家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略的制作方法

本发明涉及一种面向能源互联网的能源路由器，尤其是涉及一种家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略。

背景技术：

化石能源的日益枯竭，全球环境的迅速恶化，世界气候的急剧变化以及电力电子与计算机信息技术的快速发展，使可再生能源得到大力发展，如风能、太阳能、潮汐能等。为了最高限度地提高可再生能源的利用率，基于电力电子变换器的分布式发电技术、微电网技术、智能电网技术等得到了深入研究和广泛应用，可再生能源将成为人类社会未来的主体能源。又因存储量持续减少的化石能源已不能满足快速增长的能源需求，传统以化石能源为主体的全球能源结构不再适应社会的发展。为了充分发挥可再生能源的利用潜能，提高各类用户参与市场调节的能力，一种新的能源结构应运而生，即能源互联网(energy internet)。

家庭能源局域网(residential energy local network，RELN)作为能源互联网的一种构成要素，其数量多，分布广，拥有能源局域网系统的典型特征，因此对家庭能源局域网的研究十分必要。

作为能源互联网中能源传输与转换的枢纽—能源路由器(energy router，ER)，也成为各国学者研究的热点。ER作为能源互联网的核心设备，具有以下特点：1)其不仅能够实现变压功能，还提供了各种电能形式的标准化接口，能实现包括分布式发电装置在内的各种交直流电力设备的接入；2)能够对各端口的电压电流进行实时控制，实现能量管理、潮流调度等电网需求；3)动态特性良好，具有应对短路故障、完成低压穿越等功能；4)可轻松完成电网数据的采集，为更大范围内能源互联网的运行策略提供大数据依据。

能源路由器的核心为固态变压器(solid state transformer，SST)，它是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。因为采用了中高频的电力电子器件，因此可以极大程度减小变压器的体积和重量。而在功能上除了可以实现传统电网变压器对于电能隔离、转换、传输的基础功能外，还可以对输入输出的电压电流进行调整，提高电能质量；同时电力电子变压器也可以兼有自检测、自诊断、自保护以及联网通讯等功能。

由于家庭能源局域网的可再生能源自身的间歇性和波动性特征，使分布式可再生能源、储能和负荷间的协调控制问题变得至关重要。这一问题的解决有助于实现家庭能源局域网中高质量电能的无障碍共享，也有助于实现家庭能源局域网和主网间的实时能量信息交换，从而保证主网和家庭能源局域网的安全、稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使家庭型能源局域网与主网协调控制、优化能源配置的能源路由器及控制策略。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种家庭型能源局域网的能源路由器，包括控制器、固态变压器和多个接口，所述的接口分别连接主网和家庭能源局域网中的分布式电源、储能装置和负荷，所述的控制器调节固态变压器的电压以实现各接口间电流的有向流动，所述的固态变压器为双向结构，包括依次连接的高压三相整流器、DC/DC变换器和低压三相逆变器，所述的DC/DC变换器为双向对称结构，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和单向桥式全控整流电路，所述的单相全桥逆变电路将主网的高压直流电逆变为高频方波，然后通过高频变压器实现副边降压，再经单向桥式全控整流电路输出至低压直流母线，低压直流母线通过低压三相逆变器连接家庭能源局域网，实现逆变、整流无相角差控制，降低高频变压器损耗。

分布式电源包括风力发电机、光伏发电机，通过即插即用接口接入能源路由器。

所述的家庭型能源局域网的能源路由器的工作模式分为并网模式和离网模式。

所述的并网模式包括：

能量供给模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率P_DG大于总负荷功率P_load，多余电能经能源路由器逆变输出至主网，家庭能源局域网向主网输送的功率P_grid为：

P_grid＝P_DG-P_load；

这种模式下家庭能源局域网中的用户可看作电能的生产者，将多余的电能反向卖给主网，以获得最大利益。

能量消费模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率P_DG小于总负荷功率P_load，主网向家庭能源局域网提供不足部分的电能，主网向家庭能源局域网输送的功率P′_grid为：

P′_grid＝P_load-P_DG。

这种模式下家庭能源局域网中的用户可看作电能的消费者。

所述的离网模式包括：

分布式电源MPPT运行模式，分布式电源工作于MPPT方式，以最大利用新能源，储能装置通过充放电维持直流母线电压的恒定，储能装置的功率为：

P_storage＝P_load-P_DG

在这种模式中，若储能装置放电功率达到限值而分布式发电小于总负荷功率，一部分非关键负荷被切除以维持直流母线电压的恒定；

分布式电源降功率运行模式，储能装置电量达到最大限值后，分布式电源降功率运行，总发电功率等于总负荷功率，维持直流母线电压的恒定，P_DG＝P_load。

一种所述的能源路由器的控制策略，包括固态变压器输入级控制策略，具体为：采用电压电流双闭环控制高压三相整流器，令q轴电流参考值为0，实现单位输入功率因数。

所述的控制策略还包括固态变压器中间级控制策略，具体为：分别采用PWM控制DC/DC变换器中的单相全桥逆变电路和单向桥式全控整流电路，单相全桥逆变电路的PWM触发脉冲与单向桥式全控整流电路的PWM触发脉冲存在移相角差δ，此时DC/DC变换器传输功率P₀满足下式：

其中，U_dc为高压侧输出直流电压，U_dc-low为低压侧输出直流母线电压，L为高频变压器的漏感，f_H为开关频率。中间隔离级的控制目标为输出恒定的低压直流，由上式可见，在传输功率一定，高压侧电压值恒定，漏感和开关频率都已设定好的情况下，通过控制移相角δ，即可控制低压侧输出直流电压。控制手段为PI控制。同时可知，当δ>0时能量正向流动，即电能从电网流向家庭能源局域网，当δ<0时能量反向流动，即电能从家庭能源局域网流入电网，实现能量的双向流动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)来自不同可再生能源的电能通过相应的变换器注入低压直流母线，能够实现风-光-储和主网之间的互补。这能有效降低由可再生能源发电随机性给电网带来的挑战，实现本地电能的生产和消耗，并提高新能源功率输出。

(2)即插即用性：标准化的即插即用接口，能够快速识别不同电气特性的接入设备，利用分布式电源设备的机侧变流侧接入，由能源路由器统一并网控制，灵活应对不同电压等级、不同频率的分布设备的接入，使用灵活方便。

(3)双向性：用户端对于电网既可以是消耗能量的用户，也可以是提供能量的电源。双向拓扑设计能够实现电能的双向流动，更有利于实现用户利益最大化。

(4)能源路由器的硬件拓扑因模块化而容易扩展：所设计的能源路由器便采用模块化设计，每个模块完成特定的功能。能源路由器的固态变压器模块能实现低压直流母线的模块化接入。比如潮汐能、生物质能可以通过扩展的系统模块接入能源路由器。

(5)精确负荷分类：负荷分别通过相应的直流接口、三相或单相接口接入能源路由器。能源路由器的电能接口模块将提供多种可供选择的电能接口，包括直流600V、直流48V、三相交流380V、单相交流220V等。同时每个端口根据需要将具备能量的单相或多向流动能力，如单向功率流的交直流负荷接口和分布式电源接入端口、双向功率流的分布式储能设备的接入端口等，以此实现对负荷的精确分类。

(6)按隔离与非隔离，双向DC/DC可分为不隔离型(Buck-Boost、Buck/Boost Cuk、Sepic-Zeta)和隔离型两种。因不隔离式双向DC/DC的输入和输出之间没有电气隔离，同时要求输入电压和输出电压之间的变比不能太大，而隔离式双向DC/DC的输入和输出之间形成了电气隔离，且输入和输出电压的电压变比灵活，故固态变压器的中间级通常采用隔离型双向DC/DC拓扑结构。

按拓扑结构，双向DC/DC可分为双反激式、双正激式、双推挽式、双半桥、双全桥五种。因全桥拓扑具有：变压器磁通正负交变，铁芯利用率高；输出电压纹波频率为开关频率的两倍，输出滤波电感和电容较小；适用于大功率输出装置等优点，因而固态变压器的中间级采用双向桥式DC/DC拓扑结构。

因此本发明采用中间级为隔离型双向桥式DC/DC拓扑结构的固态变压器。

(7)固态变压器输入级是一个高压整流器。常规二极管不控整流或晶闸管相控整流会向电网传送大量谐波和无功，解决办法是由全控型变流器装置实现网侧电流控制，在适当的控制策略下可使网侧保持单位功率因数运行。本发明采用的电压电流双闭环解耦控制策略，电压外环的作用是保持高压直流输出电压的稳定，电流内环的作用是实现单位功率因数校正，保证网侧电流和电压同相位，同时降低网侧电流的谐波含量。

(8)固态变压器中间隔离级的控制有四种方法：全桥逆变与不控整流控制方式、全桥逆变与同步整流控制方式、单移相控制方式、双移相控制方式。这四种控制方式中，第一种控制方式可控性太差；全桥逆变与同步整流控制方式能够灵活控制能量双向流动，易于实现软开关，但存在环流问题；双移相控制能够消除环流，但需要满足严格条件，调压范围较窄。本发明固态变压器中间隔离级的控制采用单移相控制方式能克服以上缺点，可控性强、无环流问题、调节范围宽。

附图说明

图1为本实施例家庭能源局域网的基本架构；

图2为本实施例能源路由器的整体架构；

图3为本实施例SST的典型电路拓扑；

图4为本实施例能源路由器的拓扑结构；

图5(a)为本实施例三相整流单元拓扑结构；5(b)为本实施例三相整流单元控制框图；

图6(a)为本实施例DC/DC变换单元拓扑结构；6(b)为本实施例中间DC/DC单元控制框图；(c)为本实施例DC/DC变换器移相控制波形图；

图7(a)为本实施例三相逆变单元拓扑结构；7(b)为本实施例三相输出逆变单元控制框图；

图8为本实施例MPPT控制框图；

图9为本实施例三相输入电压波形；

图10为本实施例输入级网侧A相电压电流波形；

图11为本实施例输入级直流侧电压波形；

图12为本实施例隔离变压器原边电压；

图13为本实施例隔离变压器副边电压；

图14为本实施例SST隔离级输出电压；

图15为本实施例SST输出级空载电压；

图16为本实施例阻性负载时A相输出电压电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明以一种基于能源路由器的家庭能源局域网为研究对象，将光伏、风力发电等可分布式电源、储能装置和负荷等通过ER的不同接口接入家庭能源局域网中，以此形成家庭能源局域网的源-网-荷-储协调运营模式。因家庭能源局域网和主网之间的能量流动是双向的，并且可再生能源自身的间歇性和波动性特征，使分布式可再生能源、储能和负荷间的协调控制问题变得至关重要。这一问题的解决有助于实现家庭能源局域网中高质量电能的无障碍共享，也有助于实现家庭能源局域网和主网间的实时能量信息交换，从而保证主网和家庭能源局域网的安全、稳定运行。

1.家庭能源局域网源-网-荷-储运营模式

家庭能源局域网是由供电电源、分布式能源、储能元件、负荷等构成的微能源网，是能源互联网的重要组成形式，具有高效、安全、可控的特点。通过应用先进电力电子技术，研发高效率能源路由器，其变换效率优于传统变压器并可灵活接入各种交直流电源或负载，实现即插即用；用户侧热电冷联产、蓄冰蓄冷、分散储能元件广泛应用；用户侧负荷资源参与需求响应、响应实时电价，各种负荷灵活可控。

1.1家庭能源局域的基本架构

家庭能源局域网包含分布式可再生能源发电(如风机，光伏)设备，分布式可控发电设备(如微型发电机)，储能系统(如电池储能)与电动汽车，多样的智能负载(关键负载、可控负载、可调度负载)等，它们分别接入能源路由器的不同接口。因此家庭能源局域网可以看成是由电力网、电气化交通网、天然气网、信息通信网等紧密耦合而成的网络，其中，电力网作为各种能源相互转化的枢纽，是家庭能源局域网的基础支撑。电力网与电气化交通网通过电动汽车的充放电实现交互，电力和天然气两种能源之间可以双向转换。家庭能源局域网的基本架构如图1所示。

RELN通过能源接口和能源路由器融合了大量的分布式可再生能源、分布式储能，并结合智能能量分配和管理技术，共同完成系统最优控制的目标，从而确保分布式设备安全、可靠、高效、经济、智能的接入RELN并实现对能量流和信息流的控制。电能是能源互联网中主要的能源载体和传输中介，电能传输和分配是本发明研究的主要内容。

能源路由器是家庭能源局域网中的关键设备，它能实现主网和RELN之间的信息交换和能量共享，它以一种统一的方式分配、管理、调度RELN中的所有能量，并在全网通信的基础上对能量进行最优配置。

能源路由器是一种能源—信息一体化的交换设备，它的整体架构如图2所示，由图可知，整个能源路由器由通信平台、控制器和固态变压器3个主要功能模块组成，通信单元与控制器之间通过UART串行链路实现信息传递；控制模块重点在于实现微网内和微网间的能源配送；固态变压器在控制器信息的支撑下，通过电压调节实现各接口间电流的有向流动，保证电力的供需平衡；能源路由器之间的协同完全依赖于通信网络，并开发了专门的通信协议DNP3。

能源路由器的核心模块是固态变压器，它的典型电路拓扑结构如图3所示。固态变压器工作过程中，高压三相整流器将电网输入的高压工频交流电通过AC/DC整流变换器转换成直流高压电，并维持输入电流正弦波形且与输入电压保持同步，以获得单位输入功率因数，实现无功功率补偿，同时维持输入整流单元直流侧电压恒定；DC/DC变换器在结构上由DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块构成，将高压直流电逆变转换为高频方波并通过高频变压器实现副边降压，再由AC/DC整流模块输出低压直流电，并维持低压直流母线电压恒定，实现逆变、整流无相角差控制，降低高频变压器损耗。

1.2家庭能源局域网源-网-荷-储协调运营模式

电力系统“源-网-荷-储”运营模式是指电源、电网、负荷与储能四部分通过多种交互手段，更经济、高效、安全地提高电力系统的功率动态平衡能力，从而实现能源资源最大化利用的运行模式和技术。而在能源互联网背景下，“源-网-荷-储”协调优化有了更深层次的含义。主要包含以下2个方面：

1)横向多源互补。能源互联网中的“横向多源互补”是指电力系统、石油系统、供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间的互补协调，突出强调各类能源之间的可替代性，用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由选择能源资源的取用方式。

2)纵向“源-网-荷-储”协调。能源互联网中的纵向“源-网-荷-储”主要是指2个方面：①通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能量传输网络之间的相互协调；②将用户的多种用能需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩大化成为全能源领域的综合用能管理，将广义需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳定运行方面的作用进一步放大化。

而在本专利狭义的家庭能源局域网中，多源互补就指电力系统中的多种可再生能源，包括光伏、风电等；“源-网-荷-储”协调就指可再生能源、电网、多样负荷及储能电池、电动汽车间的协调。

2.家庭能源局域网工作模式分析

RELN的工作模式大致分为并网模式和离网模式两种。当RELN正常运行时，它工作于并网模式，一旦发生故障，它将与主网断开，工作于离网模式。

并网模式又可分为：

1)能量供给模式：家庭能源局域网中分布式电源工作于MPPT方式，若此时分布式电源的发电量除满足全部负荷正常工作外还有剩余，多余的电能将输送至电网，能源路由器逆变输出给电网的电能的电压和频率由主网侧控制器控制。此时家庭能源局域网向电网输送的功率为：

P_grid＝P_DG-P_load

这种模式下家庭能源局域网中的用户可看做电能的生产者，将多余的电能反向卖给电网，以获得最大利益。

2)能量消费模式：家庭能源局域网中分布式电源采用MPPT控制，但其发出的电能仍然不足以负荷消耗。此时，为维持直流母线电压的恒定，电网将向家庭能源局域网提供不足部分的电能。电网向家庭能源局域网输送的功率为：

P′_grid＝P_load-P_DG

这种模式下家庭能源局域网中的用户可看做电能的消费者。

离网模式包括：

1)分布式电源MPPT运行模式：家庭能源局域网中的分布式电源采用MPPT控制以最大利用新能源，储能则通过充放电维持直流母线电压的恒定，此时储能的功率为：

P_storage＝P_load-P_DG

在这种模式中若储能放电达到一定限值而分布式发电仍然不足以负荷消耗时，一部分非关键负荷将要被切除以维持直流母线电压的恒定。

2)分布式电源降功率运行模式：若家庭能源局域网中的储能系统已达到最大充电限值，而分布式电源的发电功率仍超出负荷总的需求功率，为维持直流母线电压的恒定，分布式电源必须降功率运行，此时有：

P_DG＝P_load

本发明设计的能源路由器的拓扑结构如图4所示，它由下列模块组成：三相高压整流模块、DC-DC变换模块、单相/三相逆变模块、风力发电变换模块、光伏发电变换模块、双向储能变换模块。

模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程，每个模块完成一个特定的子功能，所有模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。

3.控制策略分析

3.1固态变压器的控制策略

1、SST输入级控制

固态输入级的作用是：(1)保持直流输出电压(高压直流)的稳定；(2)抑制负载侧谐波源向网侧输送谐波，降低网侧电流的谐波含量，提高其正弦度；(3)实现功率因数校正，保持网侧电流和电压同相位。为了实现能源互联网网侧的单位功率因数的控制，采用电压电流双闭环控制策略控制三相整流单元，控制框图如图5(b)所示。直流侧电压外环的作用主要是控制输出直流电压，保证直流电压的恒定；网测输入电流内环的作用是按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。此时只需要令q轴电流参考值量i_q＝0，即可实现单位输入功率因数的控制。

2、SST中间级控制

SST中间级DC/DC变换单元由单相全桥逆变电路、高频变压器和单相桥式全控整流电路组成，其拓扑结构如图6(a)所示。该单元中逆变器和整流器均采用PWM控制，驱动信号是占空比为50％的互补触发脉冲。固态变压器模块中间DC/DC单元在结构上完全对称，从而能够实现电能的双向传输。

DC/DC变换单元工作过程中，当原方逆变器与副方整流器的触发脉冲不同步时，存在相角差

式中，P₀为DC/DC变换单元传输的有功功率；U_dc为高压侧输入的直流电压；U_dc-low为低压侧输出的直流电压；f_H为开关频率；L为漏感；δ为原副方调制信号的移相角差。通过控制移相角差δ即可控制低压侧输出的直流电压U_dc-low，因此引入PI调节器控制移相角差，其控制框图如图6(b)，各个开关的控制波形如图6(c)。由上式可知，当δ>0时能量正向流动，即从电网流向家庭能源局域网；当δ<0时能量反向流动，即从家庭能源局域网流入电网，实现能量的双向流动。

3、SST输出级控制

SST的输出级在结构上与输入级整流电路相似，实则为三相逆变电路，功能为将中间隔离级的输出低压直流电逆变为三相工频交流电供给负载。因SST是功率双向流动型的，此处的输出级亦可作为输入级使用。输出级的三相逆变单元的拓扑结构如图7(a)，图中L_f为滤波电感，C_f为滤波电容。为了改善输出电能质量，采用SPWM或SVPWM的调制方法，经LC滤波器滤除高次谐波后，使输出的电压波形尽可能接近正弦，其控制框图如图7(b)。

3.2光伏、风电的控制

为了实现可再生能源的最大化利用，对光伏和风电均采用了MPPT控制，使其最大出力，减少化石能源的利用，但是离网运行模式下能源局域网中储能系统因充满或故障等原因退出运行后，为了确保重要负荷的正常供电，光伏和风电系统切换至下垂控制，根据负荷功率需求自动调整发电功率。控制策略如图8所示。

3.3储能系统的控制

本发明中的储能系统采用蓄电池储能，它的控制采用传统的双闭环控制。

4.仿真案例分析

以图4为家庭能源局域网的模型为基础，在MATLAB/SIMULINK中搭建了相应的仿真模型。该家庭能源局域网的一次能源侧包括一台风力发电机、一组光伏板。

仿真中的能源路由器采用第三部分所描述的控制策略。本部分的仿真分别针对并网和离网情况下分布式能源变化、交直流负载突变、系统故障等情况下进行设计，展示了能源路由器在并网、离网等状态下的各端口的暂态、稳态波形。

4.1固态变压器仿真

1、输入级仿真

图9给出的是输入级网侧A、B、C三相相电压波形，幅值为8165V，三相对称。图10给出的是输入级A相电压电流波形，图中可以看出电流能很好地跟随电压波形，保持单位功率因数运行。图11中是高压直流侧电压波形，稳态电压值为18kV，与直流参考电压基本一致，稳态误差很小，保证输出恒定的直流电压。

2、隔离级仿真

隔离级需将输入级的高压直流输出变为低压直流，这里考虑功率的双向流动。隔离级采用的是高频变压器，其工作频率在kHz级别，这里采用10kHz作为高频变压器的额定频率。下面给出隔离级相关仿真波形。

图12～14给出了在50％占空比控制下，输入高压18kV直流被调制成高频方波，经高频变压器耦合，变换至低压侧，经全控整流变为低压600V直流输出。

3、输出级仿真

输出级的输入为隔离级的输出，即低压直流，经电压型逆变器变换为三相交流供给负载。控制目标为：抗负载干扰维持输出电压恒定去除非线性负载产生的谐波，保证电流正弦。

图15是SST输出级空载时输出的三相电压，可见输出电压三相对称，且各相幅值为311V，且波形质量良好。图16是输出级带阻性负载时A相的输出电压电流波形，可见电压电流波形均能实现良好的正弦度。