BDA0003574764630000051
定义蓄电池组k端口SOC的不均衡程度为ΔSOC(k)，定义蓄电池组各端口输出功率目标值
Figure BDA0003574764630000052
和电流参考值I(k)-ref，在蓄电池组各端口承担功率平均值的基础上，根据蓄电池组SOC不均衡程度迸行功率偏差调节求得蓄电池组端口电流参考值I(k)-ref和蓄电池组端口实时功率传输值P(k)-ref，如下所示：
Figure BDA0003574764630000053
Figure BDA0003574764630000054
其中，V(k)为蓄电池组k端口输出电压值，
Figure BDA0003574764630000055
为蓄电池组端口输出功率目标值、Ka为比例系数；
再次对蓄电池进行输出功率控制，使得各蓄电池SOC值保持相等；
工作模式B：
此时存在蓄电池处于深度放电状态，断开该蓄电池与外部负荷的连接以等待充电，确定可正常工作的蓄电池数量n，n＜3，定义各蓄电池SOC的不平衡度为εi，设置不平衡度阈值εm，构建蓄电池组的SOC不平衡度对角矩阵A，如下所示：
Figure BDA0003574764630000061
将对角矩阵A中的元素εi的绝对值与εm比较，若A中不存在|εi|>εm的元素，则此时各蓄电池的SOC保持平衡，蓄电池组保持当前输出功率不变；若A中存在|εi|>εm的元素，计算基于εi的蓄电池功率分配方式Pi，得到蓄电池组的功率分配方式对角矩阵Prefi，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000062
其中，Kα代表蓄电池的温度影响系数。
随着蓄电池组的运行，A的值不断进行刷新，通过各个蓄电池的不平衡程度的最大值εMAX判断各蓄电池SOC的均衡状态，使得蓄电池得到合理的输出功率控制方式，等待光伏板向蓄电池充电完毕后，将脱离深度放电的蓄电池重新连接，蓄电池组正常向外供电。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的拓扑结构及其工作方式，(1)实现了对整流单元的复用功能，通过拓扑复用提高了光伏板的工作效率，还可以优化拓扑结构，提高能量路由器的功率密度，提升双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的便携性与实用性，为能量路由器小型化发展提供了基本条件；(2)根据判断外部端口所连接的蓄电池组的剩余容量，能量路由器可以选择不同的工作模式从而适应不同复杂工况，这一措施能够提高蓄电池对外供电的效率，维持双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的正常运行；(3)针对外部端口连接的蓄电池组，设定了蓄电池不同剩余容量下的工作状态，对蓄电池组的动态剩余容量进行监测，自动调节各个蓄电池之间的剩余容量，优化蓄电池分配输送的电能，即在蓄电池组工作时通过改变各个蓄电池的输出功率大小从而保持各蓄电池之间容量的动态平衡，能够极大地减少蓄电池深度放电的次数，从而延长蓄电池的工作寿命，提高了能量路由器的运行可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的结构框图；
图2为本发明实施例提供的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑性能量路由器的拓扑图；
图3为本发明实施例提供的能量路由器进入工作模态1时的拓扑图；
图4为本发明实施例提供的能量路由器进入工作模态2时的拓扑图；
图5为本发明实施例提供的能量路由器进入工作模态3时的拓扑图；
图6为本发明实施例提供的能量路由器进入工作模式B时的拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，如图1、2所示，包括三相PWM整流单元、三相PWM逆变单元、双向DC/DC变换单元、第一双向BUCK-BOOST变换单元、第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元；双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的各个端口分别与发电机、光伏板、蓄电池组、超级电容、交流负荷、直流负荷相连；所述蓄电池组包括三个蓄电池；
所述三相PWM整流单元的输入端与发电机相连，得到交流电源作为输入电源；所述三相PWM整流单元的输出端与双向DC/DC变换单元的输入端相连；所述三相PWM整流单元的输出端还与光伏板的输出端相连；所述光伏板的输出端与蓄电池组相连；所述双向DC/DC变换单元的输出端与三相PWM逆变单元的输入端相连；所述三相PWM逆变单元的输出端与交流负荷相连接；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输入端以及第三双向BUCK-BOOST变换单元的输入端均与蓄电池组相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与三相PWM逆变单元相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与超级电容输出端相连；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端以及超级电容输出端均与直流负荷相连。
所述孤岛支撑型能量路由器根据外部端口连接的蓄电池组剩余容量调节能量路由器工作模态，通过判断蓄电池组剩余容量进行充放电操作，且蓄电池组内部电池之间能够动态调节剩余容量，能量路由器还能通过对三相PWM整流单元进行复用，使得对外部端口连接的光伏板的输出电压进行控制，使光伏板始终保持最大工作电压。
所述蓄电池组剩余容量的计算方法具体为：
(1)以孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标、能量利用率和抗干扰能力建立以时间t为因变量的蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000071
其中，K>0为能量路由器所承受负荷的指标系数；α>0为能量路由器能量利用率系数；β>0为能量路由器抗干扰能力系数，px(t)、py(t)分别为t时刻能量路由器输入总功率和输出总功率，如下公式所示：
px(t)＝p1(t)+p2(t)py(t)＝p1(t)+p2(t)+p3(t)
其中，p1(t),p2(t),p3(t),p4(t),p5(t)分别为t时刻发电机输入功率、光伏板端口输入功率、交流负荷端输出功率、直流负荷端输出功率和蓄电池端输出功率；T(t)、To,、T*(t)、S1分别为孤岛支撑型能量路由器t时刻的环境温度、预设的工作环境温度、最佳工作环境温度和能源调节系数；
(2)为所述蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)建立优化条件，对孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标函数f1(p1,p2)、能量利用率函数f2(p1,p2,p3,p4,p5)、抗干扰能力函数f3(p5)三个指标函数进行求解，获得(p1,p2,p3,p4,p5),(p1,p2,p3,p4,p5)(2),(p1,p2,p3,p4,p5)(3)三组约束条件下的单一指标最优；
所述孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标函数f1(p1,p2)为：
Figure BDA0003574764630000081
所述能量利用率函数f2(p1,p2,p3,p4,p5)为：
Figure BDA0003574764630000082
所述抗干扰能力函数f3(p5)为：
Figure BDA0003574764630000083
为蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)建立如下优化条件：
Figure BDA0003574764630000084
其中η1，η2，η3，η4，η5为光伏板、超级电容、蓄电池组、直流负荷和交流负荷对负载侧直流母线的转换效率；满足约束条件且能源路由器多目标优化值达到最大为最优控制；
Figure BDA0003574764630000091
UC为负载侧直流母线电压参考值与负载侧直流母线电压实际值；p1MAX,p2MAX,p3MAX,p4MAX,p5MAX为光伏端最大输入功率，电动机端口最大输入功率，交流负荷端最大输出功率，直流负荷端最大输出功率，超级电容最大输出功率；
(3)根据三组约束条件下的单一指标最优，得到每个指标对应的最优解中的最大值Mi及每个指标对应的最优解中的最小值mi，确定每个指标的加权系数
Figure BDA0003574764630000092
其中，
Figure BDA0003574764630000093
i＝1,2,3；
(4)进一步构造以负荷的指标，能量利用率，抗干扰能力三者相加之和μ的线性规划性问题L(1)：
Figure BDA0003574764630000094
其中，R表示实数；
通过求解线性规划性问题L(1)，求得(p1,p2,p3,p4,p5)的理想解，将理想解带入三个指标函数中进行比较，若不满足每个指标偏差均小于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi增加3％；若不满足每个指标偏差均大于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi降低3％，再次重新构造规划性问题L(2)，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000095
再求解线性规划性问题L(2)，重复比较每个指标偏差是否均满足偏差小于设定阈值3％，不满足则反复进行直至输出一组(p1,p2,p3,p4,p5)的实际理想解为止，代入蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，即为当前蓄电池组动态剩余容量计算函数；再判断蓄电池组的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量大于等于95％额定容量，蓄电池对外供电；若各个蓄电池剩余容量均小于95％额定容量，则由光伏板向蓄电池充电。
所述对三相PWM整流单元的复用，即对三相PWM整流单元外部端口所连接的光伏板进行控制，具体方法如下：
光伏板向蓄电池组供电，光伏板输出端与蓄电池组连接，同时蓄电池组断开与第一双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输入端的连接，其余工作单元保持不变；
再采用一种基于功率预测策略的MPPT算法，在某一时刻连续采集三次光伏板输出端的电压和电流，根据三次采集的电压值与电流值计算出光伏板输出功率，通过判断三次光伏板输出功率的变化趋势来判断光伏板输出电压的跟踪方向；将预测到的光伏板最大输出功率下的工作电压的值作为三相PWM整流单元输出端的电压参考值，代入三相PWM整流单元整流过程中电压电流双闭环的电压外环中的电压参考值与实际电压比较环节，进行三相PWM整流单元输出端的电压控制，使得三相PWM整流单元的输出端电压向参考电压变化，即三相PWM整流单元输出端电压趋近于光伏板最大输出功率下的工作电压，具体计算方法如下：
首先采集光伏板当前的最大工作电流I1，光伏板的短路电流I2，光伏板最大工作电压U1和光伏板的开路电压U2；
再计算出光伏板最大输出电流I3、修正系数C1、C2，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000101
根据计算出的修正系数求解光伏板的输出功率模型P，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000102
由此可以利用三相PWM整流单元控制光伏板始终保持最大输出功率，这一特点将运用在蓄电池的工作模式B中。
所述孤岛支撑型能量路由器根据蓄电池组剩余容量选择不同的工作模式，具体方法如下，设定蓄电池组连接的外部负荷功率为P1，且单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率为Pv，蓄电池组和超级电容向负荷供电，此时蓄电池组的工作状态包括以下情况：
一、判断单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能够满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率Pv，即P1<＝Pv，则孤岛支撑型能量路由器的进入工作模态1：
如图3所示，开关3、5、6和8断开，开关1、2、4、7和9闭合，光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组各蓄电池工作在串联状态下，通过第一双向BUCK-BOOST变换单元给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
二、判断两个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于两倍双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率2Pv，即Pv<P1<＝2Pv，则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态2：
如图4所示，开关4、6和8断开，开关1、2、3、5、7和9闭合，光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组中的两个蓄电池2，3串联后通过第二双向BUCK-BOOST变换单元，另一个蓄电池1通过第一双向BUCK-BOOST变换单元再给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
三、判断三个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否不大于双向BUCK-BOOST变换单元的三倍额定输出功率3Pv，即2Pv<P1<＝3Pv，符合则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态3：
如图5所示，开关4和7断开，开关1、2、3、5、6、8和9闭合，光伏板断开与蓄电池组的连接，第一个蓄电池1连接第一双向BUCK-BOOST变换单元，第二个蓄电池2连接第二双向BUCK-BOOST变换单元，第三个蓄电池3连接第三双向BUCK-BOOST变换单元，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端并联之后给负荷供电；同时为保证向负荷供电的稳定性，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连。
所述能量路由器外部端口所接的蓄电池组剩余容量调节方法如下：
判断蓄电池组中各蓄电池的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量均大于等于设定额定容量，蓄电池进入工作模式A；若存在某蓄电池剩余容量小于设定额定容量，则蓄电池进入工作模式B；
工作模式A：
蓄电池工作在工作模式A状态下时，能量路由器保持正常状态运行，仍然在工作模态1，工作模态2，工作模态3下变化。此时对各蓄电池动态剩余容量进行监测，求取蓄电池组端口SOC平均值
Figure BDA0003574764630000111
定义蓄电池组k端口SOC的不均衡程度为
Figure BDA0003574764630000112
定义蓄电池组各端口输出功率目标值
Figure BDA0003574764630000113
和电流参考值I(k)-ref，在蓄电池组各端口承担功率平均值的基础上，根据蓄电池组SOC不均衡程度迸行功率偏差调节求得蓄电池组端口电流参考值I(k)-ref和蓄电池组端口实时功率传输值P(k)-ref，如下所示：
Figure BDA0003574764630000121
Figure BDA0003574764630000122
其中，V(k)为蓄电池组k端口输出电压值，
Figure BDA0003574764630000123
为蓄电池组端口输出功率目标值、Ka为通过计算所得的特定比例系数；
然后将蓄电池组端口电流参考值I(k)-ref和蓄电池组端口实时功率传输值P(k)-ref应用与蓄电池进行输出功率控制，使得各蓄电池SOC值趋于相同；
工作模式B：
此时存在蓄电池处于深度放电状态，断开该蓄电池与外部负荷的连接以等待充电，确定SOC大于20％可正常工作的蓄电池数量n，n＜3，定义各蓄电池SOC的不平衡度为εi，其值为i号蓄电池SOCi与各蓄电池SOC平均值SOCavg之差与SOCavg的比值，具体如下：
Figure BDA0003574764630000124
Figure BDA0003574764630000125
设置不平衡度阈值εm，构建蓄电池组的SOC不平衡度对角矩阵A，如下所示：
Figure BDA0003574764630000126
将对角矩阵A中的元素εi的绝对值与εm比较，若A中不存在|εi|>εm的元素，则此时各蓄电池的SOC保持平衡，蓄电池组保持当前输出功率不变；若A中存在|εi|>εm的元素，计算基于εi的蓄电池功率分配方式
Figure BDA0003574764630000127
得到蓄电池组的功率分配方式对角矩阵Prefi，如下公式所示：
Figure BDA0003574764630000128
其中，Kα，Kβ代表蓄电池的温度影响系数与不可抗力误差系数。
随着蓄电池组的运行，A的值不断进行刷新，通过各个蓄电池的不平衡程度的最大值εMAX判断各蓄电池SOC的均衡状态，使得蓄电池得到合理的输出功率控制方式，如图6所示，此时三个蓄电池均处于深度放电状态，由光伏板向蓄电池充电等待光伏板向蓄电池充电完毕后，将脱离深度放电的蓄电池重新连接，蓄电池组正常向外供电。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：包括三相PWM整流单元、三相PWM逆变单元、双向DC/DC变换单元、第一双向BUCK-BOOST变换单元、第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元；双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器的各个端口分别与发电机、光伏板、蓄电池组、超级电容、交流负荷、直流负荷相连；所述蓄电池组包括三个蓄电池；
所述三相PWM整流单元的输入端与发电机相连，得到交流电源作为输入电源；所述三相PWM整流单元的输出端与双向DC/DC变换单元的输入端相连；所述三相PWM整流单元的输出端还与光伏板的输出端相连；所述光伏板的输出端与蓄电池组相连；所述双向DC/DC变换单元的输出端与三相PWM逆变单元的输入端相连；所述三相PWM逆变单元的输出端与交流负荷相连接；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输入端以及第三双向BUCK-BOOST变换单元的输入端均与蓄电池组相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与三相PWM逆变单元相连；所述第一双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元的输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元的输出端均与超级电容输出端相连；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端以及超级电容输出端均与直流负荷相连。
2.根据权利要求1所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述孤岛支撑型能量路由器根据外部端口连接的蓄电池组剩余容量调节能量路由器工作模态，通过判断蓄电池组剩余容量进行充放电操作，且蓄电池组内部电池之间能够动态调节剩余容量，能量路由器还能通过对三相PWM整流单元进行复用，使得对外部端口连接的光伏板的输出电压进行控制，使光伏板始终保持最大工作电压。
3.根据权利要求2所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述蓄电池组剩余容量的计算方法具体为：
(1)以孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标、能量利用率和抗干扰能力建立以时间t为因变量的蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，如下公式所示：
Figure FDA0003574764620000011
Figure FDA0003574764620000012
其中，K>0为能量路由器所承受负荷的指标系数；α>0为能量路由器能量利用率系数；β>0为能量路由器抗干扰能力系数，px(t)、py(t)分别为t时刻能量路由器输入总功率和输出总功率，如下公式所示：
px(t)＝p1(t)+p2(t)py(t)＝p1(t)+p2(t)+p3(t)
其中，p1(t),p2(t),p3(t),p4(t),p5(t)分别为t时刻发电机输入功率、光伏板端口输入功率、交流负荷端输出功率、直流负荷端输出功率和蓄电池端输出功率；T(t)、To,、T*(t)、S1分别为孤岛支撑型能量路由器t时刻的环境温度、预设的工作环境温度、最佳工作环境温度和能源调节系数；
(2)为所述蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)建立优化条件，对孤岛支撑型能量路由器所承受负荷的指标函数f1(p1,p2)、能量利用率函数f2(p1,p2,p3,p4,p5)、抗干扰能力函数f3(p5)三个指标函数进行求解，获得(p1,p2,p3,p4,p5),(p1,p2,p3,p4,p5)(2),(p1,p2,p3,p4,p5)(3)三组约束条件下的单一指标最优；
(3)根据三组约束条件下的单一指标最优，得到每个指标对应的最优解中的最大值Mi及每个指标对应的最优解中的最小值mi，确定每个指标的加权系数
Figure FDA0003574764620000021
其中，
Figure FDA0003574764620000022
(4)进一步构造以负荷的指标，能量利用率，抗干扰能力三者相加之和μ的线性规划性问题L(1)：
Figure FDA0003574764620000023
其中，R表示实数；
通过求解线性规划性问题L(1)，求得(p1,p2,p3,p4,p5)的理想解，将理想解带入三个指标函数中进行比较，若不满足每个指标偏差均小于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi增加3％；若不满足每个指标偏差均大于设定阈值3％，则将满足要求的指标对应的Mi降低3％，再次重新构造规划性问题L(2)，如下公式所示：
Figure FDA0003574764620000031
再求解线性规划性问题L(2)，重复比较每个指标偏差是否均满足偏差小于设定阈值3％，不满足则反复进行直至输出一组(p1,p2,p3,p4,p5)的实际理想解为止，代入蓄电池组动态剩余容量计算函数f(t)，即为当前蓄电池组动态剩余容量计算函数；再判断蓄电池组的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量大于等于95％额定容量，蓄电池对外供电；若各个蓄电池剩余容量均小于95％额定容量，则由光伏板向蓄电池充电。
4.根据权利要求2所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述对三相PWM整流单元的复用，即对三相PWM整流单元外部端口所连接的光伏板进行控制，具体方法如下：
光伏板向蓄电池组供电，光伏板输出端与蓄电池组连接，同时蓄电池组断开与第一双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输入端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输入端的连接，其余工作单元保持不变；
再采用MPPT算法，在某一时刻连续采集三次光伏板输出端的电压和电流，根据三次采集的电压值与电流值计算出光伏板输出功率，通过判断三次光伏板输出功率的变化趋势来判断光伏板输出电压的跟踪方向；将预测到的光伏板最大输出功率下的工作电压的值作为三相PWM整流单元输出端的电压参考值，代入三相PWM整流单元整流过程中电压电流双闭环的电压外环中的电压参考值与实际电压比较环节，进行三相PWM整流单元输出端的电压控制，使得三相PWM整流单元的输出端电压向参考电压变化。
5.根据权利要求2所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述孤岛支撑型能量路由器根据蓄电池组剩余容量选择不同的工作模式，具体方法如下，设定蓄电池组连接的外部负荷功率为P1，且单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率为Pv，蓄电池组和超级电容向负荷供电，此时蓄电池组的工作状态包括以下情况：
一、判断单个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能够满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率Pv，则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态1：
光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组各蓄电池工作在串联状态下，通过第一双向BUCK-BOOST变换单元给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第二双向BUCK-BOOST变换单元、第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
二、判断两个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否能满足蓄电池组连接的外部负荷功率，若外部负荷功率P1小于等于两倍双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率2Pv，则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态2：
光伏板断开与蓄电池组的连接，蓄电池组中的两个蓄电池2，3串联后通过第二双向BUCK-BOOST变换单元，另一个蓄电池1通过第一双向BUCK-BOOST变换单元再给负荷供电；第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连，同时第三双向BUCK-BOOST变换单元不参与给负荷供电；
三、判断三个双向BUCK-BOOST变换单元的额定输出功率是否不大于双向BUCK-BOOST变换单元的三倍额定输出功率3Pv，符合则孤岛支撑型能量路由器进入工作模态3：
光伏板断开与蓄电池组的连接，第一个蓄电池1连接第一双向BUCK-BOOST变换单元，第二个蓄电池2连接第二双向BUCK-BOOST变换单元，第三个蓄电池3连接第三双向BUCK-BOOST变换单元，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端并联之后给负荷供电；同时为保证向负荷供电的稳定性，第一双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第二双向BUCK-BOOST变换单元输出端、第三双向BUCK-BOOST变换单元输出端与超级电容输出端相连。
6.根据权利要求2所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述能量路由器外部端口所接的蓄电池组剩余容量调节方法如下：
判断蓄电池组中各蓄电池的剩余容量，若各个蓄电池剩余容量均大于等于设定额定容量，蓄电池组进入工作模式A；若存在某蓄电池剩余容量小于设定额定容量，则蓄电池组进入工作模式B。
7.根据权利要求6所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述蓄电池组进入工作模式A具体为：
对各蓄电池动态剩余容量进行监测，求取蓄电池组端口SOC平均值
Figure FDA0003574764620000041
定义蓄电池组k端口SOC的不均衡程度为ΔSOC(k)，定义蓄电池组各端口输出功率目标值
Figure FDA0003574764620000042
和电流参考值I(k)-ref，在蓄电池组各端口承担功率平均值的基础上，根据蓄电池组SOC不均衡程度迸行功率偏差调节求得蓄电池组端口电流参考值I(k)-ref和蓄电池组端口实时功率传输值P(k)-ref，如下所示：
Figure FDA0003574764620000051
Figure FDA0003574764620000052
其中，V(k)为蓄电池组k端口输出电压值，
Figure FDA0003574764620000053
为蓄电池组端口输出功率目标值、Ka为比例系数；
再次对蓄电池进行输出功率控制，使得各蓄电池SOC值保持相等。
8.根据权利要求7所述的双复用全工况拓扑自切换的孤岛支撑型能量路由器，其特征在于：所述蓄电池组进入工作模式B具体为：
此时存在蓄电池处于深度放电状态，断开该蓄电池与外部负荷的连接以等待充电，确定可正常工作的蓄电池数量n，n＜3，定义各蓄电池SOC的不平衡度为εi，设置不平衡度阈值εm，构建蓄电池组的SOC不平衡度对角矩阵A，如下所示：
Figure FDA0003574764620000054
将对角矩阵A中的元素εi的绝对值与εm比较，若A中不存在|εi|>εm的元素，则此时各蓄电池的SOC保持平衡，蓄电池组保持当前输出功率不变；若A中存在|εi|>εm的元素，计算基于εi的蓄电池功率分配方式Pi，得到蓄电池组的功率分配方式对角矩阵Prefi，如下公式所示：
Figure FDA0003574764620000055
其中，Kα代表蓄电池的温度影响系数；
随着蓄电池组的运行，A的值不断进行刷新，通过各个蓄电池的不平衡程度的最大值εMAX判断各蓄电池SOC的均衡状态，使得蓄电池得到合理的输出功率控制方式，等待光伏板向蓄电池充电完毕后，将脱离深度放电的蓄电池重新连接，蓄电池组正常向外供电。
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