一种基于直流微电网的多端口电能路由器的制作方法

1.本发明涉及直流微电网技术领域，具体地说是一种基于直流微电网的多端口电能路由器。


背景技术：

2.随着分布式能源的发展，为了满足对“源-网-荷-储”的综合利用同时使电力系统更加经济灵活，“电能路由器”的概念应运而生。电能路由器(energy router，简称er)是一种集功率单元、通信单元、控制单元于一体的电力电子装置，其基本功能包括：为新能源发电和分布式储能装置提供即插即用的交、直流接口；实现电压变换、电气隔离、能量流向可控、提升电能质量；根据故障情况或系统需要，自主地与主网分离和并网，提高电网的自愈性；能够快速实施能量路由，保证各线路电能需求的快速匹配；实时同步共享信息，实现信息流控制能量流，能量流约束信息流。
3.当前配电网结构存在脆弱性、低自治性、低自由度等缺点，不足以支撑当下可再生能源的快速发展。分布式发电具有高不确定性、高不可控性、分布广、位置远、设备可靠性低等特点，随着未来分布式发电设备的增多，上级电网对分布式发电的管控难度将大大增加，而且分布式发电系统、储能系统以及交流负荷等接入配电网都需要不同类型的功率变换装置，这也使得设备种类繁多，后续维护困难，也可能导致电能质量下滑。
4.基于以上原因，本发明设计了一种基于直流微电网的多端口电能路由器，可以解决上述背景技术中的问题，其可以完成能量监管、调度和分配，满足大多数设备的并网需求，同时实现分布式发电的就近消纳。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于直流微电网的多端口电能路由器，解决上述背景技术中的问题，其可以完成能量监管、调度和分配，满足大多数设备的并网需求，同时实现分布式发电的就近消纳。
6.为了达到上述目的，本发明提供一种基于直流微电网的多端口电能路由器，包括功率变换单元、通信单元、中心控制单元、功率分配单元和内部控制单元，电能路由器分别与直流高压母线、直流低压母线和交流电网相连接，电能路由器通过直流母线与分布式电源、直流配电网和负载相连接。
7.功率变换单元由多个多电平电力电子变换器单元组成，满足直流电压等级变换、即插即用、电气隔离功能，变换器为双向全桥变换器，变换器可与直流母线串联或并联实现多端口的扩展。
8.电气隔离功能通过多端口电能路由器实现了对直流微电网中不同电压等级单元之间的隔离，减少系统短路的可能性，同时避免了耦合到其他电压等级的位置产生的短路电流。
9.多电平电力电子变换器单元基于直流微电网中存在不同的电压等级，多端口电能
路由器要支持不同电压等级之间的变换，对于用户侧，既可以输出直流380v用于供暖系统和空气循环系统，又可以输出48v用于小型的家用电器，同时接受来自不同的分布式发电单元产生的电能。
10.通信单元与内部设备和外部设备通信，实现电力路由器的功率分配、电能路由、信息交互、即插即用的功能，内部设备的通信采用can总线搭配rs485协议的方式实现传输端口设备信息、功率变换器信息和能源管理信息，外部设备的通信采用iec61850标准(电力系统自动化全球通用标准)。
11.即插即用为电能路由器对所有种类的电力设备提供接口，根据接入的设备提供不同的电压等级和控制策略，即当一个设备接入到电能路由器，接入的电能路由器端口识别该设备的信息并进行合适的能量转换和控制策略。
12.能量转换为通过多端口电能路由器实现了根据数据信息对系统电能流向进行快速的调节，并且针对不同端口下的不同种类的能源进行变换和配置，通过对每个端口的协调控制，多端口电能路由器能够实现直流微电网内部能量的平衡。
13.中心控制单元通过基于虚拟同步发电机的直流微电网电能路由器通过通信单元和从功率变换单元返回的信息，找到能源路径和协调控制策略。
14.功率分配单元通过中心控制单元的调度，完成多端口电能路由器的内部端口之间的能量模型实现功率平衡。
15.内部控制单元与现有的保护装置结合，共同构成包括电力路由器在内的保护系统，内部控制单元主要由故障限流模块组成，故障限流模块用于减少直流故障电流的幅值。
16.同现有技术相比，本发明通过以电能路由器为中心，分别与直流高压母线、直流低压母线和交流电网相连接，通过直流母线与分布式电源、直流配电网和负载相连接。以电力为依托，通过综合利用多种新能源和储能装置，将电网、天然气网、冷暖系统等多种能源系统有机整合，实现了多种能源的协调互补和梯级利用。
17.将本发明提出的电能路由器应用于数据中心所有的dc/dc变换中，减少了原有交流输配电供电系统中大量的功率变换环节，减少设备部署和投资，保证数据中心安全稳定运行。
附图说明
18.图1为本发明基于直流微电网的多端口电能路由器基本功能和结构图。
19.图2为本发明能源互联网结构图。
20.图3为本发明数据中心结构图。
具体实施方式
21.现结合附图对本发明做进一步描述。
22.参见图1～3，本发明提供了一种基于直流微电网的多端口电能路由器，包括功率变换单元、通信单元、中心控制单元、功率分配单元和内部控制单元，电能路由器分别与直流高压母线、直流低压母线和交流电网相连接，电能路由器通过直流母线与分布式电源、直流配电网和负载相连接。
23.功率变换单元由多个多电平电力电子变换器单元组成，满足直流电压等级变换、
即插即用、电气隔离功能，变换器为双向全桥变换器，变换器可与直流母线串联或并联实现多端口的扩展。
24.电气隔离功能通过多端口电能路由器实现了对直流微电网中不同电压等级单元之间的隔离，减少系统短路的可能性，同时避免了耦合到其他电压等级的位置产生的短路电流。
25.多电平电力电子变换器单元基于直流微电网中存在不同的电压等级，多端口电能路由器要支持不同电压等级之间的变换，对于用户侧，既可以输出直流380v用于供暖系统和空气循环系统，又可以输出48v用于小型的家用电器，同时接受来自不同的分布式发电单元产生的电能。
26.通信单元与内部设备和外部设备通信，实现电力路由器的功率分配、电能路由、信息交互、即插即用的功能，内部设备的通信采用can总线搭配rs485协议的方式实现传输端口设备信息、功率变换器信息和能源管理信息，外部设备的通信采用iec61850标准(电力系统自动化全球通用标准)。
27.即插即用为电能路由器对所有种类的电力设备提供接口，根据接入的设备提供不同的电压等级和控制策略，即当一个设备接入到电能路由器，接入的电能路由器端口识别该设备的信息并进行合适的能量转换和控制策略。
28.能量转换为通过多端口电能路由器实现了根据数据信息对系统电能流向进行快速的调节，并且针对不同端口下的不同种类的能源进行变换和配置，通过对每个端口的协调控制，多端口电能路由器能够实现直流微电网内部能量的平衡。
29.中心控制单元通过基于虚拟同步发电机的直流微电网电能路由器通过通信单元和从功率变换单元返回的信息，找到能源路径和协调控制策略。
30.功率分配单元通过中心控制单元的调度，完成多端口电能路由器的内部端口之间的能量模型实现功率平衡。
31.内部控制单元与现有的保护装置结合，共同构成包括电力路由器在内的保护系统，内部控制单元主要由故障限流模块组成，故障限流模块用于减少直流故障电流的幅值。
32.实施例
33.基于直流微电网的多端口电能路由器主要由五个单元组成，如图1所示，分别为：功率变换单元、通信单元、中心控制单元、功率分配单元、内部控制单元。
34.功率变换单元由多个多电平电力电子变换器单元组成，具备如直流电压等级变换、即插即用、电气隔离等功能。与传统单端口隔离型dc/dc变换器相比，双向反激变换器具备拓扑结构简单、花费低、适合小功率设备等优点，但是其因功率管共振现象容易产生故障。相比于双向反激变换器，双向推挽变换器更适合较高功率的使用场合，但是其功率管要承受更大的电压和电流，而且不适合用于恶劣的电压环境下。双向全桥变换器具备控制灵活、较高的兼容性、较低的电压电流应力和较高的抗干扰能力等优点。因此，本发明选用双向全桥变换器作为电力路由器的dc/dc变换器，其余变换器则与直流母线串并联以实现多端口的扩展。
35.通信单元需满足与内部和外部设备的通信以实现电力路由器的功率分配、电能路由、信息交互、即插即用等功能要求。为了满足基于直流微电网的多端口电能路由器的需求，本发明采用can总线搭配rs485协议的方式来实现内部通信，用以传输端口设备信息、功
率变换器信息、能源管理信息。电能路由器外部通信采用iec61850标准，设备之间的通信要兼容电力系统中不同设备之间的通信协议，以实现直流微电网内参数信息、一次能源参数信息和其他信息的传递。
36.中心控制单元主要根据通信单元和从功率变换单元返回的信息，找到最优的能源路径和协调控制策略，以实现电力路由器和直流微电网之间的总体能量平衡。本发明才用了基于虚拟同步发电机的直流微电网电能路由器协调控制策略。
37.通过提高直流微电网的惯性来抑制直流母线电压的波动，增强了其抗干扰能力，从而可以保证直流微电网的电能质量和总体能量平衡。中心控制单元还提供了人机交互窗口来实现需求侧的管理功能，用户可以根据需要自动或者手动控制设备运行。
38.功率分配单元主要是在中心控制单元的调度，完成多端口电能路由器的内部端口之间的功率平衡。本发明建立了电能路由器端口的能量模型，并且根据功率单元信息计算电力路由器运行过程中各端口能量与内部无源设备之间的能量转换关系，完成端口之间的功率分配，以实现功率平衡。内部控制单元主要与现有的保护装置结合，一同构成包括电力路由器在内的保护系统。为了满足低压直流微电网的需求，内部控制单元主要由故障限流模块组成，该模块用于减少直流故障电流的幅值，降低直流断路器的灭火压力，为保护系统争取更长的时间。
39.基于直流微电网的多端口电能路由器在能源互联网上的应用如图2所示。由本发明提出的电能路由器为中心，分别与直流高压母线、直流低压母线和交流电网相连接，通过直流母线与分布式电源、直流配电网和负载相连接。采用本发明提出的电能路由器的能源互联网以电力为依托，通过综合利用多种新能源和储能装置，将电网、天然气网、冷暖系统等多种能源系统有机整合，实现多种能源的协调互补和梯级利用。在能源互联网中，每个电力用户不仅是电能的消费者，也是电能的供应者。因此，电能路由器作为直流微电网中的核心设备用于通信和各分布式能源的连接，可以满足能源互联网供电的多样性、能源的双向流动乃至多向流动，以及电力的调节，促进能源互联网的建设。
40.大型数据中心的变配电系统前端基本采用交流输配电，所以要在电源设备终端配置交流/直流设备，实现主网(包括备用ups)向直流240v、24v或12v转换，供数据中心的核心设备使用，这种方式无疑增加了投资成本和输电损耗，多种交直流变换器的引入也会给大型数据中心的供配电系统运行、维护等方面带来不便。本发明提出的电能路由器在大规模数据中心的应用如图3所示。
41.以上仅是本发明的优选实施方式，只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
42.本发明从整体上解决了现有技术中因分布式发电具有高不确定性、高不可控性、分布广、位置远、设备可靠性低等特点，上级电网对分布式发电的管控难度将大大增加，且分布式发电系统、储能系统以及交流负荷等接入配电网都需要不同类型的功率变换装置，这也使得设备种类繁多，后续维护困难，从而导致电能质量下滑的诸多问题，通过设计一种基于直流微电网的多端口电能路由器，提高了直流微电网下的电能的质量和能量利用率，保证了电力系统的稳定性。