CN109378866A - 一种能量路由器及控制交直流混合配电网能量流的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种能量路由器及控制交直流混合配电网能量流的方法，能量路由器包括第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第一能量交换模块、第二能量交换模块、能量控制模块、故障隔离模块以及功率接口模块。不同直流母线通过第一能量交换模块连接；直流母线与交流配电网通过第二能量交换模块连接；功率接口模块连接外接设备。该方法对能量路由器内部和外部设备进行状态监测；根据状态监测数据判断第一功率接口或且所连接的外部设备是否发生故障，分别启动第一功率接口或第二功率接口进行处理。通过本申请中的能量路由器和控制方法，能够提高交直流配电网能量流动的灵活性、充分协调交直流能量，还能够提高能源的利用率和电网稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及能源互联网技术领域，特别是涉及一种能量路由器及控制交直流混合配电网能量流的方法。
背景技术
配电网作为智能电网的重要组成部分，是保证用户供电可靠性和供电质量的关键环节。随着大量分布式新能源、微电网和多元化负荷接入配电网，传统配电网由无源网变为有源网，潮流由单向变为多向，配电网的运行特性、保护与控制策略日趋复杂，交直流混合配电网可以通过更加经济的方式解决传统配电网面临的挑战。而能量路由器则是构建交直流混合配电网的一种重要装置。
目前的能量路由器，通常在电网的局部领域采用，如：直流微电网和能量路由器结合。由于目前的能量路由器只适用于某些局部场合，实现局部的能源互联，实现的是交流和直流的简单的逆变，能量控制的灵活性不够高，能源的利用率较低。
发明内容
本申请提供了一种能量路由器及控制交直流混合配电网能量流的方法，以解决现有技术中能量路由器对能量控制的灵活性不够高、能源利用率较低的问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
一种能量路由器，用于交直流混合配电网，所述能量路由器包括：
第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第一能量交换模块、第二能量交换模块、能量控制模块、故障隔离模块以及功率接口模块；
所述第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线所承载的直流电压等级逐级递减；
所述第一能量交换模块，用于第一直流母线与第二直流母线之间，以及第二直流母线与第三直流母线之间进行能量交换；
所述第二能量交换模块，用于第一直流母线与交流配电网之间，以及第二直流母线与交流配电网之间进行能量交换；
所述功率接口模块连接不同的外接设备，用于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线与外接设备进行能量交互；
所述能量控制模块，用于获取并分析外部指令，监控能量路由器内部装置和功率接口模块所连接的外部设备的运行状况，以及根据所述运行状况确定最优化的能量流动大小和方向；
所述故障隔离模块，用于对能量流进行控制以及对能量路由器运行中的故障进行隔离。
可选地，所述第一能量交换模块为双向DC/DC(Direct Current/Direct Current，直流/直流)变换器，所述第二能量交换模块包括双向AC/DC(Alternating Current/DirectCurrent，交流/直流)变换器以及与所述双向AC/DC变换器所匹配的隔离变压器。
可选地，所述故障隔离模块包括：多个直流断路器和多个交流断路器，多个所述直流断路器设置于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线侧，多个所述交流断路器设置于交流配电网侧。
可选地，所述功率接口模块为可热插拔和可扩展功率接口模块，且所述功率接口模块包括：第一功率接口、第二功率接口、第三功率接口、第四功率接口、第五功率接口、第六功率接口和第七功率接口；
所述第一功率接口的一端通过第二能量交换模块与第一直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；
所述第二功率接口的一端通过直流断路器与第一直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与大容量储能设备连接，所述大容量储能设备包括大规模集中式储能电站；
所述第三功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；
所述第四功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与低压交流配电网或交流微电网连接；
所述第五功率接口的一端通过直流断路器与第二直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与直流负荷、直流配电网或直流充电桩连接；
所述第六功率接口的一端通过直流断路器与第三直流母线连接，另一端与直流配电网或直流负荷连接；
所述第七功率接口的一端通过直流断路器第三直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与分布式发电设备、分布式储能***连接。
可选地，所述能量控制模块包括：
通讯单元，用于接收外部指令以及根据外部指令向本地下发指令；
信息存储单元，用于获取并存储能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备的状态监测数据；
信息处理单元，用于根据所述状态监测数据，确定最优化的能量流动大小和方向，并通过通讯单元发出控制指令。
一种控制交直流混合配电网能量流的方法，所述方法应用于如上所述的一种能量路由器，所述方法包括：
S1：对能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备进行实时状态监测，获取状态监测数据；
S2：根据所述状态监测数据，判断第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障；
S3：如果是，隔离所述第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备；
S4：利用第二功率接口建立直流母线电压，第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S5：如果否，第一功率接口采用直流母线电压闭环控制的方式，第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
可选地，所述步骤S3包括：
当第一功率接口发生故障时，隔离所述第一功率接口；
当第一功率接口所连接的外部设备发生故障时，隔离所述第一功率接口以及与所述第一功率接口连接的外部设备。
可选地，所述步骤S4包括：
S41：利用第二功率接口建立第一直流母线；
S42：通过所述第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线；
S43：第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S44：根据所述状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率；
S45：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率；
S46：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***；
S47：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
可选地，所述步骤S5包括：
S51：利用第一功率接口所连接的第二能量交换模块建立第一直流母线；
S52：通过所述第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线；
S53：第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S54：根据所述状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率；
S55：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率；
S56：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***；
S57：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
可选地，所述状态监测数据包括：能量路由器内部的变压器电压、电流和温度、能量路由器内部的第二能量交换模块交直流侧的电压、电流、有功功率和无功功率、功率接口模块所连接的外部设备的线路电压、电流、有功功率和无功功率、故障类型以及定位信息。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请提供一种能量路由器，该能量路由器主要包括第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第一能量交换模块、第二能量交换模块、能量控制模块、故障隔离模块以及功率接口模块八个部分。其中，第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线所承载的直流电压等级逐级递减，且不同等级直流母线之间通过第一能量交换模块连接；直流母线与交流配电网之间通过第二能量交换模块连接；功率接口模块连接不同的外接设备，用于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线与外接设备进行能量交互；能量控制模块用于获取、分析外部状态或指令，并向外部的储能***等柔性负荷装置发出指令，监控能量路由器内部装置和功率接口模块所连接的外部设备的运行状况，以及根据运行状况确定最优化的能量流动大小和方向；故障隔离模块用于对能量流进行控制以及对能量路由器运行中的故障进行隔离。本实施例通过设置三个电压等级的直流母线，并通过第二能量交换模块实现直流与交流配电网的能量交换，能够大大提高能量交换的灵活性，以及能量控制的准确性。本实施例还通过功率接口模块连接不同的外接设备，这些外接设备包括交流配电网、大规模集中式储能电站以及分布式储能***，根据能量控制模块所监控的数据，灵活进行交直流之间的能量交互、实现对分布式电源的充分消纳，有利于提高能源利用率。
本申请还提供一种控制交直流混合配电网能量流的方法，该方法首先对能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备进行实时状态监测，获取状态监测数据；其次根据状态监测数据，判断第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障；当第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备发生故障时，对其进行隔离，并利用第二功率接口建立直流母线电压，第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；否则，第一功率接口采用直流母线电压闭环控制的方式，第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。由于第一功率接口连接中压交流配电网或中压变电站，为核心功率接口，第二功率接口连接大容量储能设备，为备用功率接口，本实施例通过监控能量路由器内部和外部运行状态，根据第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障灵活控制能量流的大小和方向，并充分结合功率闭环控制和直流母线电压闭环控制方式进行能量流的控制，有利于提高交直流配电网能量流动的灵活性、充分协调交直流能量，实现最优化的能量控制，有利于提高能源的利用率，由于对故障的及时监测和准确控制，还能够大大提高电网的稳定性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种能量路由器的结构示意图；
图2为本申请实施例中三重化Buck/Boost变换器的拓扑结构示意图；
图3为本申请实施例中三重化Buck/Boost变换器的控制原理示意图；
图4为本申请实施例中高频隔离DC/DC变换器的拓扑图结构示意图；
图5为本申请实施例中三相三桥臂六开关AC/DC变换器的拓扑结构示意图；
图6为本申请实施例中典型AC/DC变换器的模块化扩展应用示意图；
图7为本申请实施例中模块化多电平换流器的拓扑图结构示意图；
图8为本申请实施例所提供的一种能量路由器的电路连接关系示意图；
图9为本申请实施例所提供的一种控制交直流混合配电网能量流的方法的流程示意图；
图10为直流电压与无功功率解耦控制原理示意图；
图11为有功功率与无功功率解耦控制原理示意图。
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中的技术方案，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，都应当属于本申请保护的范围。
为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。
本申请中的能量路由器应用于交直流混合配电网。参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种能量路由器的结构示意图。由图1可知，该能量路由器主要包括：第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第一能量交换模块、第二能量交换模块、能量控制模块、故障隔离模块以及功率接口模块八个组成部分。其中，第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线用于承载不同电压等级的直流电压，且第一直流母线所承载的直流电压等级高于第二直流母线，第二直流母线所承载的直流电压等级高于第三直流母线，也即三种直流母线承载高中低三个电压等级的直流电压。
不同电压等级的直流母线之间通过第一能量交换模块连接，也就是第一能量交换模块用于第一直流母线与第二直流母线之间，以及第二直流母线与第三直流母线之间进行能量交换。相同电压等级的直流母线之间通过直流断路器连接。不同电压等级的直流母线需要满足绝缘和电磁兼容。
第一能量交换模块可以采用双向DC/DC变换器。本实施例中的双向DC/DC变换器包括多重合化Buck/Boost变换器或高频隔离DC/DC变换器。
参见图2和图3，多重合化Buck/Boost变换器在本实施例中可以采用三重化Buck/Boost变换器，图2为三重化Buck/Boost变换器的拓扑结构示意图，图3为三重化Buck/Boost变换器的控制原理示意图。由图2中的拓扑结构可知，通过三重化Buck/Boost变换器，相当于将三个Buck/Boost变换器并联起来，对其控制时进行移相控制，即：后两个Buck/Boost变换器分别滞后前一个Buck/Boost变换器开关周期的1/3与前一个Buck/Boost变换器开关周期的2/3，从而使得双向DC/DC变换器的输出电流更加平滑，波动更小，有利于提高电网的稳定性。根据图3可知，在三重化Buck/Boost变换器中，采用同一个直流电压外环控制，为每重电感电流设计独立的电流内环控制，每个电流内环的参考电流相同，保证每重电感的电流一致。三个电流内环可独立运行，无优先级，任何一个发生故障，其余仍可正常运行，从而能够保证变换器工作的稳定性。假设第一直流母线为高压直流母线，电压为10KV，第二直流母线为中压直流母线，电压为750V，第三直流母线为低压直流母线，电压为110V。通过三重化Buck/Boost变换器将不同电压等级的直流母线连接起来，给第一直流母线和第二直流母线之间的三重化Buck/Boost变换器的低压输出侧设置一个电压指令值750V，给第二直流母线和第三直流母线之间的三重化Buck/Boost变换器的低压输出侧设置一个电压指令值110V，从而能够通过高压直流母线建立起中低压直流母线，实现能量流的双向流动。
本实施例中的双向DC/DC变换器还可以采用高频隔离DC/DC变换器，高频隔离DC/DC变换器的拓扑图可以参见图4。其原理与三重化Buck/Boost变换器类似，在此不再赘述。
继续参见图1可知，三种电压等级的直流母线与直流配电网之间分别通过第二能量交换模块连接，也就是第二能量交换模块用于第一直流母线与交流配电网之间，以及第二直流母线与交流配电网之间进行能量交换。
第二能量交换模块包括：双向AC/DC变换器以及与双向AC/DC变换器所匹配的隔离变压器。其中，双向AC/DC变换器包括模块化扩展的三相三桥臂六开关AC/DC变换器或模块化多电平换流器。三相三桥臂六开关AC/DC变换器的拓扑结构可以参见图5，图5中高压侧直流母线和低压侧直流母线可以理解为第一直流母线和第二直流母线，或者理解为第二直流母线和第三直流母线，由图5可知，这种拓扑结构可以采用SPWM或者SVPWM进行控制，从而实现直流到交流的变换。本实施例中典型AC/DC变换器的模块化扩展拓扑可以参见图6，由图6可知通过将VSC(Voltage Source Converter，电压源换流器)模块并联扩展，能够增大整个能量路由器的变换容量，提高能量路由器的供电可靠性。
本实施例中的双向AC/DC变换器还可以采用模块化多电平换流器，模块化多电平换流器的拓扑图参见图7。
继续参见图1可知，本实施例中的能量路由器通过功率接口模块连接不同的外接设备，且第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线与外接设备之间进行能量交互。
本实施例中的功率接口模块为即插即用型，具有热插拔功能的接口。根据不同的外接设备，本实施例中的功率接口模块至少包括：第一功率接口、第二功率接口、第三功率接口、第四功率接口、第五功率接口、第六功率接口和第七功率接口。其中，第一功率接口的一端通过第二能量交换模块与第一直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；第二功率接口的一端通过直流断路器与第一直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与大规模集中式储能电站连接；第三功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；第四功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与低压交流配电网或交流微电网连接；第五功率接口的一端通过直流断路器与第二直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与直流负荷、直流微电网或直流充电桩连接；第六功率接口的一端通过直流断路器与第三直流母线连接，另一端与直流微电网或直流负荷连接；第七功率接口的一端通过直流断路器第三直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与分布式发电设备、分布式储能***连接。分布式发电设备包括：分布式光伏、燃料电池等发电设备。
本实施例中还包括有能量控制模块，该能量控制模块用于获取并分析外部状态或指令，监控能量路由器内部装置和功率接口模块所连接的外部设备的运行状况，以及根据所述运行状况确定最优化的能量流动大小和方向。
进一步地，本实施例中能量控制模块主要包括通讯单元、信息存储单元和信息处理单元。其中，通讯单元用于接收外部指令以及根据外部指令向本地下发指令，例如：获取来自上级的外部指令，向储能***等外部的柔性负荷装置发出指令。信息存储单元用于获取并存储能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备的状态监测数据；信息处理单元用于根据状态监测数据，确定最优化的能量流动大小和方向，并通过通讯单元发出控制指令。
具体地，能量控制模块可以采用一单片机，该单片机中包括存储器和处理器，且处理器和存储器之间、以及单片机与外部设备之间通过通讯单元进行通信连接。存储器中存储有能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备的状态监测数据，还存储有可被处理器执行的所有指令，例如：通讯单元所接收的外部指令。处理器能够根据状态监测数据以及外部指令，确定最优化的能量流动大小和方向，并通过通讯单元对能量路由器的内部装置发出控制指令。
本实施例的能量路由器中还包括有故障隔离模块，用于对能量流进行控制以及对能量路由器运行中的故障进行隔离。故障隔离模块主要包括多个直流断路器和多个交流断路器，多个直流断路器设置于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线侧，多个交流断路器主要设置于交流配电网侧，例如：任一隔离变压器的输入端和输出端分别设置一个交流断路器。
本实施例中各模块之间的电路连接关系可以参见图8，图8为本申请实施例所提供的一种能量路由器的电路连接关系示意图。由图8可知，图8中，1为能量路由器，2-1到2-6为能量路由器三个电压等级的6段直流母线，2-1和2-6接10KV电压，为第一直流母线，是高压等级直流母线；2-2和2-5接750V电压，为第二直流母线，是中压等级直流母线；2-3和2-4接110V电压，为第三直流母线，是低压等级直流母线。3-1到3-21为直流侧对应的直流断路器；4-1到4-9为能量路由器功率接口，4-1可接入直流负荷或直流配电网，4-2可接入低压交流配电网或微电网，4-3可接入中压交流配电网或变电站，4-4可接入中压交流配电网或变电站，4-5可接入中压交流配电网或变电站或重要的交流负荷，4-6可接入大规模集中式储能电站，4-7可接入一般直流负荷、直流配电网及电动汽车直流充电桩等。4-8可接入低压交流配电网或微电网，4-9可接入分布式光伏、分散式风力发电、分布式储能***。4-4和4-5为第一功率接口，4-6为第二功率接口，4-3为第三功率接口，4-2和4-8为第四功率接口，4-7为第五功率接口，4-1为第六功率接口，4-9为第七功率接口。5-1到5-4为绝缘层和电磁兼容层，实现不同电压等级模块之间的良好绝缘与电磁兼容；6-1到6-6为6个AC/DC变换器，即第二能量交换模块中的双向AC/DC变换器，可实现交直流的连接；7-1到7-4为连接不同电压等级直流母线的4个DC/DC变换器，即第一能量交换模块；8-1到8-5为AC/DC变换器对应的隔离变压器；9-1到9-11为AC/DC变换器对应的交流断路器；10为能量控制模块，是整个能量路由器的能量管理与控制***。
由图8可知，2-1和2-6为高压直流母线，2-2和2-5为中压直流母线，2-3和2-4为低压直流母线；三种直流母线分别组成高中低压三个模块，同一模块内的两段直流母线之间通过直流断路器连接，不同模块之间的直流母线之间通过双向DC/DC变换器连接，可进行双向能量交换。为实现交直流互联功能，多个AC/DC变换器连接到不同电压等级的直流母线上，并通过AC/DC变换器所匹配的隔离变压器与交流源、网、荷进行连接。
双向AC/DC变换器能够实现直流电压与无功功率解耦，以及有功功率与无功功率解耦。双向AC/DC变换器直流电压与无功功率解耦控制原理示意图参见图10，双向AC/DC变换器有功功率与无功功率解耦控制原理示意图参见图11。
结合图8和图10可知，直流电压与无功功率解耦主要应用于端口4-4对应的两个双向AC/DC变换器6-1和6-2，用于构建能量路由器内部的两段第一直流母线，即高压直流母线，为第二直流母线以及第三直流母线，即中低压四段直流母线，提供输入侧的稳定直流电压。当然，当端口4-5接入中压配电网或变电站时，直流电压与无功功率解耦也可应用于端口4-5对应的双向AC/DC变换器6-6，通过双向AC/DC变换器6-6建立第一直流母线。
结合图8和图11可知，直流电压与无功功率解耦主要应用于双向AC/DC变换器6-3、6-4和6-5，以及不用于建立直流母线时的6-6。采用有功与无功独立解耦控制，可实现有功、无功的相互解耦与独立控制，在一定范围内双向AC/DC变换器输送的有功和无功互不影响，有利于能量路由器为交流配电网提供无功支撑，并实现不同区域配电网或者微电网与配电网或者不同变电站之间的柔性互联与有功功率交换。既可提高配电网的电压稳定性，也可实现交直流混合配电网中能量流的灵活、精准控制。
综上所述，本实施例采用多电压等级直流母线，有利于能量流的灵活控制，通过第二能量交换模块实现直流与交流配电网的能量交换，能够大大提高能量交换的灵活性，以及能量控制的准确性。功率接口模块的即插即拔性和可热插拔性，进一步使能量路由器具有较高的兼容性和灵活性。
本申请还提供一种控制交直流混合配电网能量流的方法。在图1-图8所示能量路由器的结构及电路原理的基础之上参见图9，图9为本申请实施例所提供的一种控制交直流混合配电网能量流的方法的流程示意图。
由图9可知，本实施例中控制交直流混合配电网能量流的方法主要包括如下步骤：
S1：对能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备进行实时状态监测，获取状态监测数据。
内部装置包括能量路由器的所有结构，显然包括功率接口模块。状态监测数据包括：能量路由器内部的变压器电压、电流和温度；能量路由器内部的第二能量交换模块的交直流侧的电压、电流、有功功率和无功功率，如：AC/DC变换器交直流侧电压、电流、有功和无功功率；功率接口模块所连接的外部设备的线路电压、电流、有功功率和无功功率；故障类型以及定位信息。
故障类型与定位信息基于内部装置和外部设备的电压、电流以及功率，通过监测装置直接得出。故障类型或定位信息包括：外部哪条线路或变电站出线发生了三相短路、断线、单相短路等故障；内部变压器是否出现击穿、短路等绝缘问题，是否有变压器过热或者重过载、AC/DC变换器内部是否出现换相失败、桥臂短接等故障。
S2：根据状态监测数据，判断第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障。
本实施例中第一功率接口的一端通过第二能量交换模块与第一直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接，中压交流配电网或中压变电站的电压等级高、容量大。第二功率接口的一端通过直流断路器与第一直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与大容量储能设备连接，大容量储能设备包括大规模集中式储能电站。将第一功率接口作为核心功率接口，如图8中的4-4或4-5，将第二功率接口作为备用核心功率接口，如图8中的4-6，有利于从高向低逐步稳定地建立直流母线，并实现能量流的分配，从而提高电网的稳定性。
如果第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备发生故障，则执行步骤S3：隔离第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备。
具体地，根据具体发生故障的部位不同，步骤S3又包括两种情况。第一种情况为：当第一功率接口发生故障时，隔离第一功率接口。第二种情况为：当第一功率接口所连接的外部设备发生故障时，隔离第一功率接口以及与第一功率接口连接的外部设备。
隔离第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备之后，执行步骤S4：利用第二功率接口建立直流母线电压，第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
具体地，步骤S4又包括如下过程：
S41：利用第二功率接口建立第一直流母线。
S42：通过第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线。
S43：第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
由以上步骤S41-43可知，以图8中的能量路由器为例，可以利用图8中功率接口4-6建立第一直流母线，即建立高压10kV直流母线。通过高压直流母线为750V的中压直流母线以及110V的低压直流母线提供输入侧的直流电压，并通过双向DC/DC变换器建立750V的中压直流母线和110V的低压直流母线。除了功率接口4-4、4-5和4-6以外的其他功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
继续参见图9可知，建立三个等级的直流母线之后，执行步骤S44：根据状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率。
需要注意的是，计算流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率时，不包括分布式储能***和大规模集中式储能电站。
S45：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率。
S46：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***。
S47：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
本实施例中对分布式储能***和大规模集中式储能电站能量流的控制方法为：根据分布式储能***和大规模集中式集中式储能电站的荷电状态，以及流入和流出能量路由器的能量流的差额，进行动态优化配置。荷电状态也就是储能***的SoC参数。
由以上步骤S44-S47可知，通过监测所有正常接入能量路由器的多元源、网提供的功率PG和所接入的交、直流负荷功率PL，判断PG与PL之和是否大于零，若大于零，说明发电功率大于负荷功率，则控制能量流向分布式储能***或大规模集中式储能电站流动，对分布式储能***或大规模集中式储能电站进行充电，存储多余能量；反之，由分布式储能***或大规模集中式储能电站补充所需的功率缺额，向能量路由器注入能量。
当发电功率小于负荷功率时，接入大规模集中式储能电站的能量路由器相当于一个备用电源，在配网故障时可以提供能量支撑，从而实现黑启动功能。
继续参见图9可知，如果第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备没有发生故障，则执行步骤S5：第一功率接口采用直流母线电压闭环控制的方式，第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
具体地，步骤S5包括如下过程：
S51：利用第一功率接口所连接的第二能量交换模块建立第一直流母线。
在能量路由器正常运行状态下，将第一功率接口作为核心功率接口，有利于从高向低逐步稳定地建立直流母线，并实现能量流的分配，从而提高电网的稳定性。
S52：通过第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线。
S53：第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
S54：根据状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率。
同样，此处计算流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率时，也不包括分布式储能***和大规模集中式储能电站。
S55：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率。
S56：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***。
S57：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
显然，本实施例步骤S5中第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备没有发生故障的情况，也包括：能量路由器内部除了第一功率接口以外的其他功率接口发生故障、能量路由器内部除了第一功率接口以外的其他内部装置故障、第一功率接口以外的其他功率接口所连接的外部设备发生故障等情况。这种情况均执行步骤S5：第一功率接口采用直流母线电压闭环控制的方式，第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
其中，第一功率接口故障、能量路由器内部除了第一功率接口以外的其他功率接口发生故障和能量路由器内部除了第一功率接口以外的其他内部装置故障，属于内部故障；第一功率接口所连接的外部设备故障、第一功率接口以外的其他功率接口所连接的外部设备发生故障，属于外部故障。
综上所述，本实施例通过状态监测数据判断能量路由器第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障，分别启动第一功率接口或第二功率接口，而且采取直流母线电压控制和功率闭环控制相结合的能量流控制方法，有利于提高能量管理的灵活性；由于针对不同故障采取精准的能量流控制方法，有利于实现对分布式电源的充分消纳以及充分协调交直流能量，实现最优化的能量控制，从而提高能源的利用率。由于对故障的及时监测和准确控制，还能够大大提高电网的稳定性。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种能量路由器，用于交直流混合配电网，其特征在于，所述能量路由器包括：
第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第一能量交换模块、第二能量交换模块、能量控制模块、故障隔离模块以及功率接口模块；
所述第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线所承载的直流电压等级逐级递减；
所述第一能量交换模块，用于第一直流母线与第二直流母线之间，以及第二直流母线与第三直流母线之间进行能量交换；
所述第二能量交换模块，用于第一直流母线与交流配电网之间，以及第二直流母线与交流配电网之间进行能量交换；
所述功率接口模块连接不同的外接设备，用于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线与外接设备进行能量交互；
所述能量控制模块，用于获取并分析外部指令，监控能量路由器内部装置和功率接口模块所连接的外部设备的运行状况，以及根据所述运行状况确定最优化的能量流动大小和方向；
所述故障隔离模块，用于对能量流进行控制以及对能量路由器运行中的故障进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种能量路由器，其特征在于，所述第一能量交换模块为双向DC/DC变换器，所述第二能量交换模块包括双向AC/DC变换器以及与所述双向AC/DC变换器所匹配的隔离变压器。
3.根据权利要求2所述的一种能量路由器，其特征在于，所述故障隔离模块包括：多个直流断路器和多个交流断路器，多个所述直流断路器设置于第一直流母线、第二直流母线以及第三直流母线侧，多个所述交流断路器设置于交流配电网侧。
4.根据权利要求1所述的一种能量路由器，其特征在于，所述功率接口模块为可热插拔和可扩展功率接口模块，且所述功率接口模块包括：第一功率接口、第二功率接口、第三功率接口、第四功率接口、第五功率接口、第六功率接口和第七功率接口；
所述第一功率接口的一端通过第二能量交换模块与第一直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；
所述第二功率接口的一端通过直流断路器与第一直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与大容量储能设备连接，所述大容量储能设备包括大规模集中式储能电站；
所述第三功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与中压交流配电网或中压变电站连接；
所述第四功率接口的一端通过第二能量交换模块与第二直流母线连接，另一端与低压交流配电网或交流微电网连接；
所述第五功率接口的一端通过直流断路器与第二直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与直流负荷、直流配电网或直流充电桩连接；
所述第六功率接口的一端通过直流断路器与第三直流母线连接，另一端与直流配电网或直流负荷连接；
所述第七功率接口的一端通过直流断路器第三直流母线连接，另一端通过DC/DC变换器与分布式发电设备、分布式储能***连接。
5.根据权利要求1所述的一种能量路由器，其特征在于，所述能量控制模块包括：
通讯单元，用于接收外部指令以及根据外部指令向本地下发指令；
信息存储单元，用于获取并存储能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备的状态监测数据；
信息处理单元，用于根据所述状态监测数据，确定最优化的能量流动大小和方向，并通过通讯单元发出控制指令。
6.一种控制交直流混合配电网能量流的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5中任一所述的一种能量路由器，所述方法包括：
S1：对能量路由器内部装置以及功率接口模块所连接的外部设备进行实时状态监测，获取状态监测数据；
S2：根据所述状态监测数据，判断第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备是否发生故障；
S3：如果是，隔离所述第一功率接口或第一功率接口所连接的外部设备；
S4：利用第二功率接口建立直流母线电压，第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S5：如果否，第一功率接口采用直流母线电压闭环控制的方式，第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制。
7.根据权利要求6所述的一种控制交直流混合配电网能量流的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
当第一功率接口发生故障时，隔离所述第一功率接口；
当第一功率接口所连接的外部设备发生故障时，隔离所述第一功率接口以及与所述第一功率接口连接的外部设备。
8.根据权利要求6所述的一种控制交直流混合配电网能量流的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41：利用第二功率接口建立第一直流母线；
S42：通过所述第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线；
S43：第一功率接口和第二功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S44：根据所述状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率；
S45：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率；
S46：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***；
S47：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
9.根据权利要求6所述的一种控制交直流混合配电网能量流的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51：利用第一功率接口所连接的第二能量交换模块建立第一直流母线；
S52：通过所述第一直流母线为第二直流母线和第三直流母线的输入侧提供直流电压，并利用第一能量交换模块建立第二直流母线和第三直流母线；
S53：第一功率接口以外的功率接口采用功率闭环控制或者与外接设备直接相连的方式进行能量流的控制；
S54：根据所述状态监测数据，计算得出流入能量路由器的功率和流出能量路由器的功率；
S55：判断流入能量路由器的功率是否大于流出能量路由器的功率；
S56：如果是，控制能量流从能量路由器流向外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***；
S57：如果否，控制能量流从外接设备中的大规模集中式储能电站或分布式储能***流向能量路由器。
10.根据权利要求6所述的一种控制交直流混合配电网能量流的方法，其特征在于，所述状态监测数据包括：能量路由器内部的变压器电压、电流和温度、能量路由器内部的第二能量交换模块交直流侧的电压、电流、有功功率和无功功率、功率接口模块所连接的外部设备的线路电压、电流、有功功率和无功功率、故障类型以及定位信息。
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