一种能量路由器
阅读说明：本技术 一种能量路由器 (Energy router ) 是由 王松 刘伯豪 吴建华 王丽 俞军涛 李雪莲 宋玉美 王挺侹 彭传校 于 2021-07-31 设计创作，主要内容包括：一种能量路由器,涉及电能分配装置,包括中压配电网、AC/DC变换器、集中控制器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、分布式发电系统、直流负载、储能装置、交流负载、中压直流母线、低压直流母线和低压交流母线；中压配电网与AC/DC变换器连接,集中控制器与AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、(每个)终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、分布式发电系统和储能装置连接。本发明具有可对底层设备进行直接能量管理、能量可根据供需关系流动,高配电效率和高安全性等优点。(An energy router relates to an electric energy distribution device, and comprises a medium-voltage distribution network, an AC/DC converter, an integrated controller, a junction DC/DC converter, a terminal DC/DC converter, a DC/AC converter, a distributed power generation system, a direct current load, an energy storage device, an alternating current load, a medium-voltage direct current bus, a low-voltage direct current bus and a low-voltage alternating current bus; the medium-voltage distribution network is connected with the AC/DC converter, and the integrated controller is connected with the AC/DC converter, the junction DC/DC converter, the terminal DC/DC converter(s), the DC/AC converter, the distributed power generation system and the energy storage device. The invention has the advantages of direct energy management of bottom equipment, energy flow according to supply and demand relations, high power distribution efficiency, high safety and the like.)
技术领域
本发明涉及电能分配装置，具体是一种基于直流母线电力电子变压器的集中式能量路由器。
背景技术
近些年来，分布式发电技术已经逐步发展到了一个比较成熟的阶段。现有的大电网供电系统存在着多种缺陷，例如有一个故障点可能会导致大面积停电、易受战争或恐怖势力破坏，对于用户负荷变化无法灵活跟踪所导致的成本飙升等。
能源路由器主要由电力电子变换器和集中控制器为核心的控制系统组成；能量路由器可以将某地区分布式发电系统与用户负载及电网主网连接起来，控制用户负载正常工作，使能源得到高效利用，也使得整个区域电网更加稳定。使用能量路由器对大电网与分布式电源进行结合配置，可以有效解决大电网供电系统存在的缺陷，组建能量路由器符合能源高效利用以及电网合理利用的基本需求。
现有的能量路由器多为松散型能量路由器，其本质为能量被动路由，内部各部分按照设定进行控制，相互间通信受限，无法实现灵活高效的能量分配，且适用情况单一。现有的能量路由器大部分只能实现能量单一流动，供需关系不易平衡。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种对于底层设备进行直接能量管理、能量可根据供需关系流动，高配电效率和高安全性的能量路由器。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种能量路由器，其特征在于包括中压配电网、AC/DC变换器、集中控制器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、分布式发电系统、直流负载、储能装置、交流负载、中压直流母线、低压直流母线和低压交流母线；所有变换器包含数据采集器；
所述中压配电网与AC/DC变换器连接，中压AD/DC变换器与中压直流母线连接，中压直流母线通过枢纽DC/DC变换器与低压直流母线连接，低压直流母线分别通过终端DC/DC变换器与分布式发电系统、直流负载和储能装置相连接，中压直流母线通过中压DC/AC变换器与低压交流母线连接，低压交流母线连接交流负载；集中控制器与AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、（每个）终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、分布式发电系统和储能装置连接，用于控制能量传输以及对储能装置安全性监测。
本发明中所述的枢纽DC/DC变换器由N个DC/DC模块输入端串联、输出端并联而成。
本发明中所有变换器（AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器）的电流采样装置与电压采样装置通过信号线与集中控制器的信号接收装置连接，集中控制器经信号处理后通过信号线发送控制信号给变换器的控制电路控制变换器工作。
本发明中所述能量路由器的所有能量变换器（AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器）与集中控制器的信息采集模块连接，信息经采集模块传输至数据处理模块，最终经处理模块处理后通过传输接口传送至云端以供集中控制器对能量路由器各个模块进行监测、分析及控制。实现该能量路由器的信息传输。
本发明中所述的枢纽DC/DC变换器的控制方法包括如下步骤：
第一步：将N个DC/DC模块的输出功率相加后除以N，得到平均功率；
第二步：将各个DC/DC模块的功率与平均功率的差值输入至PI控制器，通过PI控制器输出各个DC/DC模块对应的移相角；
第三步：采集各个DC/DC模块输出端电压，将输出电压与给定参考值Uref求差，将差值输入PI控制器，PI控制器输出量经限幅进行移相计算，得到稳压控制移相角；
第四步：各个DC/DC模块对应的移相角分别与稳压控制的移相角相加，得到各个DC/DC模块分别对应的总移相角；
第五步：将各个DC/DC模块分别对应的总移相角反馈至其（各个DC/DC模块）输入端，使用PS-PWM技术控制原边功率器件导通关断时机，控制DC/DC模块的功率因数。
本发明中能量路由器的能量控制方法包括如下步骤：
步骤a、由电压采集器采集低压直流母线电压，用电压比较器与其所设阈值比较，阈值包括上限阈值和下限阈值；
步骤b、集中控制器通过库仑计量法判断储能装置容量；
步骤c、当低压直流母线电压超过电压比较器上限阈值电压时，停止AC/DC变换器传输，枢纽DC/DC变换器反向传输（将能量流向改变为低压直流母线流至中压直流母线）、（经DC/AC变换器、低压交流母线）为交流负载供电；
步骤d、在步骤c的基础上，低压直流母线电压依然超出上限阈值时，控制与储能装置相连接的终端DC/DC变换器将能量流向改变为低压直流母线流至储能装置、为储能装置充电储能，当低压直流母线电压低于下限阈值时停止储能；同时集中控制器判断储能装置容量是否达到限制范围，储能装置容量已经达到限制范围时，由集中控制器发出控制信号控制分布式发电系统退出运行；
步骤e、当低压直流母线电压低于电压比较器下限阈值电压时，开启AC/DC变换器传输，控制与储能装置连接的终端DC/DC变换器将能量流向改变为储能装置至低压直流母线。
本发明中所述的上限阈值为枢纽DC/DC变换器的理想输出电压的110%，下限阈值为枢纽DC/DC变换器的理想输出电压的95%。
本发明的能量路由器利用了双向能量变换器与能量双向控制，可根据供需关系进行供能，解决了能量流向单一、能量供需关系不平衡的问题，提高了能量利用效率。本发明提供的能量路由器为集中型拓扑结构以及拥有多种供能渠道，在电网部分结构遭到破坏后，本能量路由器可调动其他能量渠道继续为用户端供能，提高了用电稳定性。本能量路由器利用集中控制器，将各级所有变换器进行监测与控制，使得系统整体协调性提高，可进行更加灵活的能量路由。本发明具有可对底层设备进行直接能量管理、能量可根据供需关系流动，高配电效率和高安全性等优点。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构与能量、信息流示意图。
图2为本发明中枢纽DC/DC变换器的结构示意图。
图3为本发明中枢纽DC/DC变换器的控制方法示意图。
图4为本发明中稳压控制移相角计算方法示意图。
图5为本发明的能量控制方法示意图。
具体实施方式
如图1所示的能量路由器，包括中压配电网、AC/DC变换器、集中控制器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、分布式发电系统、直流负载、储能装置、交流负载、中压直流母线、低压直流母线和低压交流母线；所有变换器包含数据采集器；所述的所有变换器或所有能量变换器包括AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器。
所述中压配电网与AC/DC变换器连接，AD/DC变换器与中压直流母线连接，中压直流母线通过枢纽DC/DC变换器与低压直流母线连接，低压直流母线分别通过（三组）终端DC/DC变换器与分布式发电系统、直流负载和储能装置相连接，中压直流母线通过DC/AC变换器与低压交流母线连接，低压交流母线连接交流负载；集中控制器与AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、每个终端DC/DC变换器、DC/AC变换器、储能装置连接，用于控制能量传输以及对储能装置安全性监测。所述能量路由器的分布式发电系统包括小型燃气轮机、光伏发电机和风力发电机。所述集中控制器包括视频监控系统、显示系统、调度系统，可选用上海云屯科技有限公司的电精灵智慧用电系统，可进行实时状态监测与网络视频监控，而且可以快速查询电气参数，并支持多种显示形式，通过线上线下实现设备全生命周期的运维管理，大大减少人力成本且安全性更高。所述储能装置可选用大容量高功率锂离子电池储能装置；上述大容量高功率锂离子电池采用磷酸亚铁锂电池；磷酸亚铁锂成本低、对环境污染小且能量转换效率高，故磷酸亚铁锂电池适合作为大型储能系统的储能单元。
本发明中所述的枢纽DC/DC变换器由N个DC/DC模块输入端串联、输出端并联而成，其拓扑结构如图2所示；由于枢纽DC/DC变换器的N个DC/DC模块功率保持一致比较困难，输出端的功率也会有差异，最终导致配电网电压波动等一系列问题，本发明提供了枢纽DC/DC变换器的控制方法，包括如下步骤：
第一步：将N个DC/DC模块的输出功率PON通过功率计算模块计算出来再相加后除以N，得到平均功率；
第二步：将各个DC/DC模块的功率PON与平均功率的差值输入至PI控制器，通过PI控制器输出各个DC/DC模块对应的移相角∆φN；
第三步：采集各个DC/DC模块输出端电压UON，将输出电压UON与给定参考值Uref求差，将差值输入PI控制器，PI控制器输出量经限幅进行移相计算，得到稳压控制移相角φN；N=(1,2,3…N)，代表第N个DC/DC模块所对应的物理量。
第四步：各个DC/DC模块对应的移相角∆φN分别与稳压控制的移相角φN相加，得到各个DC/DC模块分别对应的总移相角；
第五步：将各个DC/DC模块分别对应的总移相角反馈至其（各个DC/DC模块）输入端，使用PS-PWM技术控制原边功率器件导通关断时机，控制DC/DC模块的功率因数。
本发明中所述的给定参考值Uref为输入电压经DC/DC模块变压后的理论输出电压。
本发明中所有变换器（AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器）的电流采样装置与电压采样装置通过信号线与集中控制器的信号接收装置连接，集中控制器经信号处理后通过信号线发送控制信号给变换器的控制电路控制变换器工作。所述能量路由器的所有能量变换器(AC/DC变换器、枢纽DC/DC变换器、终端DC/DC变换器、DC/AC变换器)与集中控制器的信息采集模块连接，信息经采集模块传输至数据处理模块，最终经处理模块处理后通过传输接口传送至云端以供集中控制器对能量路由器各个模块进行监测、分析及控制；实现该能量路由器的信息传输。
本发明的直流母线存在如下能量守恒：
为中压配电网对于中压直流母线的输入功率，为分布式电源供给功率，为低压直流母线负载的需求功率和低压交流母线负载的需求功率之和，为储能系统供给或吸收功率。当需求功率小于供给功率时，此时方向需反向传输至电网侧，则进行功率吸收，能量流向储能装置；当需求功率大于供给功率时，此时方向需正向传输至用户侧，方向为能量由储能装置流出。故本能量路由器提出一种控制策略，实时控制DC/DC变换器的传输方向。
由公式
其中为低压直流母线电压；为低压直流母线的并联电容；为电容的充电电流；为枢纽DC/DC变换器输出电流；为分布式电源经终端DC/DC变换器提供的电流；为向直流负载侧的传输电流；为储能装置供给或吸收传输电流（此处为假设在电网和分布式发电系统同时供电且无其他控制时的情况，无需考虑交流侧）。如果分布式电源供给电流与母线供给用户负载侧电流存在差值（以分布式电源供给大于用户侧需求，且二者皆为恒流为例），此时电网侧能量与储能装置能量若持续供给至低压直流侧（此处为假设在电网和分布式发电系统同时供电且无其他控制时的情况，无需考虑交流侧），由上述公式知此时低压直流母线电压将逐渐增大。故本能量路由器的能量控制方法如图5所示，能量路由器的能量控制方法包括如下步骤：
步骤a、由电压采集器采集低压直流母线电压，用电压比较器与其所设阈值比较，阈值包括上限阈值和下限阈值；
步骤b、集中控制器通过库仑计量法判断储能装置容量；
步骤c、当低压直流母线电压超过电压比较器上限阈值电压时，停止AC/DC变换器传输，枢纽DC/DC变换器反向传输，将能量流向改变为低压直流母线流至中压直流母线、（经DC/AC变换器、低压交流母线）为交流负载供电；
步骤d、在步骤c的基础上，低压直流母线电压依然超出上限阈值时，控制与储能装置相连接的终端DC/DC变换器将能量流向改变为低压直流母线流至储能装置、为储能装置充电储能，当低压直流母线电压低于下限阈值时停止储能；同时集中控制器判断储能装置容量是否达到限制范围，储能装置容量已经达到限制范围时，由集中控制器发出控制信号控制分布式发电系统退出运行；
步骤e、当低压直流母线电压低于电压比较器下限阈值电压时，开启AC/DC变换器传输，控制与储能装置连接的终端DC/DC变换器将能量流向改变为储能装置至低压直流母线。
本发明中所述的上限阈值为枢纽DC/DC变换器的理想输出电压的110%，下限阈值为枢纽DC/DC变换器的理想输出电压的95%。
本发明的能量路由器利用了双向能量变换器与能量双向控制，可根据供需关系进行供能，解决了能量流向单一、能量供需关系不平衡的问题，提高了能量利用效率。本发明提供的能量路由器为集中型拓扑结构以及拥有多种供能渠道，在电网部分结构遭到破坏后，本能量路由器可调动其他能量渠道继续为用户端供能，提高了用电稳定性。本能量路由器利用集中控制器，将各级所有变换器进行监测与控制，使得系统整体协调性提高，可进行更加灵活的能量路由。本发明具有可对底层设备进行直接能量管理、能量可根据供需关系流动，高配电效率和高安全性等优点。