基于能源路由器的配电网系统及方法与流程

本发明属于配电网，具体涉及基于能源路由器的配电网系统及方法。

背景技术：

1、近年来，全球对能源短缺和环境问题的日益关注，促使世界各国积极研究以可再生能源资源和智能能源管理为特点的下一代电力系统-智能电网，智能电网将纳入大量的可再生能源资源，从根本上改变能源管理范式，为了对电网中的能源供需进行有效管理，需要能源路由器对电网中的能源分布进行动态调节，即能源互联网，近年来，用户侧的交流电、直流电、热、冷等负荷需求日益增多，风、光等分布式电源迅速发展，作为可汇集和管理电、热、冷、气等能源的装置，能源路由器日益受到关注，由于电能具有高效、方便转化和使用的特点，以电为核心实现多能综合利用已成为广泛共识，将能源路由器大量接入配电网，可将配电网与各种可再生能源、各类负荷需求紧密结合，实现能源的耦合、互济、互补，因此，研究能源路由器群组与配电网的综合规划方法具有重要意义；因此，提供一种能量传输稳定、满足供电电能质量需求、保证配电网安全稳定运行的基于能源路由器的配电网系统及方法是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种能量传输稳定、满足供电电能质量需求、保证配电网安全稳定运行的基于能源路由器的配电网系统及方法。

2、本发明的目的是这样实现的：基于能源路由器的配电网系统，它包括能源路由器系统、基于能源路由器直流配电网系统和基于能源路由器群组配电网系统，所述的能源路由器系统包括通讯板、sst控制器和固态变压器；所述的通讯板包括zigbee、以太网和无线局域网；所述的sst控制器包括dgi、微电网控制和sst控制，所述的sst控制包括电源通信接口和电能质量管理；所述的固态变压器包括高压传感器模数转换器、并网交流端口、光伏阵列直流有源端口、电池/phev直流有源端口、风力涡轮机交流有源端口、ac/dc、dc/dc、dc/ac、辅助电源、可控负载交流有源端口、传统负载交流有源端口、低压传感器模数转换器和可控负载直流有源端口。

3、所述的通讯板通过uart串行链路与sst控制器连接，所述的sst控制器分别通过控制信号、消息总线与固态变压器连接；

4、所述的dgi、微电网控制和sst控制之间通过消息总线连接，所述的电源通信接口通过消息总线分别与高压传感器模数转换器、并网交流端口、光伏阵列直流有源端口、电池/phev直流有源端口、风力涡轮机交流有源端口、可控负载交流有源端口、传统负载交流有源端口、低压传感器模数转换器和可控负载直流有源端口连接，所述的电能质量管理通过控制信号与固态变压器连接，所述的高压传感器模数转换器与并网交流端口之间以及传统负载交流有源端口与低压传感器模数转换器之间均通过uart串行链路连接，所述的并网交流端口、ac/dc、dc/dc、dc/ac、辅助电源之间通过电源总线连接。

5、所述的基于能源路由器直流配电网系统包括能源路由器单元、至少一个信息收集单元、至少一个能量信息转换单元、至少一个交流母线单元、至少一个ac/dc模块单元、至少一个交流负荷单元、至少一个光伏发电装置单元、至少一个储能装置单元、至少一个风力发电装置单元、至少一个电动汽车充电装置单元；其中能源路由器单元的信息流信号和控制信息流信号基于z-wave无线通信技术进行传输；所述的ac/dc模块单元包括一组双buck型换流器和一个工频逆变桥。

6、所述的能源路由器单元与交流电网、信息收集1装置、信息收集2装置、信息收集3装置、信息收集4装置、信息收集4单元、能量信息转换1单元、能量信息转换2单元、能量信息转换3单元、能量信息转换4单元连接；

7、所述的ac/dc模块1单元与交流母线单元、光伏发电装置单元连接；所述的ac/dc模块2单元与交流母线单元、储能装置单元连接；所述的ac/dc模块3单元与交流母线单元、风力发电装置单元连接；所述的ac/dc模块4单元与交流母线单元、电动汽车充电装置单元连接；

8、所述的光伏发电装置单元与ac/dc模块1单元、信息收集1装置连接；所述的储能装置单元与ac/dc模块2单元、信息收集2装置连接；所述的风力发电装置单元与ac/dc模块3单元、信息收集3装置连接；所述的电动汽车充电装置单元与ac/dc模块4单元、信息收集4装置连接；

9、所述的信息收集1装置与光伏发电装置单元、能量信息转换1单元连接；所述的信息收集2装置与储能装置单元、能量信息转换2单元连接；所述的信息收集3装置与风力发电装置中元、能量信息转换3单元连接；所述的信息收集4装置与电动汽车充电装置单元、能量信息转换4单元连接。

10、所述的基于能源路由器群组配电网系统能源路由器模块，所述的能源路由器模块包括能源路由器1、能源路由器2、能源路由器3、能源路由器4、能源路由器5、能源路由器6，所述的能源路由器1、能源路由器2、能源路由器3、能源路由器4、能源路由器5、能源路由器6之间通过由110kv变电站降压后的10kv电力线路连接；

11、所述的能源路由器包括至少一个电能交换器、至少一个储电单元、至少一个光伏单元、至少一个风机单元、至少一个微型储电单元、至少一个微型光伏单元、至少一个燃气轮机单元、至少一个燃气锅炉单元、至少一个电制冷机单元、至少一个电锅炉单元、至少一个储热单元、至少一个储冷单元；

12、所述的电能交换器与中压交流配电网、中压直流负荷、低压直流负荷、低压交流负荷连接，所述的中压直流负荷分别与储电单元、光伏单元、风机单元连接；所述的低压直流负荷分别与微型储电单元、微型光伏单元连接；所述的低压交流负荷分别与燃气轮机单元、电锅炉单元、电制冷机单元连接，所述的电制冷机单元、储冷单元与冷负荷连接；所述的燃气轮机单元、燃气锅炉单元分别与天然气管道、热负荷连接，所述的热负荷与储热单元。

13、基于能源路由器的配电网方法，所述的方法包括以下步骤：

14、步骤1：构建能源路由器规划模型；

15、步骤2：采用能源路由器交直流控制方法；

16、步骤3：构建配电网规划模型；

17、步骤4：构建能源路由器群组与配电网的综合规划。

18、所述的步骤1中的构建能源路由器规划模型具体为：将一年分为夏、冬、春秋3个典型供能季，以规划目标水平年各用户的交流电、直流电、热、冷等负荷预测曲线为基准，利用voronoi图原理、迭代重心法、类内类间距离比最小准则选择能源路由器的座数并划分其供能区域，从而获取能源路由器供能区域内典型日各时刻的负荷需求量与分布式电源出力曲线，通过优化能源路由器中各设备各时刻的出力功率，实现规划年总费用最低的目标，同时规划出每座能源路由器的设备配置及安装容量；具体包括以下步骤：

19、步骤1.1：目标函数：综合考虑经济性与环保性，能源路由器内部设备安装容量配置的目标函数为规划年总费用最低：min(f)＝finvest+fgas+foam+fpower+ftax(1)，式中，f为规划年总费用；finvest为设备投资费用；fgas为天然气使用费用；foam为设备运行维护费用；fpower为能源路由器向配电网购电费用；ftax为碳税费用；

20、步骤1.2：约束条件：1)能量平衡约束：能源路由器中需保证交流电、直流电、热、冷四种能量分别供-用平衡，其平衡表达式分别为：式中：hl,t,j、cl,t,j分别为t时刻第j座能源路由器的交流电、直流电、热、冷负荷；hout,t,j,m分别为t时刻第j座能源路由器第m个供能设备的输出功率；hgive,t,j,n、cgive,t,j,n分别为t时刻第j座能源路由器第n个能量转换设备的输出功率；huse,t,j,n、cuse,t,j,n分别为t时刻第j座能源路由器第n个能量转换设备的输入功率；hdis,t,j、cdis,t,j分别为t时刻第j座能源路由器的储交流电、储直流电、储热、储冷功率；hch,t,j、cch,t,j分别为t时刻第j座能源路由器的放交流电、放直流电、放热、放冷功率；hline、cline分别为交流电、直流电、热、冷母线的线路损耗；为t时刻第j座能源路由器的购电功率；为t时刻第j座能源路由器的售电功率；分别为t时刻第j座能源路由器的交直流转换设备交流侧、直流侧功率；2)交直流转换设备出力功率约束：交直流转换设备具有交流侧、直流侧两个端口，在能量转换过程中存在能量损耗，其表达式为：式中，ploss,vsc为电压源换流器的运行损耗；为交流侧功率；为直流侧功率；3)购售电限值约束：能源路由器内部的购售电功率，即能源路由器与配电网之间的电能交互功率，向配电网购电或售电的过程中，必须考虑购售电限值的影响，其约束表达式为：0≤pl,t,j≤pl,max(7)，式中：pl,t,j为t时刻第j座能源路由器的购售电功率；pl,max为可购或可售的最大功率，其值大小为配电网代理下达的电能交互功率。

21、所述的步骤2中的采用能源路由器交直流控制方法具体包括以下步骤：

22、步骤2.1：直流侧电源mppt上行控制：采用先进行直流恻发电模型参数辨识后扰动观察的方法进行精确控制，目前常用光伏电池通用输出电流模型为：式中，u、i分别为光伏电池的输出端电压和输出端电流；iph为光生电流，其值正比于光伏电池入射光辐射强度；is为二极管反向饱和电流；rs、rp分别为等效串联阻抗和并联阻抗；t为光伏电池热力学温度；k、q分别为玻尔兹曼常数和电荷常量；a为二极管特性参数；在实际系统运行中iph、is、rs、rp、a描述光伏屯池外特性的参数容易受到环境光照强度、温度的影响，需根据实测太阳能电池的外特性曲线进行参数辨识，从而重构出光伏屯池模型以求得实时最大功率点参考值，光伏组件处于最大功率点处时有：i＝imref,u＝umref，可得到：从上式可以看出当最大功率点时有：上式可化简为：即有：

23、步骤2.2：交流测逆变电路控制：为了便于交直流母线动态调控，上行采用pq控制结构，下行采用vf控制结构，交流测接入交流母线端口电压uabc经过abc-dq0转换后可得到ud、uq从而得到由直流回路送入交流母线的功率：在设定已知功率的情况下可得到：电流环控制方程为：下行逆变电路总体结构上采用与上行逆变电路相似电路，在原有电流控制环的基础上增加了直流侧母线控制环，通过检测交流侧母线电压值及电流值进行动态控制，其原理同上行逆变电路，原理为：

24、步骤2.3：交流直流母线互动稳定控制：动态调控机制主要是基于能量供需平衡进行的拌制，通过能量分配优化算法进行各接口、各母线的功率分配设定，通过上行逆变器和下行逆娈器的动态控制以及直流母线电压的电压控制器的联动调控进行潮流调度，动态互动经济模型目标函数为：f(x)＝min(σwiud+σwjuac+σwkdd+σwzdac)(16)，式中：wiud表示直流侧上行功率成本即分布式电源发电成本；wjuac为交流侧上行传辅成本：wkdd为直流侧下行负载输出成本；wzdac为交流侧下行负载输成本；其中：模型满足系统最基本的电力约束条件为：1)功率平衡约束：直流侧：σtpi(t)-σtpdcl(t)-σtpuac(t)-σtquac(t)±σtpda(t)＝0(21)；交流侧：σtpuac(t)+σtquac(t)-σtplac(t)-σtpdac(t)-σtqdac(t)±σtpg(t)＝0(22)；2)电压约束平衡：直流侧母线电压：直流侧母线电压uac为所对应的第i个接口接入分布式电源的最大功率点电压；3)电流约束平衡：直流侧母线：σiudci-σiddlk±ib-σiupac+σidpac＝0(24)；交流测母线：σiuacj-σilac±σig-σidac＝0(25)；电池寿命约束：pb-min≤pb≤pb-max(26)；采用常用的pso方法、单纯型法可求得最终各个接口输入输出的最佳分配方案，通过控制交直流母线上各节点电压来改变能源路由器内部电路潮流走向和各节点输入输出电流大小。

25、所述的步骤3中的构建配电网规划模型具体为：能源路由器群组完成初步规划之后，可利用电能交互功率曲线，在满足供电半径约束、保证线路造价最低的基础上规划配电网网架；若规划的网架在个别时刻不能满足潮流约束，则配电网代理通过调整电能交互功率来控制配电网节点电压与支路功率，直到所有时刻配电网都能安全稳定运行，具体包括以下步骤：

26、步骤3.1：配电网网架结构规划：网架按单辐射网络结构进行规划，作为双辐射或单环网网络的一侧，另一侧对等规划即可，网架规划的目标为线路造价最低，即保证110kv变电站与其供能区域内的能源路由器能够连通，并使线路的总长度最短，其本质为最小生成树问题，可利用prim算法进行求解，在生成网架结构时，同一时刻每条线路所接的能源路由器总电能交互功率不能超过线路功率上限，每个能源路由器到变电站的线路长度不超过供电半径，即利用prim算法每接入一个能源路由器，都要判断线路功率是否越界、供电半径是否超出范围；若不满足约束，则抛弃该路径，在剩下的可行路径中继续使用最小生成树思想，生成新的路径，采用改进prim方法生成的网架结构，可以使配电网不会超负荷运行，也能节省线路的造价成本，线路的功率约束和供电半径约束表达式分别为：式中：pline,t,i为t时刻线路i流过的功率；pmax为线路的功率上限；rt,j为t时刻第j座能源路由器与变电站之间生成线路的长度；rmax为线路的供电半径；步骤1中规划能源路由器时，已得出各能源路由器代表不同供能季的3个典型日各时刻且每个典型日分为24个时刻，共72个时刻的电能交互功率，因此，改进prim算法共需生成72个网架，并从中选择重复率最高的网架结构作为最终的配电网规划方案；

27、步骤3.2：基于层间协调的电能交互功率调整：获得配电网网架后，需对每个时刻配电网各节点电压和支路功率进行潮流校验，若节点电压或支路功率越限，则调整相应能源路由器相应时刻的电能交互功率来保证网络安全稳定运行，具体包括以下步骤：

28、步骤3.21：越限电压控制策略：1)能源路由器端口电压约束：配电网代理需保证能源路由器端口电压不越限，能源路由器端口电压约束为：umin≤ut,j≤umax(28)，式中，umax、umin分别为能源路由器端口电压幅值上、下限；ut,j为t时刻第j座能源路由器端口电压；2)电压越限控制：配电网负荷过重、能源路由器内部分布式电源发电充足时，易出现端口电压越限情况，而能源路由器端口电压与各端口电能交互功率、线路长度有关，当配电网网架给定时，必须控制各端口电能交互功率使配电网稳定运行；电压越下限时，配电网负荷过重，需减少能源路由器购电功率，配电网代理查询端口电压最低的能源路由器，通过购电功率控制系数ηe,buy，调整该路由器所在支路的所有能源路由器的购电功率，使该路由器的端口电压不越限即升高电压至下限值，其表达式为：式中，k1为电压最低路由器所在支路的能源路由器总座数；为t时刻该支路第j座能源路由器调整后的购电功率；pt,j为t时刻该支路第j座能源路由器调整前的购电功率；为t时刻电压最低路由器调整后的电压值；电压越上限时，分布式电源发电充足，需减少能源路由器售电功率，使电压最高的能源路由器端口电压降低至电压上限值，调整方式与电压越下限相同；

29、步骤3.22：越限功率控制策略：1)支路功率约束：配电网代理需保证配电网各支路功率不越限，支路功率约束为：0≤pt,ij≤pij,max(30)，式中，pij,max为ij支路有功功率幅值上限，必须满足n-1准则下的负载率要求，对应双辐射、手拉手、三分段三联络分别为100％、50％、66.7％；pt,ij为t时刻ij支路的有功功率；2)功率越限控制：配电网负荷过重时，易出现支路功率越上限的情况，此时，配电网代理从末节点出发，逐一查询各支路，若出现越限情况，则通过支路功率控制系数ηe，调整该支路末端连接的所有能源路由器的购电功率，使该支路的功率幅值为上限值，重新查询各支路并重复以上步骤，直到所有支路功率都不再越限为止，其表达式如下：式中，k2功率越上限支路末端连接的能源路由器总座数；为t时刻该支路末端连接的第j座能源路由器调整后的购电功率；pt,t,j为t时刻该支路末端连接的第j座能源路由器调整前的购电功率；为t时刻功率越上限支路调整后的功率；能源路由器内部分布式电源发电充足时，易出现支路功率倒送越上限的情况，需调整该支路末端所有能源路由器的售电功率，使该支路倒送功率为上限值，调整方式与支路功率因负荷过重而越上限的情况相同。

30、所述的步骤4中的构建能源路由器群组与配电网的综合规划具体包括以下步骤：

31、步骤4.1：划分每座能源路由器的供能区域，各能源路由器代理收集供能区域内典型日各时刻的负荷需求量、风光发电预测结果；

32、步骤4.2：将配电网代理下达的电能交互功率曲线作为购售电功率上限值，各能源路由器代理建立内部供能设备、能量转换设备、储能设备、交直流转换设备各设备模型，以规划年总费用最小为目标函数，满足能量供需平衡等约束条件，利用分支定界法借助cplex并行求解各能源路由器设备配置及容量，以及与配电网的电能交互功率曲线；

33、步骤4.3：各能源路由器代理上传新的电能交互功率曲线至配电网代理，作为配电网的负荷需求曲线；配电网代理利用改进的prim算法生成典型日各时刻的配电网网架结构，挑选重复率最高的网架作为最终的配电网网架规划方案；对获得的配电网网架进行潮流验证，若部分时刻不满足潮流约束，则利用越限电压、功率控制策略，调整相应能源路由器该时刻的电能交互功率极限值，并将调整后的电能交互功率曲线下达各能源路由器代理；

34、步骤4.4：重复步骤4.2-4.3，直到电能交互功率曲线不再变化，得出最终的能源路由器群组与配电网综合规划结果。

35、本发明的有益效果：本发明为基于能源路由器的配电网系统及方法，在使用中，本发明的分布式电源通过能源路由器的分布式电源接口接入能源路由器中，从而实现即插即用的功能，之后经过mppt控制模块进行直流母线电压控制，通过统一的逆变电路将直流电能转换为交流电能输送给交流负载或上级电网并网，从而减少原来传统模式下逆变器的数量；通过直流母线和交流母线中的上行、下行逆变器以及直流负荷侧的电压控制器来动态调控并网接口和负荷接口输出的电能质量，大大减少因地理位置分散及传输过程中的能量损耗，大大提高能源供应的灵活性和高效性，满足供电电能质量需求；本发明具有以下优点：一、直流配电更为可靠，线路故障率较交流系统更低，可单极运行，响应快，恢复时间短；二、直流配电效率更高，线路损耗低于交流配电，可直接为日益增多的直流负载提供电能；三、可提高电能质量；四、易于实现分布式发电互联；本发明具有能量传输稳定、满足供电电能质量需求、保证配电网安全稳定运行的优点。