CN117117946B - 一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，包括：确定电能路由器系统能量利用原则；根据负荷功率和自由度参数，实施系统最大可用有功和无功功率评估；根据负荷有功功率、可再生能源发电功率和所述评估的最大可用有功功率，实施基于有功功率的运行模式与自由度参数生成；根据负荷无功功率、所述评估的最大可用无功功率和生成的有功功率自由度，实施基于无功功率的运行模式与自由度参数生成。本发明可为串并联架构电能路由器的运行模式提供选择依据，并根据不同的运行模式设计对应的自由度参数，实现电能路由器系统中多种能量的优化运行。

Description

一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法
技术领域
本发明涉及能源互联网技术领域，特别是涉及一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法。
背景技术
能源活动是碳排放的主要来源，为实现“双碳”目标需要大力推进能源结构转型。在此背景下，以太阳能、风能等为代表的可再生能源正逐渐成为能源供给的主要来源之一。面对可再生能源随机性和波动性所带来的能量出力波动问题，需要加入以蓄电池/锂电池和超级电容等为代表的储能系统以抑制能量波动。因此，未来新型电力系统将呈现电网、可再生能源、储能等多种能源互联特征。能源互联网可将多种不同形式能源进行转化与互联，是降低能源领域碳排放的有效载体之一。作为能源互联网的核心环节，电能路由器可为电网、可再生能源、储能、不同类型负荷等提供灵活多样的即插即用电气接口，实现对多种能量的优化管理。
在现有面向低压配电网应用的电能路由器中，串并联架构电能路由器同时具有有功和无功功率柔性运行能力，更适用于为大功率负荷供能的场合。然而，现有技术方案并没有解决串并联架构电能路由器如何根据系统功率变化而生成最优运行模式的问题，同时也没有解决如何设计有功和无功功率自由度参数的问题。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，具体包括如下步骤：
确定电能路由器系统能量利用原则；
根据实际负荷功率和反馈的自由度参数，计算电能路由器系统最大可用有功功率和最大可用无功功率；
根据负荷有功功率、可再生能源发电功率和电能路由器系统最大可用有功功率，生成有功功率运行模式和自由度参数；
根据负荷无功功率、电能路由器系统最大可用无功功率和有功功率自由度参数，生成无功功率运行模式和自由度参数。
进一步的，电能路由器系统运行模式包括：电网运行模式GOM、有功功率柔性运行模式AFOM、并网发电运行模式PGOM、孤岛运行模式IOM、串联变换器无功运行模式SCOM、无功功率柔性运行模式RFOM、并联变换器无功运行模式PCOM和待机运行模式DOM。
进一步的，所述电能路由器系统能量利用原则包括：为最大化利用可再生能源、并联变换器从直流母线获取能量，并以最大可用有功功率能力向负荷或电网传输电能；为使并联变换器输出更多的可再生能源发电功率，串联变换器向负荷传输最大无功功率。
进一步的，根据电能路由器系统能量利用原则、实际负荷功率以及所反馈的自由度参数，计算出电能路由器系统最大可用有功功率和最大可用无功功率，以及并联变换器最大可用有功功率、最大可用无功功率/>、串联变换器最大可用无功功率/>、电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率/>和最大可用无功功率/>；
并联变换器最大可用有功功率、最大可用无功功率/>计算方法为：
其中，为电能路由器系统额定视在功率，PL和QL为负荷有功和无功功率，kp为有功功率自由度，δ为无功功率自由度：
串联变换器最大可用无功功率计算方法为：
其中，由于规定串联变换器输出电压的运行角度为0°~11.48°，因此δmax的取值为11.48°；
电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率和最大可用无功功率/>计算方法为：
。
进一步的，生成有功功率运行模式时：根据负荷有功功率PL、直流母线功率Pdc、并联变换器最大可用有功功率和电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率/>以及电网状态之间的逻辑判断，生成电能路由器系统关于有功功率的GOM、AFOM、PGOM、IOM和DOM五种运行模式；
生成有功功率自由度参数包括：
在所述GOM中，根据与/>-PL的关系将GOM分为两个子模式，其中/>为电能路由器系统的额定有功功率，GOM具体为：1）当/>≥/>-PL时，此时/>=PL-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc，则有kp=/>/PL；2）当/></>-PL时，此时/>=-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc，则有kp=1+/>/PL；
在所述AFOM中，根据与/>的关系将AFOM分为两个子模式，具体为：1）当/>≥/>时，获得功率关系PL=PS+Pdc，则有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，获得功率关系PL=PS+，则有
，其中，PS表示交流电网输入的有功功率，SL表示负荷视载功率；
= arctan(cot φL) = arctan(PL/QL)
在所述PGOM中，根据与/>的关系将PGOM分为两个子模式，具体为：1）当/>≥/>时，获得功率关系Pdc=PL-PS，则有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，则有功率关系/>=PL-PS，则有kp=1-/>/PL；
在所述IOM中，根据PL=PPC的关系，则有kp=0；
在所述DOM中，当负荷所需有功功率大于电能路由器系统的最大可用有功功率，则有kp=0。
进一步的，生成无功功率运行模式时：根据负荷无功功率QL、计算出的电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率以及有功功率自由度参数kp生成电能路由器系统关于无功功率的SCOM、RFOM、PCOM和DOM四种运行模式；
生成无功功率自由度参数包括：
在所述SCOM中，根据QL=QSC的关系，则有δ=arcsin(tanφL/kp)，其中φL为负荷功率角；
在所述RFOM中，根据QL=+QPC的关系，则有δ=11.48°；
在所述PCOM中，根据QL=QPC的关系，则有δ=0°；
在所述DOM中，当kp≤0或负荷所需无功功率大于电能路由器系统的最大可用无功功率后，则有δ=0°。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，该方法能够根据负荷功率变化、可再生能源发电功率变化、系统最大可用功率、电网状态等多种工况生成系统的最优运行模式，并根据不同运行模式设计出相应的有功和无功功率自由度参数，克服了现有技术方案中缺少运行模式生成和自由度参数设计的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所采用的串并联架构电能路由器结构图；
图2为本发明中用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法示意图；
图3为本发明提出的系统最大有功和无功功率评估方法示意图；
图4为本发明提出的基于有功功率的运行模式生成与自由度参数设计方法示意图；
图5为本发明提出的基于无功功率的运行模式生成与自由度参数设计方法示意图；
图6为本发明所开发的串并联架构电能路由器系统控制框图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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：
如图2所示的一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，所采用的串并联架构电能路由器结构图如图1所示，包括串联变换器、并联变换器、DC/DC变换器、AC/DC变换器、交流电网端口、交流母线端口、直流母线端口、储能端口、太阳能端口和风能端口。其中，交流电网端口用于连接低压配电网、交流母线端口用于连接交流负荷、直流母线端口用于连接直流负荷、储能端口用于连接锂电池、蓄电池或超级电容等、太阳能端口和风能端口属于可再生能源端口。为三相交流电网电压、/>为三相交流电网输入电流、为三相串联变换器输出电流、/>为直流母线电压、/>为三相并联变换器输出电流、/>为三相交流母线电压、/>为三相交流母线电流。
系统运行模式包括：电网运行模式（GOM）、有功功率柔性运行模式（AFOM）、并网发电运行模式（PGOM）、孤岛运行模式（IOM）、串联变换器无功运行模式（SCOM）、无功功率柔性运行模式（RFOM）、并联变换器无功运行模式（PCOM）和待机运行模式（DOM）。
如图2所示，所述自由度参数设计方法包括：
步骤1：确定电能路由器系统能量利用原则；
步骤2：根据实际负荷功率和反馈自由度参数，计算电能路由器系统最大可用有功和无功功率；
步骤3：根据负荷有功功率、可再生能源发电功率和所述步骤2计算出的系统最大可用有功功率，运行基于有功功率的运行模式以及生成自由度参数；
步骤4：根据负荷无功功率、所述步骤2计算出的系统最大可用无功功率和所述步骤3生成的有功功率自由度参数，运行基于无功功率的运行模式以及生成自由度参数。
如图3所示，所述步骤2用于计算系统最大可用有功和无功功率，包括并联变换器最大可用有功和无功功率和/>、串联变换器最大可用无功功率/>、电能路由器向负荷提供的最大可用有功和无功功率/>和/>。根据所述步骤1中的原则、负荷功率以及所反馈的自由度参数，评估出系统最大可用有功和无功功率，最大可用有功和无功功率评估方法如下：
并联变换器最大可用有功和无功功率和/>评估方法为：
其中，为电能路由器系统额定视在功率；PL和QL为负荷有功和无功功率；kp为有功功率自由度；δ为无功功率自由度。
串联变换器最大可用无功功率评估方法为：
其中，由于规定串联变换器输出电压的运行角度为0°~11.48°，因此δmax的取值为11.48°。
电能路由器向负荷提供的最大可用有功和无功功率和/>评估方法为：
如图4所示，所述步骤3用于生成有功功率的运行模式以及提供有功功率自由度设计方法，具体包括：
步骤3.1有功功率运行模式生成：由于所述串并联架构电能路由器的有功功率最大运行范围为2倍系统额定有功功率，因此以/>为判断依据，可将图4分为和/>两部分。根据负荷有功功率PL、直流母线功率Pdc、所述步骤2评估出的并联变换器最大可用有功功率/>和电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率/>以及电网状态之间的逻辑判断，生成电能路由器系统关于有功功率的GOM、AFOM、PGOM、IOM和DOM五种运行模式，同时给出了每种运行模式下的系统功率关系。
步骤3.2有功功率自由度参数生成包括：
在所述GOM中，根据与/>-PL的关系可将GOM分为两个子模式，具体为：1）当≥/>-PL时，此时/>=PL-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc,进一步有kp=/>/PL；2）当</>-PL时，此时/>=-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc,则有kp=1+/>/PL。
在所述AFOM中，根据与/>的关系可将AFOM分为两个子模式，具体为：1）当≥/>时，可得功率关系PL=PS+Pdc，进一步有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，可得功率关系PL=PS+/>，进一步有
。其中，PS表示交流电网输入的有功功率；SL表示负荷视载功率；
= arctan(cot φL) = arctan(PL/QL)
在所述PGOM中，根据与/>的关系可将PGOM分为两个子模式，具体为：1）当≥/>时，可得功率关系Pdc= PL- PS，进一步有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，可得功率关系/>=PL-PS，进一步有kp=1-/>/PL。
在所述IOM中，直流母线向负荷传输有功功率，此时应满足Pdc>=PL，根据PL=PPC的关系，进一步有kp=0。
在所述DOM中，当负荷所需有功功率超出电能路由器系统的最大可用有功功率后，进一步有kp=0。
如图5所示，所述步骤4用于生成无功功率的运行模式以及提供无功功率自由度设计方法，具体包括：
步骤4.1无功功率运行模式生成：由于规定所述串并联架构电能路由器的无功功率最大运行范围为1.2倍系统额定无功功率，因此以/>为判断依据，可将图5分为/>和/>两部分。根据负荷无功功率QL、所述步骤2计算出的电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率/>以及所述步骤3得到的kp，生成电能路由器系统关于无功功率的SCOM、RFOM、PCOM和DOM四种运行模式，同时给出了每种运行模式下的系统功率关系。
步骤4.2无功功率自由度参数生成，包括：
在所述SCOM中，根据QL=QSC的关系，进一步有δ=arcsin(tanφL/kp)，其中φL为负荷功率角；
在所述RFOM中，根据QL=+QPC的关系，进一步有δ=11.48°；
在所述PCOM中，根据QL=QPC的关系，进一步有δ=0°；
在所述DOM中，当kp≤0或负荷所需无功功率超出电能路由器系统的最大可用无功功率后，进一步有δ=0°。
如图6所示，串并联架构电能路由器控制系统主要包括：功率计算模块、最大功率评估模块、自由度参数生成模块、串联变换器控制策略模块和并联变换器控制策略模块。
将三相交流母线电压电流、/>,变压器二次侧两端电压/>、串并联变换器输出电流/>、/>以及并联变换器电感电流/>经dp0坐标变换分别得到其在dq0坐标系下的系统参数；将其通过图6中功率计算模块求解/>、/>、/>、/>和/>。
其中、/>、/>、/>、/>、/>分别为三相交流母线电压电流在dq0坐标系下对应的电气量；/>、/>、/>分别为并联变换器输出电流在dq0坐标系下对应的电气量；/>、分别为直流母线电压电流。
将功率计算模块结果输入至图3所示的最大功率评估方法中，评估出系统最大可用有功和无功功率，再将所得到的评估结果、/>和/>输入至图4和图5所示的自由度参数生成模块中，得到有功功率自由度kp和无功功率自由度δ；串联变换器控制策略中三相交流母线电流dq0坐标系下d轴分量/>经低通滤波器LPF后乘以kp加上直流母线电压误差信号/>生成三相交流母线电流参考量/>，其参考量/>经电流闭环控制以及dq0反坐标变换和SPWM调制控制三相交流电网输入电流/>的幅值；并联变换器控制策略中三相交流母线电压dq0坐标系下/>经电压外环电流内环控制以及以/>为相角进行dq0反变换，经SPWM调制控制交流母线电压/>，从而使系统运行于GOM、AFOM、PGOM、IOM、SCOM、RFOM、PCOM或DOM模式中，实现串并联架构电能路由器系统中对多种能量的优化运行。
以上所述，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，其特征在于包括：
确定电能路由器系统能量利用原则；
根据实际负荷功率和反馈的自由度参数，计算电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率和电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率/>；
根据负荷有功功率、可再生能源发电功率和电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率，生成有功功率运行模式和有功功率自由度参数；
根据负荷无功功率、电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率和有功功率自由度参数，生成无功功率运行模式和无功功率自由度参数；
所述有功功率运行模式包括电网运行模式GOM、有功功率柔性运行模式AFOM、并网发电运行模式PGOM、孤岛运行模式IOM和有功功率待机运行模式ADOM，所述无功功率运行模式包括串联变换器无功运行模式SCOM、无功功率柔性运行模式RFOM、并联变换器无功运行模式PCOM和无功功率待机运行模式RDOM；
根据电能路由器系统能量利用原则、实际负荷功率以及所反馈的自由度参数，还计算并联变换器最大可用有功功率、并联变换器最大可用无功功率/>、串联变换器最大可用无功功率/>；
并联变换器最大可用有功功率、并联变换器最大可用无功功率/>计算方法为：
其中，为电能路由器系统额定视在功率，PL和QL为负荷有功功率和负荷无功功率，kp为有功功率自由度，δ为无功功率自由度：
串联变换器最大可用无功功率计算方法为：
其中，由于规定串联变换器输出电压的运行角度为0°~11.48°，因此无功功率自由度最大值δmax的取值为11.48°；
电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率和电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率/>计算方法为：
生成有功功率运行模式时：根据负荷有功功率PL、直流母线功率Pdc、并联变换器最大可用有功功率和电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率/>以及电网状态之间的逻辑判断，生成电能路由器系统关于有功功率的GOM、AFOM、PGOM、IOM和ADOM五种运行模式；
生成有功功率自由度参数包括：
在所述GOM中，根据与/>-PL的关系将GOM分为两个子模式，其中/>为电能路由器系统的额定有功功率，GOM具体为：1）当/>≥/>-PL时，此时/>=PL-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc，则有kp=/>/PL；2）当/></>-PL时，此时/>=-/>，获得功率关系PS=PL-Pdc，则有kp=1+/>/PL；其中，PS表示交流电网输入的有功功率；
在所述AFOM中，根据与/>的关系将AFOM分为两个子模式，具体为：1）当/>≥/>时，获得功率关系PL=PS+Pdc，则有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，获得功率关系PL=PS+/>，则有
，其中， SL表示负荷视在功率，
= arctan(cot φL) = arctan(PL/QL)，其中φL为负荷功率角；
在所述PGOM中，根据与/>的关系将PGOM分为两个子模式，具体为：1）当/>≥/>时，获得功率关系Pdc=PL-PS，则有kp=1-Pdc/PL；2）当/></>时，则有功率关系/>=PL-PS，则有kp=1-/>/PL；
在所述IOM中，根据PL=PPC的关系，则有kp=0；
在所述DOM中，当负荷所需有功功率大于电能路由器向负荷提供的最大可用有功功率时，则有kp=0；
生成无功功率运行模式时：根据负荷无功功率QL、电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率以及有功功率自由度参数kp，生成电能路由器系统关于无功功率的SCOM、RFOM、PCOM和RDOM四种运行模式；
生成无功功率自由度参数包括：
在所述SCOM中，根据QL=QSC的关系，则有δ=arcsin(tanφL/kp)；
在所述RFOM中，根据QL=+QPC的关系，则有δ=11.48°；
在所述PCOM中，根据QL=QPC的关系，则有δ=0°；
在所述RDOM中，当kp≤0或负荷所需无功功率大于电能路由器向负荷提供的最大可用无功功率时，则有δ=0°。
2.根据权利要求1所述的一种用于串并联架构电能路由器的自由度参数设计方法，其特征在于：所述电能路由器系统能量利用原则包括：为最大化利用可再生能源、并联变换器从直流母线获取能量，并以最大可用有功功率能力向负荷或电网传输电能；为使并联变换器输出更多的可再生能源发电功率，串联变换器向负荷传输最大无功功率。
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