一种配电网末端电能路由器及其控制方法与流程

本发明涉及电源系统技术领域，具体涉及一种用于配电网末端电能路由器及其控制方法。

背景技术：

近年来，为解决能源危机、减少环境污染，大力发展分布式可再生能源。宏观上，提出了“新基建”政策，重点强调农村电网改造和新能源汽车充电桩建设项目。微观上，我国农村地区家用电器设备数量不断增加但农村配电网薄弱导致配电网系统出现线路末端电压偏低、功率因数过低、三相不平衡和谐波含量大等问题。因此，从充分发挥农村地区地广人稀的地理优势角度出发，大力推进可再生能源并入农村电网可有效改善农村配电网环境。然而，目前针对不同的可再生能源利用需进行多次电能变换，装置结构复杂、利用率较低且功能单一，为解决此问题提出了一种新兴装备——电能路由器。该装备内部可自动实现多种电能形式的变换，对外可提供不同形式的电能接口，不但降低装置的复杂度还提高了装置的利用率。通过研究该装置可提高新能源利用率、降低农村用电成本、提高设备利用率和减少充电桩重复建设投资成本，并解决目前农村配电网存在的电能质量问题，此外也可有效解决大规模分布式可再生能源消纳和电力交易市场化难以推进的问题，对促进我国电力市场化改革和新能源发电技术发展具有重要的理论和现实意义。

目前，国内外研究的电能路由器都是由多个dab结构的子模块构成，包含高频变压器，系统体积大、质量重、效率低且无法实现电能的多向流动。已有电能路由器拓扑结构和控制方法无法在利用新能源发出有功的同时即可为新能源汽车提供充电接口又可解决农村配电网中存在的线路末端电压偏低、功率因数过低、三相不平衡和谐波含量大等电能质量问题，即实现电能路由功能，使得装置的推广难度大、建设投资成本高且后期维护困难；同时，已有电能路由器采用共交流母线结构居多，需进行多次电能变换，导致系统效率降低且控制更为复杂。

技术实现要素：

本发明提供一种具有电能路由功能的电源系统及其控制方法，并能够实现电能质量治理功能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种配电网末端电能路由器系统，包括：

双向变流器模块，其包括一个三相四线制电容分裂式电压型逆变器和一台三相隔离变压器，用于提供配电网和交流负载接口，实现交直流电能变换以及对配电网进行电能质量治理的功能，包括补偿无功、谐波、负序和零序电流；

光伏模块，其包括一个boost电路，用于提供光伏电池接口，最大限度利用光伏电池发出的电能；

储能模块，其包括一个双向dc/dc变流器，用于提供储能电池接口，实现削峰填谷的功能；

充电桩模块，其包括一个双向dc/dc变流器，用于提供新能源汽车充电接口，实现给新能源汽车充电的功能。

进一步地，所述双向变流器模块的交流侧一端通过交流断路器q1与配电网相连，另一端通过交流断路器q2与交流负载相连，直流侧直接与光伏模块、储能模块和充电桩模块的高压侧相连。

进一步地，所述光伏模块低压侧通过直流断路器q3与光伏电池相连。

进一步地，所述储能模块低压侧通过直流断路器q4与储能电池相连。

进一步地，所述充电桩模块低压侧通过直流断路器q5与电动汽车蓄电池相连。

进一步地，还包括能量管理与协调控制系统、双向变流器模块控制系统、光伏模块控制系统、储能模块控制系统和充电桩模块控制系统，该能量管理及协调控制系统用于四个模块间的功率平衡控制，所述双向变流器模块控制系统用于直流母线电压控制和补偿无功、谐波、负序和零序电流控制，所述光伏模块控制系统用于光伏电池的输出功率控制，所述储能模块控制系统用于储能电池的充放电功率控制，所述充电桩模块控制系统用于新能源汽车的充电功率或充电电压控制。

优选地，所述能量管理及协调控制系统对交流断路器q1的通断进行控制，用于电能路由器的离并网管理，对交流断路器q2的通断进行控制，用于电能路由器交流侧的带载管理，对直流断路器q3的通断进行控制，用于光伏电池的接入管理，对直流断路器q4的通断进行控制，用于储能电池的充放电管理，对直流断路器q5的通断进行控制，用于新能源汽车的充电管理。

优选地，所述双向变流器模块控制系统对功率开关v1、v2、v3、v4、v5、v6的通断进行控制，用于对电能路由器直流母线电压进行稳定控制，对无功、谐波、负序和零序电流进行精确跟踪控制。

优选地，所述光伏模块控制系统对boost电路中的功率开关vp1的通断进行控制，用于对boost电路模块的输出功率进行跟踪控制。

优选地，所述储能模块控制系统对双向dc/dc电路中的功率开关ves1和ves2的通断分别进行控制，用于对储能模块的输入和输出功率分别进行稳定控制。

优选地，所述充电桩模块控制系统对双向dc/dc电路中的功率开关vec1的通断进行控制，用于对新能源汽车的输入功率或端口电压进行稳定控制。

一种配电网末端电能路由器系统的控制方法，包括：

以光伏模块发出功率ppv与充电桩模块吸收功率pec之差pδ作为储能模块和双向变流器模块运行模式的判定根据，当功率差pδ大于等于1.07倍双向变流器容量sinv且储能电池soc小于等于80%时，双向变流器模块工作在逆变模式且储能模块开始恒功率充电，当功率差pδ在0.93～1.07倍双向变流器容量sinv之间时，双向变流器模块工作在逆变模式但直流断路器q4断开，当功率差pδ小于等于0.93倍双向变流器容量sinv且储能电池soc大于等于20%时，储能模块开始恒功率放电，在此期间，双向变流器模块工作在逆变模式，若双向变流器模块处于轻载状态，还可工作在有源滤波模式，当功率差pδ小于等于0.93倍双向变流器容量sinv但储能电池soc小于20%时，双向变流器模块工作在逆变与有源滤波并存或整流与有源滤波并存的模式，另外，当新能源汽车蓄电池soc小于等于80%时，充电桩模块恒功率充电，当新能源汽车蓄电池soc大于80%小于100%时，充电桩模块恒压充电，当新能源汽车蓄电池soc等于100%时，直流断路器q5断开。

通过电压外环、电流内环的双闭环控制方法控制双向变流器模块直流侧电压和交流侧无功、谐波、负序和零序补偿电流；

通过mppt与电压外环、电流内环的双闭环控制方法相结合的控制策略控制光伏模块输出功率跟踪光伏电池发出的最大功率值；

通过单个功率环的控制方法控制储能模块的充放电功率；

通过单个功率环或单个电压环的控制方法控制充电桩模块的充电功率或充电电压。

进一步地，通过电压外环、电流内环的双闭环控制方法控制双向变流器直流侧电压和交流侧无功、谐波、负序和零序补偿电流，具体为：

将实时检测到的直流电压udc与给定的电压参考值udcref比较，然后经过pi控制器，再与直流侧前馈电流iinvdc相加并乘上1/3经过低通滤波器后得到电流内环控制器的有功参考电流有效值ilfref，有功参考电流有效值ilfref分别乘以sinωt、sin(ωt-2π/3)和sin(ωt+2π/3)得到电流内环有功参考电流瞬时值，再与无功、谐波、负序和零序补偿参考电流瞬时值相加得到电流内环参考电流瞬时值，电流内环控制器a、b和c的输出经pwm调制器产生功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6的驱动信号。

进一步地，通过mppt与电压外环、电流内环的双闭环控制方法相结合的控制策略控制光伏模块输出功率跟踪光伏电池发出的最大功率值，具体为：

将实时检测到的光伏电池两端电压upv和输出电流ipv经过mppt算法得到光伏电池两端电压参考值upvref，再与光伏电池两端电压实时检测值upv比较后经过比例控制器得到电流内环电感电流参考值ilpref,与电感电流实时检测值ilp比较后经过比例控制器和pwm调制器产生功率开关器件vp1的驱动信号。

进一步地，通过单个功率环的控制方法控制储能模块的充放电功率，具体为：

当储能模块工作在充电模式时，将功率参考值pesref转化为储能模块电感电流参考值ilesref，再与实时检测到的电感电流值iles比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件ves1的驱动信号；

当储能模块工作在放电模式时，将功率参考值pesref转化为储能模块电感电流参考值ilesref，再与实时检测到的电感电流值iles比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件ves1的驱动信号。

进一步地，通过通过单个功率环或单个电压环的控制方法控制充电桩模块的充电功率或充电电压，具体为：

当充电桩模块工作在恒功率充电模式时，将功率参考值pecref转化为充电桩模块电感电流参考值ilecref，再与实时检测到的电感电流值ilec比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件vec1的驱动信号；

当充电桩模块工作在恒压充电模式时，将充电桩模块输出端口电容电压参考值uecref与实时检测到的电容电压值uec比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件vec1的驱动信号。

由以上技术方案可知，本发明可实现多种形式电能变换，结构上，与现有电能理由器相比不需要高频隔离变压器，系统体积更小、质量更轻、效率更高、结构更简单；功能上，在太阳光充足的时候，可将多于的能量通过储能电池存储，在太阳光不足的时候，可将储能电池中的能量释放出来，起到削峰填谷的作用，使系统能够更加平稳的朝配电网输送有功功率；同时，在双向变流器模块有剩余容量时，可进行电能质量治理，补偿配电网网侧无功、谐波、负序和零序电流；另外，还可为新能源汽车提供充电接口，能有效降低充电桩投资建设成本。

附图说明

图1为本发明配电网末端电能路由器的拓扑结构原理图。

图2为双向变流器模块控制系统的原理图。

图3为光伏模块控制系统的原理图。

图4为储能模块恒功率充电模式控制系统的原理图。

图5为储能模块恒功率放电模式控制系统的原理图。

图6为充电桩模块恒功率充电模式控制系统的原理图。

图7为充电桩模块恒压充电模式控制系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，配电网末端电能路由器的拓扑结构包括双向变流器模块1、光伏模块2、储能模块3和充电桩模块4四部分。

所述双向变流器模块1包括一个三相四线制电容分裂式电压型逆变器和一台三相隔离变压器，直流母线电压udc经过三相四线制电容分裂式电压型逆变器得到uga、ugb、ugc，再经过三相隔离变压器得到配电网三相交流电uga、ugb、ugc。

所述光伏模块2包括一个boost电路模块，boost电路是一种常见的升压式变换电路，通过控制功率开关vp1的导通和关断来实现充放电，本实例中boost电路模块采用boost斩波器，其低压侧接光伏电池。

所述储能模块3包括一个双向dc/dc变流器，双向dc/dc变流器是一种常见的双向dc/dc变换电路，通过控制功率开关ves1、ves2的导通和关断来实现充放电，本实例中双向dc/dc变流器采用非隔离型的半桥双向dc/dc变换器，其低压侧接储能电池。

所述充电桩模块3包括一个双向dc/dc变流器，通过控制功率开关vec1、vec2的导通和关断来实现充放电，本实例中双向dc/dc变流器采用非隔离型的半桥双向dc/dc变换器，其低压侧接新能源汽车。

本发明还包括能量管理与协调控制系统、双向变流器模块控制系统、光伏模块控制系统、储能模块控制系统和充电桩模块控制系统，该能量管理及协调控制系统用于四个模块间的功率平衡控制，所述双向变流器模块控制系统用于直流母线电压控制和补偿无功、谐波、负序和零序电流控制，所述光伏模块控制系统用于光伏电池的输出功率控制，所述储能模块控制系统用于储能电池的充放电功率控制，所述充电桩模块控制系统用于新能源汽车的充电功率或充电电压控制。

其中，所述能量管理及协调控制系统对交流断路器q1的通断进行控制，用于电能路由器的离并网管理，对交流断路器q2的通断进行控制，用于电能路由器交流侧的带载管理，对直流断路器q3的通断进行控制，用于光伏电池的接入管理，对直流断路器q4的通断进行控制，用于储能电池的充放电管理，对直流断路器q5的通断进行控制，用于新能源汽车的充电管理。

其中，所述双向变流器模块控制系统对功率开关v1、v2、v3、v4、v5、v6的通断进行控制，用于对电能路由器直流母线电压进行稳定控制，对无功、谐波、负序和零序电流进行精确跟踪控制。

其中，所述光伏模块控制系统对boost电路中的功率开关vp1的通断进行控制，用于对boost电路模块的输出功率进行跟踪控制。

其中，所述储能模块控制系统对双向dc/dc电路中的功率开关ves1和ves2的通断分别进行控制，用于对储能模块的输入和输出功率分别进行稳定控制。

其中，所述充电桩模块控制系统对双向dc/dc电路中的功率开关vec1的通断进行控制，用于对新能源汽车的输入功率或端口电压进行稳定控制。

本发明还提供一种配电网末端电能路由器系统的控制方法，包括：

以光伏模块发出功率ppv与充电桩模块吸收功率pec之差pδ作为储能模块和双向变流器模块运行模式的判定根据，当功率差pδ大于等于1.07倍双向变流器容量sinv且储能电池soc小于等于80%时，双向变流器模块工作在逆变模式且储能模块开始恒功率充电，当功率差pδ在0.93～1.07倍双向变流器容量sinv之间时，双向变流器模块工作在逆变模式但直流断路器q4断开，当功率差pδ小于等于0.93倍双向变流器容量sinv且储能电池soc大于等于20%时，储能模块开始恒功率放电，在此期间，双向变流器模块工作在逆变模式，若双向变流器模块处于轻载状态，还可工作在有源滤波模式，当功率差pδ小于等于0.93倍双向变流器容量sinv但储能电池soc小于20%时，双向变流器模块工作在逆变与有源滤波并存或整流与有源滤波并存的模式，另外，当新能源汽车蓄电池soc小于等于80%时，充电桩模块恒功率充电，当新能源汽车蓄电池soc大于80%小于100%时，充电桩模块恒压充电，当新能源汽车蓄电池soc等于100%时，直流断路器q5断开。

通过电压外环、电流内环的双闭环控制方法控制双向变流器模块直流侧电压和交流侧无功、谐波、负序和零序补偿电流；

通过mppt与电压外环、电流内环的双闭环控制方法相结合的控制策略控制光伏模块输出功率跟踪光伏电池发出的最大功率值；

通过单个功率环的控制方法控制储能模块的充放电功率；

通过单个功率环或单个电压环的控制方法控制充电桩模块的充电功率或充电电压。

如图2所示，通过电压外环、电流内环的双闭环控制方法控制双向变流器直流侧电压和交流侧无功、谐波、负序和零序补偿电流，具体为：

将实时检测到的直流母线电压udc与给定的电压参考值udcref比较，然后经过pi控制器，再与直流母线前馈电流iinvdc相加并乘上1/3经过低通滤波器后得到电流内环控制器的有功参考电流有效值ilfref，有功参考电流有效值ilfref分别乘以sinωt、sin(ωt-2π/3)和sin(ωt+2π/3)得到电流内环有功参考电流瞬时值，再与无功、谐波、负序和零序补偿参考电流瞬时值相加得到电流内环参考电流瞬时值，电流内环控制器a、b和c的输出经pwm调制器产生功率开关器件v1、v2、v3、v4、v5、v6的驱动信号。

如图3所示，通过mppt与电压外环、电流内环的双闭环控制方法相结合的控制策略控制光伏模块输出功率跟踪光伏电池发出的最大功率值，具体为：

将实时检测到的光伏电池两端电压upv和输出电流ipv经过mppt算法得到光伏电池两端电压参考值upvref，再与光伏电池两端电压实时检测值upv比较后经过比例控制器得到电流内环电感电流参考值ilpref,与电感电流实时检测值ilp比较后经过比例控制器和pwm调制器产生功率开关器件vp1的驱动信号。

如图4和图5所示，通过单个功率环的控制方法控制储能模块的充放电功率，具体为：

当储能模块工作在充电模式时，将功率参考值pesref转化为储能模块电感电流参考值ilesref，再与实时检测到的电感电流值iles比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件ves1的驱动信号；

当储能模块工作在放电模式时，将功率参考值pesref转化为储能模块电感电流参考值ilesref，再与实时检测到的电感电流值iles比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件ves2的驱动信号。

如图6和图7所示，通过单个功率环或单个电压环的控制方法控制充电桩模块的充电功率或充电电压，具体为：

当充电桩模块工作在恒功率充电模式时，将功率参考值pecref转化为充电桩模块电感电流参考值ilecref，再与实时检测到的电感电流值ilec比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件vec1的驱动信号；

当充电桩模块工作在恒压充电模式时，将充电桩模块输出端口电容电压参考值uecref与实时检测到的电容电压值uec比较，然后经过pi控制器，最后将pi控制器输出的控制信号经pwm调制器产生功率开关器件vec1的驱动信号。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。