一种近用户侧的多电能路由器组网架构的制作方法

本申请涉及微电网技术领域，尤其涉及一种近用户侧的多电能路由器组网架构。

背景技术：

近年来，屋顶分布式光伏、家用电动汽车逐渐普及，同时社区、工业园区等区域里配置集中式大功率光伏阵列、储能变流器或集中于公共停车场的电动汽车所占比例逐渐增加，电网终端设备由传统的仅消耗电能的负载转变为既能消费电能又具备发电能力的生产消费型终端。这种趋势随着人们对清洁和可再生能源的重视和开发利用而出现，同时也反过来正在影响和改变着电网的形态。

具备发电能力的终端直接并网向电网回馈功率是光伏、风机等新能源有效利用的直接方式，对于配电网容量建设较大(此时新能源输出峰值功率占比较小)的情况，新能源产生的电能能够全部回馈电网而不引起并网点的较大电压或频率波动。但一方面由于新能源渗透率进一步增加，其装机容量在未来有大幅上升趋势，而区域配电网建设由于投入成本、优化部署等原因难以频繁提升容量配置。以集中方式在配电网节点部署储能变流器能够解决本区域里新能源消纳，即使区域内新能源发电容量高于并网要求时也能够通过储能存储，实现最大限度利用新能源。这种方式借助储能，以“削峰”和“错时”解决了该区域向外对大电网的功率调节和潮流优化，但区域内部的终端社区或家庭用户在无储能配置情况下其新能源并网容量依然受限，限制了新能源渗透率进一步提升，无法实现较高甚至接近100％的新能源渗透率。

微网是接入多个新能源和分布式发电的一种有效方法，它在交流公共点汇聚交流电网、交流负载、新能源或分布式发电经dc-ac或ac-ac变换器转换形成的交流源。交流源由电力电子变换实现，具备较强的控制能力，能够根据需要作为功率源或电压源，并在两者之间切换，实现与电网的功率交互、功能补充等。微网支持多个储能装置以分布式方式部署在不同的位置，能够解决区域内更小子区的新能源功率存储和消纳。微网架构设计之初主要应用于区域、海岛或大型舰船等特殊场所，尽管能作为对传统电网的补充和加强、实现区域独立供电，但其仍然是某一小的区域中能量的集中管理控制；直接以传统微网方式组网的二层和三层控制依赖于通信，公共连接点(pcc，pointofcommoncoupling)的部署较难遍及到每一个家庭用户。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种近用户侧的多电能路由器组网架构，解决了直接以传统微网方式组网的二层和三层控制依赖于通信，公共连接点(pcc，pointofcommoncoupling)的部署较难遍及到每一个家庭用户的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种近用户侧的多电能路由器组网架构，包括：

与主网交流侧连接的单相220v电能路由器、与主网交流侧连接的三相380v电能路由器以及与主网交流侧连接的配电网10kv电能路由器。

可选地，所述单相220v电能路由器包括单相电力电子变压器以及第一dc/dc变换器；

所述单相电力电子变压器包括依次连接的第一双向ac/dc变换器以及第一dc/ac变换器；

所述第一双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

所述第一双向ac/dc变换器的直流端连接有第一直流母线，所述第一dc/dc变换器的输入端与所述第一直流母线电连接；

所述第一dc/dc变换器的输出端与第一直流负载电连接；

所述第一dc/ac变换器的交流端与第一交流负载电连接。

可选地，所述三相380v电能路由器包括三相电力电子变压器以及第二dc/dc变换器；

所述三相电力电子变压器包括依次连接的第二双向ac/dc变换器、双向高频隔离dc/dc变换器以及第二dc/ac变换器；

所述第二双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

所述双向高频隔离dc/dc变换器的输出端连接有第二直流母线，所述第二dc/dc变换器的输入端与所述第二直流母线电连接；

所述第二dc/dc变换器的输出端与第二直流负载电连接；

所述第二dc/ac变换器的交流端与第二交流负载电连接。

可选地，所述配电网10kv电能路由器包括配电网10kv电力电子变压器以及第三dc/dc变换器；

所述配电网10kv电力电子变压器包括依次连接的级联双向ac/dc变换器、串入并出双向高频隔离dc/dc变换器以及第三dc/ac变换器；

所述级联双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

所述串入并出双向高频隔离dc/dc变换器的输出端连接有第三直流母线，所述第三dc/dc变换器的输入端与所述第三直流母线电连接；

所述第三dc/dc变换器的输出端与第三直流负载电连接；

所述第三dc/ac变换器的交流端与第三交流负载电连接。

可选地，所述单相电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式以及交流输入并网模式。

可选地，所述三相电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式以及交流输入并网模式。

可选地，所述配电网10kv电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式、交流输入并网模式以及交流输出封锁模式。

可选地，所述主网与所述配电网10kv电能路由器的第一控制器之间通过通信链路通信连接；

所述配电网10kv电能路由器的第一控制器与所述三相380v电能路由器的第二控制器之间通过通信链路通信连接；

所述三相380v电能路由器的第二控制器与所述单相220v电能路由器的第三控制器之间通过通信链路通信连接。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种近用户侧的多电能路由器组网架构，利用电能路由器在用户侧的全范围节点实现新能源和分布式能源接入，实现电能优化管理，多种电能路由器在不同层级互联，实现相互功率或电压支撑，降低并网和孤岛转换后电压、频率同步难度，且每一级电能路由器的控制器与上一级电能路由器的控制器通信交互，分层代理式通信方式降低了对主控制单元的计算和通信负担，每一层电能路由器可具备不同的归属，可遍及到不同的负载，解决了直接以传统微网方式组网的二层和三层控制依赖于通信，公共连接点(pcc，pointofcommoncoupling)的部署较难遍及到每一个家庭用户的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例中一种近用户侧的多电能路由器组网架构的系统架构图；

图2为本申请实施例中单相电能路由器的结构示意图；

图3为本申请实施例中三相电能路由器的结构示意图；

图4为本申请实施例中配电网10kv电能路由器的结构示意图；

图5(1)为传统微网孤岛转并网的重新同步示意图；

图5(2)为本申请实施例中配电网10kv电能路由器孤岛转并网的重新同步示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请设计了一种近用户侧的多电能路由器组网架构，解决了直接以传统微网方式组网的二层和三层控制依赖于通信，公共连接点(pcc，pointofcommoncoupling)的部署较难遍及到每一个家庭用户的技术问题。

为了便于理解，请参阅图1，图1为本申请实施例中一种近用户侧的多电能路由器组网架构的系统架构图，如图1所示，具体包括：

与主网交流侧连接的单相220v电能路由器、与主网交流侧连接的三相380v电能路由器以及与主网交流侧连接的配电网10kv电能路由器。

需要说明的是，图1为两路10kv环网构成的系统架构：第一路10kv1以传统电力变压器降压为380v并经过静态开关连接到交流公共连接点；第二路10kv2以电力电子变压器为核心的电能路由器2隔离降压后连接到交流公共连接点。该组网方式也可以扩展到多路电力环网和多个电力变压器以电能路由器部分或全部替换的情况下。

本申请实施例中，提供了一种近用户侧的多电能路由器组网架构，利用电能路由器在用户侧的全范围节点实现新能源和分布式能源接入，实现电能优化管理，多种电能路由器在不同层级互联，实现相互功率或电压支撑，降低并网和孤岛转换后电压、频率同步难度，且每一级电能路由器的控制器与上一级电能路由器的控制器通信交互，分层代理式通信方式降低了对主控制单元的计算和通信负担，每一层电能路由器可具备不同的归属，可遍及到不同的负载，解决了微网二层和三层控制依赖于通信，其公共连接点(pcc，pointofcommoncoupling)的部署较难遍及到每一个家庭用户的技术问题。

优选地，单相220v电能路由器包括单相电力电子变压器以及第一dc/dc变换器；

单相电力电子变压器包括依次连接的第一双向ac/dc变换器以及第一dc/ac变换器；

第一双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

第一双向ac/dc变换器的直流端连接有第一直流母线，第一dc/dc变换器的输入端与第一直流母线电连接；

第一dc/dc变换器的输出端与第一直流负载电连接；

第一dc/ac变换器的交流端与第一交流负载电连接。

需要说明的是，单相220v电能路由器一般为家庭户用电能路由器，户用电能路由器由单相电力电子变压器和接入光伏、储能的第一dc/dc变换器组成，如图2所示。输入取自交流公共连接点的相电压，输出连接家庭照明、电器等交流负载。第一直流母线构成直流公共连接点，光伏可通过第一dc/dc变换器与第一直流母线电连接，电动汽车可通过双向dc/dc变换器与第一直流母线电连接。

优选地，三相380v电能路由器包括三相电力电子变压器以及第二dc/dc变换器；

三相电力电子变压器包括依次连接的第二双向ac/dc变换器、双向高频隔离dc/dc变换器以及第二dc/ac变换器；

第二双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

双向高频隔离dc/dc变换器的输出端连接有第二直流母线，第二dc/dc变换器的输入端与第二直流母线电连接；

第二dc/dc变换器的输出端与第二直流负载电连接；

第二dc/ac变换器的交流端与第二交流负载电连接。

需要说明的是，三相380v电能路由器由三级式拓扑组成，实现380v—380v的电能变换，在直流母线上接入新能源和储能装置，如图3所示。一方面相比单相电能路由器其功率等级更大，另一方面可对不属于家庭的公共负载进行供电，如公共照明、空调暖风等设备，同时由于该部分负载连接在电力电子变压器的逆变器侧，该部分功率可以通过逆变器的输出限流设定其限定功率，该控制自由度能够容易实现负载的有源调控。其第二直流母线接入功能的一种典型的应用是接入更大面积的集中光伏和停车场中的电动汽车集群。

优选地，配电网10kv电能路由器包括配电网10kv电力电子变压器以及第三dc/dc变换器；

配电网10kv电力电子变压器包括依次连接的级联双向ac/dc变换器、串入并出双向高频隔离dc/dc变换器以及第三dc/ac变换器；

级联双向ac/dc变换器的交流端与主网交流侧公共连接点电连接；

串入并出双向高频隔离dc/dc变换器的输出端连接有第三直流母线，第三dc/dc变换器的输入端与第三直流母线电连接；

第三dc/dc变换器的输出端与第三直流负载电连接；

第三dc/ac变换器的交流端与第三交流负载电连接。

需要说明的是，在配电网中，10kv电能路由器中的电力电子变压器既实现降压功能，也实现电磁隔离。一种典型的电路拓扑为三级式变换器构成：级联双向ac/dc变换器、串入并出双向高频隔离dc/dc变换器以及第三dc/ac变换器。在第三直流母线接入较大功率的光伏阵列或储能变流器。对应结构图如图4所示。

优选地，单相电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式以及交流输入并网模式。

需要说明的是，户用电能路由器根据需要能够工作在交流输入离网(本地直流孤岛)模式或交流输入并网模式。

交流输入并网又区分为稳定并网点电压，或稳定并网点功率两种不同模式，分别对应入口的电压控制或电流控制模式。前者应用于主电失电(前一级市电或上一级电能路由器不工作)情况下由多个户用电能路由器来稳定公共连接点电压，后者应用于主电能够支撑电压，户用电能路由器工作在功率调控模式。

优选地，三相电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式以及交流输入并网模式。

优选地，配电网10kv电力电子变压器的工作模式包括交流输入离网模式、交流输入并网模式以及交流输出封锁模式。

需要说明的是，配电网10kv电力电子变压器除了可以工作在交流输入离网(本地直流孤岛)模式和交流输入并网模式两种模式外，还可以工作在交流输出封锁模式，实现与380v公共连接点的断开或重连接。

优选地，主网与配电网10kv电能路由器的第一控制器之间通过通信链路通信连接；

配电网10kv电能路由器的第一控制器与三相380v电能路由器的第二控制器之间通过通信链路通信连接；

三相380v电能路由器的第二控制器与单相220v电能路由器的第三控制器之间通过通信链路通信连接。

需要说明的是，每一级电能路由器的控制器与上一级电能路由器的控制器通信交互，分层代理式通信方式降低了对主控制单元的计算和通信负担。

本申请提供的一种近用户侧的多电能路由器组网架构相比传统微网的优点还体现在孤岛转并网的电压、频率重新同步上，如图5所示。对于传统的微电网，多个分布式电源连接到公共连接点上，图5(1)中对应市电异常后由分布式电源稳定公共连接点的情况，假设分布式电源1为此时的主电源实现电压的稳定，静态开关断开了与主电网的连接。当配电网市电恢复后，由于其交流电压幅值和相位与公共连接点处的电压频率存在偏差，此时不能直接合上静态开关，否则电压或相位差造成的瞬时大电流可能引起线路的保护装置动作。通常需要上层控制器将静态开关前的电压幅值和相位信息发送给分布式电源1，由其调节孤岛公共连接点的电压和频率与电网一致后才能合上静态开关。这需要上层控制器采样静态开关前后的电压并与分布式电源通过通信交互。在以电能路由器的网络架构中，如图5(2)所示，由于电力电子变压器的dc/ac变换器能够主动封锁，不需要配置与公共连接点之间的静态开关，另外当10kv恢复后，电力电子变压器可以直接以逆变器输出连接的公共连接点电压幅值和频率信息锁相并网，不再需要通信方式与下一级交互来调节公共连接点电压。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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申请各实施例技术方案的精神和范围。