CN107591791A - 一种基于直流能源路由器的微电网*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流能源路由器的微电网***，包括***监控器(即能源管理平台)、直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块；直流能源路由器具有多个用于接入直流微电源的电源输入端口；直流能源路由器的多个输出端口与直流母线相连；蓄电池模块通过接驳模块与直流母线相连；变流模块与直流母线相连，变流模块用于为交流或直流负载供电；直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均与***监控器相连，并均受控于***监控器。该基于直流能源路由器的微电网***易于实施，能对各路输入及各路输出能量实现动态智能监控。

Description

一种基于直流能源路由器的微电网***

技术领域

本发明涉及一种基于直流能源路由器的微电网***。

背景技术

现有的直流微电网由直流微电源、储能装置、负荷等构成，直流微电源包括风电、太阳能、燃料电池等分布式能源，类型较多，且具有间歇性、随机性的特点，输出电压存在不稳定、电压水平不一致的问题，各直流能源不能直接汇集，无法对各直流能源实行统一调配控制。目前普遍的解决方案是各分布式能源通过电力电子变换装置电压进行DC/DC变换连接到直流母线，直流母线再通过电力电子变换装置为不同电压等级的交直流负载提供电能，所述微电源输出电压和功率由各独立微电源控制器调节。

目前已有最相近似的方案是公开号为CN105932779A的专利中提到了一种微电网的能量路由器，其包括直流母线、发电设备可控开关组、并网转换模块和电力控制***等。分布式发电设备、用电负载、电网直接与路由器连接，所述路由器集成度高，可满足特定需求，但同时存在输入接口不统一、可移植性差、不利于扩展的问题，难以适应微电网灵活控制的要求。

现有技术虽可解决多种分布式能源的接入问题，但同时存在控制不够灵活，不能提供统一的接口，可移植性、可扩展性较差，无法对微网电力潮流分布进行动态控制的问题。

因此，有必要设计一种基于直流能源路由器的微电网***。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于直流能源路由器的微电网***，该基于直流能源路由器的微电网***易于实施，微电网***在***监控器的统一监控下运行，安全可靠性高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于直流能源路由器的微电网***，包括***监控器(即能源管理平台)、直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块；

直流能源路由器具有多个用于接入直流微电源的电源输入端口；直流能源路由器的多个输出端口与直流母线相连；

蓄电池模块通过接驳模块与直流母线相连；

变流模块与直流母线相连，变流模块用于为交流或直流负载供电；

直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均与***监控器相连，并均受控于***监控器。

微电网***还包括与直流母线相连的母线补偿装置，母线补偿装置受控于***监控器。

蓄电池模块包括多个蓄电池单体。多个蓄电池单体可以进行串联并联组合。

接驳模块为蓄电池接驳箱。

变流模块包括用于接交流负载的DC/AC模块和/或用于接直流负载的DC/DC模块。

直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均通过总线与***监控器相连。优选CAN总线。

直流能源路由器包括至少一个路由器组；每一个路由器组包括n个路由器单元；n≥2，n为自然数；

每一个路由器单元包括主电路；路由器组中设有驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于连接外部的直流微电源；

所述的输出端口用于连接外部的直流母线；

降压式变换电路由驱动电路驱动，降压式变换电路受控于控制电路。

路由器组置于箱体内(若路由器组为一个，则置于箱体内，若多个路由器组，则对应置于各自的独立的箱体内)。

每一个路由器单元还包括用于采集反馈电压或电流信号的数据采集电路；数据采集电路与控制模块相连。数据采集电路包括第一电压检测电路、第二电压检测电路和电流反馈电路。

第一电压检测电路和第二电压检测电路分别用于检测输入端口与输出端口的电压，电流反馈电路用于检测输出端口的输出电流。

直流微电源为风电发电模块、太阳能发电模块、燃料电池、热力发电模块、飞轮发电模块、压缩空气发电模块中的至少一种。

另外：

(I)针对直流能源路由器以及微电网***的控制方法说明如下：

一种直流能源路由器的控制方法，所述的直流能源路由器包括主电路、驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于接连接外部的直流微电源，；

所述的输出端口用于接连接外部的直流母线；

所述的降压式变换电路包括阻塞二极管(D1)、继电保护开关(EMI)、通道开关(SSI)、IGBT、续流二极管(D2)、电感(L1)和电容(C1)；阻塞二极管、继电保护开关、通道开关和IGBT串接在输入端口的正端与续流二极管的阴极之间；电感接在续流二极管的阴极与输出端口的正端之间；电容与输出端口并联；输入端口的负端和输出端口的负端均与续流二极管的阳极相连；

驱动电路与控制模块相连，并受控于控制模块；驱动电路的3个输出端分别接继电保护开关、通道开关和IGBT的控制端；驱动模块输出电平信号到继电保护开关和通道开关，驱动电路输出PWM信号到IGBT的控制端(即IGBT的G极)；

阻塞二极管(D1)、继电保护开关(EMI)、通道开关(SSI)、IGBT可以依次串联，也可以随意串联，不改变其电气特性。

所述的直流能源路由器还包括用于采集反馈电压或电流信号的数据采集电路；数据采集电路与控制模块相连；

数据采集电路包括第一电压检测电路、第二电压检测电路和电流反馈电路；

第一电压检测电路和第二电压检测电路分别用于检测输入端口与输出端口的电压，电流反馈电路用于检测输出端口的输出电流；

控制电路接收外部控制指令对主电路实施控制。

包括如下步骤：

步骤1：设定监控参数；

步骤2：检测直流能源路由器输入电压是否在预设范围内；若是则进入下一步，否则继续检测直流能源路由器输入电压；

步骤3：接通继电保护开关和通道开关；并根据监控参数控制PWM波形输出，从而控制直流能源路由器的输出电压和电流；

步骤4：检侧输出电压、电流是否超出阈值，若超出则断开继电保护开关和通道开关，停止电压及电流输出；并返回步骤1。

步骤1中的监控参数来自所述的外部控制指令。

一种微电网***的控制方法，所述的微电网***包括***监控器(即能源管理平台)、直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块；

直流能源路由器具有多个用于接入直流微电源的电源输入端口；直流能源路由器的多个输出端口与直流母线相连；

蓄电池模块通过接驳模块与直流母线相连；

变流模块与直流母线相连，变流模块用于为交流或直流负载供电；

直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均与***监控器相连，并均受控于***监控器；

控制方法为：

由***监控器控制直流能源路由器的电能输出；由***监控器通过所述的接驳模块控制蓄电池模块是否与直流母线连接；由***监控器控制变流模块向负载供电；直流能源路由器端采集的数据传输到***监控器。

针对直流能源路由器的控制包括对直流能源路由器中包含的所有路由器单元进行控制；

对第i个路由器单元的控制方法如下，i＝1,2,3，……，N，N为直流能源路由器中包含的路由器单元的总数；

步骤1：设定第i个路由器单元的监控参数；

步骤2：检测该路由器单元的输入电压是否在预设范围内；若是则进入下一步，否则继续检测该路由器单元的输入电压；

步骤3：接通该路由器单元的继电保护开关和通道开关；并根据监控参数控制PWM波形输出，从而控制该路由器单元的输出电压和电流；

步骤4：检侧该路由器单元的输出电压、电流是否超出阈值，若超出则断开继电保护开关和通道开关，停止电压及电流输出；并返回步骤1。

直流能源路由器与***监控器通过现场总线相连；步骤1的监控参数由***监控器通过现场总线发送到直流能源路由器。

直流能源路由器连接有MMI模块，步骤1中的监控参数由操作员通过MMI模块输入。

微电网***还包括与直流母线相连的母线补偿装置，***监控器控制是否投切(投入或切除)母线补偿装置。

变流模块包括用于接交流负载的DC/AC模块和/或用于接直流负载的DC/DC模块。

直流能源路由器包括至少一个路由器组；每一个路由器组包括n个路由器单元；n≥2，n为自然数；

每一个路由器单元包括主电路；路由器组中设有驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于接连接外部的直流微电源；

所述的输出端口用于接连接外部的直流母线；

降压式变换电路由驱动电路驱动，降压式变换电路受控于控制电路。

(II)针对直流能源路由器进行说明如下：

直流能源路由器，包括至少一个路由器组；每一个路由器组包括n个路由器单元；n≥2，n为自然数；

每一个路由器单元包括主电路；路由器组中设有驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于连接外部的直流微电源；

所述的输出端口用于连接外部的直流母线；

降压式变换电路由驱动电路驱动，降压式变换电路受控于控制电路。

控制器为1个或n个；n≥2；n为自然数；

(1)控制器为1个时，该控制器控制所有的路由器单元；

(2)控制器为n个时，n控制器分别对应控制n个路由器单元。

驱动器为1个或n个；

(1)驱动器为1个时，该驱动器控制所有的路由器单元；

(2)控制器为n个时，n个驱动器分别对应驱动n个路由器单元。

每一个路由器单元还包括用于采集反馈电压或电流信号的数据采集电路；数据采集电路与控制模块相连。数据采集电路包括第一电压检测电路、第二电压检测电路和电流反馈电路；

第一电压检测电路和第二电压检测电路分别用于检测输入端口与输出端口的电压，电流反馈电路用于检测输出端口的输出电流。

控制器与外部的现场总线连接，用于通过现场总线获取控制信号以及上传采集的数据。现场总线为CAN总线或其他总线。

直流微电源为风电发电模块、太阳能发电模块、燃料电池、热力发电模块、飞轮发电模块、压缩空气发电模块中的至少一种。

所述的控制模块包括数据采集控制器、继电保护控制器和通信控制器；数据采集控制器和继电保护控制器均与驱动电路相连；数据采集控制器与继电保护控制器通信连接；数据采集控制器与通信控制器通信连接；通信控制器与继电保护控制器通信连接。

所述的通信控制器为ARM控制器；

ARM控制器具有用于连接CAN总线的CAN总线接口。

所述的数据采集控制器为DSP。

路由器组中设有防雷装置。防雷装置为直流避雷器，又称直流电源避雷器，为现有成熟设备；直流电源避雷器器用于防止雷电过电压和瞬态过电压对直流电源***和用电设备造成的损坏，保护设备和使用者的安全。直流避雷器，还用于消除分布式能源及蓄电池串入的感应雷。

输出端口处还设有状态监测模块(用于检测该路由器的输出状态，即是否有电压输出等)。

状态监测模块具有用于输出状态信号的CAN总线接口、RS485接口或MODUSB总线接口。具体的，状态监测模块通过RS485接口或MODUSB总线与上位机通信，或通过CAN总线接口与外部主机通信。

另外：数据采集控制器还连接有用于本地控制的人机接口(如键盘，鼠标，触摸屏，触摸板，显示屏等)。

驱动电路通过IGBT驱动模块与IGBT的控制端连接。

IGBT驱动模块采用M57959器件。

(III)针对直流能源路由器单元(简称路由器单元，下同)进行说明如下：

所述的直流能源路由器单元包括主电路、驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于接连接外部的直流微电源，；

所述的输出端口用于接连接外部的直流母线；

所述的降压式变换电路包括阻塞二极管(D1)、继电保护开关(EMI)、通道开关(SSI)、IGBT、续流二极管(D2)、电感(L1)和电容(C1)；阻塞二极管、继电保护开关、通道开关和IGBT串接在输入端口的正端与续流二极管的阴极之间；电感接在续流二极管的阴极与输出端口的正端之间；电容与输出端口并联；输入端口的负端和输出端口的负端均与续流二极管的阳极相连；

驱动电路与控制模块相连，并受控于控制模块；驱动电路的3个输出端分别接继电保护开关、通道开关和IGBT的控制端；驱动模块输出电平信号到继电保护开关和通道开关，驱动电路输出PWM信号到IGBT的控制端(即IGBT的G极)。

阻塞二极管(D1)、继电保护开关(EMI)、通道开关(SSI)、IGBT可以依次串联，也可以随意串联，不改变其电气特性。

所述的直流能源路由器还包括用于采集反馈电压或电流信号的数据采集电路；数据采集电路与控制模块相连。

数据采集电路包括第一电压检测电路、第二电压检测电路和电流反馈电路；第一电压检测电路和第二电压检测电路分别用于检测输入端口与输出端口的电压，电流反馈电路用于检测输出端口的输出电流。

驱动电路通过IGBT驱动模块与IGBT的控制端连接。

IGBT驱动模块采用M57959器件。

所述的控制模块包括数据采集控制器、继电保护控制器和通信控制器；数据采集控制器和继电保护控制器均与驱动电路相连；数据采集控制器与继电保护控制器通信连接；数据采集控制器与通信控制器通信连接；通信控制器与继电保护控制器通信连接。

所述的通信控制器为ARM控制器；

ARM控制器具有用于连接CAN总线的CAN总线接口。

所述的数据采集控制器为DSP。

输出端口处还设有状态监测模块(用于检测该路由器的输出状态，即是否有电压输出等)。

状态监测模块具有用于输出状态信号的CAN总线接口、RS485接口或MODUSB总线接口。具体的，状态监测模块通过RS485接口或MODUSB总线与上位机通信，或通过CAN总线接口与外部主机通信。

另外：数据采集控制器还连接有用于本地控制的人机接口(如键盘，鼠标，触摸屏，触摸板，显示屏等)。

母线补偿装置用于稳定电压，抑制纹波，防止过电压或欠电压。

具体的,母线补偿装置通过CAN总线与***监控器相连，用于稳定直流母线电压，消除纹波，抑制电压闪变。具体说明如下：

母线补偿装置包括受控于***监控器进行投切的后备储能***(如后备电容器)和放电***；

(1)后备储能***在母线电压过低时，为直流母线提供后备电源，实现低压穿越(低压穿越是指，当电网故障或扰动引起并网点电压跌落时，并网接入的电源能继续运行，比如，当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。对于光伏电站当电力***事故或扰动引起光伏发电站并网电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。)

(2)放电***的作用；由于太阳能和风能等新能源存在一定的季节性，即气候和季节的变化，其输出能量存在较大的差异；在某些时候，输出电压过高会导致用电设备受到损害；因此，在直流母线电压过高时，通过放电***释放一定电能，从而维持直流母线电压在预设的范围内；

后备储能***和放电***均受到***监控器的监控，***监控器先通过实时采集的数据监控直流母线数据，从而决定是否需要启动母线补偿装置，若需启动则通过CAN总线发出指令到母线补偿装置，控制后备储能***和放电***的投入和切除。

有益效果：

本发明的基于直流能源路由器的微电网***，其采用的直流能源路由器，能实现多种直流能源汇集，采用模块化的设计、提供统一的微电源输入接口，实行输出功率动态控制。该路由器为一个独立设备，可同时满足6路或更多路不同类型微电源输入，每一路输入或输出能实行独立控制，有效控制微电网潮流分布，可扩展性高，可移植性好，有利于构建微电网***。

本***中直流路由器完成多种微电源的汇集，可动态调节输出端口功率输出，是能源的枢纽，也是信息的枢纽。能源管理平台通过现场总线对微电源、储能装置、补偿装置、负载电力变换器实行统一管理和调配，可保障整个微电网***可靠、稳定运行。

本发明采用统一的分布式微电源输入接口，增强了***的可移植性、扩展性，提高***的环境适应性；

总而言之，本发明的微电网***，解决了提供模块化的分布式微电源接入，电力潮流分布难于控制的问题，采用高度模块化的组件，便于扩展，增强了微电网的适应性。

附图说明

图1是直流能源路由器单元的电路图。

图2是直流能源路由器的结构图。

图3是直流能源路由器用于微电网的拓扑图。

图4是直流能源路由器的动作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1～4，本发明的直流能源路由器包括2个路由箱和直流母线，所述路由箱由3个独立的路由通道构成，可接入3路不同的直流微电源，如图2所示，直流能源路由柜接入了6种不同的直流微电源。所述路由通道电路(即路由器单元)如图1所示，包括主电路、驱动电路、数据采集控制器、继电保护控制器和ARM控制器(即通信控制器)。所述路由箱还包括独立的电源电路。

数据采集控制器与主电路的电压变送器HPT(即第一电压检测电路和第二电压检测电路)、电流变送器HCT(即电流反馈电路)连接，所述数据采集控制器还与驱动电路、继电保护控制器、ARM控制器(即通信控制器)连接。

驱动电路与主电路的继电保护开关EM1、通道开关SS1、IGBT驱动模块M57959连接，所述驱动电路还与数据采集控制器、继电保护控制器连接。

继电保护控制器与控制器、驱动电路、ARM控制器连接。

ARM控制器与数据采集控制器、继电保护控制器连接。

直流能源汇集流程图如图4所示。

1、采集直流微电源输入输出的电压电流参数。

2、检查***及电压电流参数是否正常，正常则接通继电保护开关、通道开关，否则重新载入参数检查。

3、接通继电保护开关和通道开关。

4、根据本地电压电流参数及远程给定参数控制PWM波形输出，从而调节输出电压、电流。具体调节过程为现有成熟技术。

5、检查输出电压、电流是否超出阈值，未超出则产生电能输出，超出则断开继电保护开关、通道开关，置位***监控器，等待本地复位信号或者远程复位信号，停止输出。

如图3所示：

左边6路不同种类直流分布式微电源通过统一的接口接入直流路由器，经过DC/DC变换后汇流至直流母线输出，右侧储能装置包括蓄电池接驳箱、蓄电池组，储能装置起“削峰填谷”作用，当分布式微电源输出功率不足时，由储能装置补充，有效防止电压坍塌，在微电网***中起一个重要的支撑作用。直流母线补偿装置能防止过电压及电压凹陷，抑制纹波，提高了直流母线电压稳定性以及整个微电网***的可靠性。

直流路由器与微电源及直流母线相连。母线补偿装置、蓄电池接驳箱、DC/DC、DC/AC变换器与直流母线相连，直流母线完成能源的交换。能源管理平台通过CAN总线与直流路由器、母线补偿装置、蓄电池接驳箱、DC/DC、DC/AC变换器与相连，为整个微网***的控制核心。蓄电池接驳箱为双向DC/DC变换装置，既可储存能量，也可为微电网提供能量，保持***电压稳定。

本发明的直流能源路由器由2个独立的路由箱和直流母线组成，所述路由箱包括3个相互独立的路由通道，可接入3路不同的微电源，所述路由通道由主电路、驱动电路、数据采集控制器、ARM控制器组成。

主电路：用于接入分布式微电源，包含阻塞二极管D1、继电保护开关EM1、通道开关SS1、PWM调节开关等，构成一个降压BUCK型电路。

驱动电路：与控制器、继电保护控制器、继电保护开关EM1、通道开关SS1、IGBT驱动模块M57959相连，用于接收控制器及继电保护控制器的信号，控制继电保护开关、通道开关的接通与断开，调节输出电压电流。

控制器：与驱动电路、继电保护控制器、数据采集控制器相连，用于采集电压、电流反馈信号，并根据所述ARM控制器传递过来的远程给定信号进行运算，形成控制信号，当控制器处于通讯丢失情况下，可实行本地控制，保障***稳定可靠运行。

ARM控制器：与继电保护控制器及控制器相连，用于接收远程信号及传输本地数据。

基于能源路由器的微电网***包括光伏、风力、燃料电池、热力、飞轮、压缩空气等直流分布式微电源，还包括直流路由器、能源管理平台、母线补偿装置、储能装置、能量变换装置。

直流微电源：光伏、风力等直流分布式能源，微电网***的输入端。

直流能源路由器：微电网体系中心部件，完成直流能源的汇集及交换。

能源管理平台：***的控制核心，通过本地控制总线对整个微电网***进行监控，动态控制微电源输出及微电网电力潮流分布。

母线补偿装置：对输出电压进行钳位，抑制电压波动及闪变。

储能装置：包括蓄电池接驳箱，蓄电池组等，用于微电网***能量存储及输出电压支撑，起“削峰填谷”的作用。

能量变换装置：包括DC/AC，DC/DC变换器，用于匹配负载，完成电能输出。

另外，还可以把路由箱由2个扩展成3个，或者把蓄电池接驳箱、直流母线补偿装置、能源管理平台、DC/DC变换器、DC/AC变换器单独或部分或者全部集成至直流能源路由器，也视为同一方案。

Claims (10)

1.一种基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，包括***监控器、直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块；

直流能源路由器具有多个用于接入直流微电源的电源输入端口；直流能源路由器的多个输出端口与直流母线相连；

蓄电池模块通过接驳模块与直流母线相连；

变流模块与直流母线相连，变流模块用于为交流或直流负载供电；

直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均与***监控器相连，并均受控于***监控器。

2.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，还包括与直流母线相连的母线补偿装置，母线补偿装置受控于***监控器。

3.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，蓄电池模块包括多个蓄电池单体。

4.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，接驳模块为蓄电池接驳箱。

5.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，变流模块包括用于接交流负载的DC/AC模块和/或用于接直流负载的DC/DC模块。

6.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，直流能源路由器、蓄电池模块和变流模块均通过总线与***监控器相连。

7.根据权利要求1所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，直流能源路由器包括至少一个路由器组；每一个路由器组包括n个路由器单元；n≥2，n为自然数；

每一个路由器单元包括主电路；路由器组中设有驱动电路和控制电路；

主电路包括输入端口、降压式变换电路(BUCK电路)和输出端口；

所述的输入端口用于连接外部的直流微电源；

所述的输出端口用于连接外部的直流母线；

降压式变换电路由驱动电路驱动，降压式变换电路受控于控制电路。

8.根据权利要求7所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，所述的降压式变换电路包括阻塞二极管(D1)、继电保护开关(EMI)、通道开关(SSI)、IGBT、续流二极管(D2)、电感(L1)和电容(C1)；阻塞二极管、继电保护开关、通道开关和IGBT串接在输入端口的正端与续流二极管的阴极之间；电感接在续流二极管的阴极与输出端口的正端之间；电容与输出端口并联；输入端口的负端和输出端口的负端均与续流二极管的阳极相连；

驱动电路与控制模块相连，并受控于控制模块；驱动电路的3个输出端分别接继电保护开关、通道开关和IGBT的控制端；驱动模块输出电平信号到继电保护开关和通道开关，驱动电路输出PWM信号到IGBT的控制端。

9.根据权利要求7所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，每一个路由器单元还包括用于采集反馈电压或电流信号的数据采集电路；数据采集电路与控制模块相连。数据采集电路包括第一电压检测电路、第二电压检测电路和电流反馈电路。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于直流能源路由器的微电网***，其特征在于，第一电压检测电路和第二电压检测电路分别用于检测输入端口与输出端口的电压，电流反馈电路用于检测输出端口的输出电流；

直流微电源为风电发电模块、太阳能发电模块、燃料电池、热力发电模块、飞轮发电模块、压缩空气发电模块中的至少一种。