CN110289621A - 一种含分布式电源接入的交直流电能路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，交直流电能路由器包括直流负载接口、直流电源接口、第一DC/DC换流器、第二DC/DC换流器、双向DC/AC变流器、储能装置和控制器；直流负载接口分别与第一DC/DC换流器的高压端、第二DC/DC换流器的高压端以及双向DC/AC变流器的直流侧连接，第一DC/DC换流器的低压端与直流电源接口连接，第二DC/DC换流器的低压端与储能装置连接，双向DC/AC变流器的交流侧并入交流母线，市电电网并入交流母线，交流母线为交流负载提供电能；本发明同时具备孤网和并网两种运行模式，能够稳定交直流母线的电压和交流侧的频率，避免功率和电压的大幅波动，提高了交直流电能路由器为用户提供电能的质量。

Description

一种含分布式电源接入的交直流电能路由器
技术领域
本发明涉及交直流电能路由器技术领域，特别是涉及一种含分布式电源接入的交直流电能路由器。
背景技术
可再生能源发电***因其间歇性和波动性特点不适于独立的自发自用供电***，需要与其他分布式电网或公共电网互联。在传统电网向能源互联网转型过程中将形成基于电能路由器的智能型分布式能源网络，而电能路由器作为该网络的核心，可以实现分布式电源接入低压电网后的能量管理和传输控制。
对于户级电能路由器的设计，已有设计[1]徐梦超,邰能灵,黄文焘,郑晓冬,李国栋,陈培育,***.基于社区能源网的电能路由器设计[J].电力***保护与控制.提出基于固态变压器的即插即拔、多输入多输出的电能路由器方案，实现连接家庭发用电***的新能源出力、储能设备和负荷并进行统一的控制和调度。但上述方法将分布式电源，储能装置与负荷均连接到唯一的直流母线上并控制其电压。而实际普通用户的用电设备大多数都为交流负载，只设置直流母线的设计对于交流负载的连接较为复杂，需要单独配置额外的DC/AC变流器，增加成本且不适合民用。而且上述方法对于微网中储能设备的控制方法较为复杂且可能导致储能装置频繁充放电，降低了储能设备的使用寿命。设计[2]刘迎澍,马川.基于交直流混合微网构架的电能路由器[J].现代电力,提出了一种适用于普通用户的整合多种分布式电源及储能单元，并使其与配电网协调配合共同向负载供电的智能化电能路由器。但(1)在连接用电设备方面，该设计在连接中所设置的直流母线只是为了发挥电能传输过程中的“缓冲”作用，来抑制分布式电源间歇性输出对电网造成冲击，并未对直流母线的电压进行严格的控制，而且该直流母线并不具有连接直流用电设备的用途，因此该电能路由器也就丧失了连接直流负载的能力，只能用来连接交流设备，这在以后日益增多的家用直流用电设备(比如电动汽车充电桩)的情况下，该电能路由器就存在着明显的缺点和不足。(2)在连接分布式电源的方面，未对光伏电源以及风电进行最大功率跟踪控制，于是对于接入的分布式新能源来说，可利用率和效率都较低，无法有效的利用接入的电能，会造成能量上的浪费。
且上述电能路由器的设计都未做到集成化控制，未能将整个控制于一个DSP芯片上进行处理，对于整个***的控制不够集约高效，不适合小规模民用。
发明内容
本发明的目的是提供一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，同时具备孤网和并网两种运行模式，能够稳定交直流母线的电压和交流侧的频率，避免功率和电压的大幅波动，提高了交直流电能路由器为用户提供电能的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，所述交直流电能路由器包括直流负载接口、直流电源接口、第一DC/DC换流器、第二DC/DC换流器、双向DC/AC变流器、储能装置和控制器；
所述直流负载接口分别与所述第一DC/DC换流器的高压端、所述第二DC/DC换流器的高压端以及所述双向DC/AC变流器的直流侧连接，所述第一DC/DC换流器的低压端与所述直流电源接口连接，所述第二DC/DC换流器的低压端与所述储能装置连接，所述双向DC/AC变流器的交流侧并入交流母线，市电电网并入交流母线，所述交流母线为交流负载提供电能；
若所述市电电网发生故障或提供的电能低于直流负载和所述交流负载运行的预设电能时，所述控制器控制断开所述交流母线与所述市电电网的连接，所述交直流电能路由器的运行进入孤网模式，否则所述交直流电能路由器的运行为并网模式；
在孤网模式下：当所述交直流电能路由器提供的电能高于所述直流负载和所述交流负载的预设电能时，所述控制器控制所述储能装置充电；当所述交直流电能路由器提供的电能低于所述直流负载和所述交流负载的预设电能时，所述控制器控制所述储能装置放电，所述交直流电能路由器提供的电能包括所述直流负载接口处获得的电能。
可选的，所述交直流电能路由器还包括交流电源接口，所述交流电源接口分别与所述双向DC/AC变流器的交流侧以及所述交流母线连接。
可选的，所述控制器对检测到的所述交流母线的电压和电流进行分析，并根据分析结果控制所述双向DC/AC变流器中三极管的通断，以维持所述交流母线电压和频率的稳定。
可选的，所述直流电源接口连接直流电源；所述控制器根据所述直流电源端口的电压和电流将所述直流电源控制在最大功率跟踪模式下运行。
可选的，所述控制器控制所述第一DC/AC换流器将所述直流电源的电压升高到直流母线电压，以将所述直流电源产生的电能送到所述直流母线侧。
可选的，所述控制器根据从所述第二DC/DC换流器的低压端采集的电压和电流来控制所述储能装置的充电和放电。
可选的，所述直流电源接口连接光伏发电***。
可选的，所述交流电源接口连接风力发电***。
可选的，所述储能装置为蓄电池。
可选的，所述控制器为DSP芯片。
根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：本发明一种含分布式电源接入的交直流电能路由器存在孤网和并网两种运行模式，在孤网模式下：当交直流电能路由器提供的电能高于直流负载和交流负载的预设电能时，控制器控制储能装置充电；当交直流电能路由器提供的电能低于直流负载和交流负载的预设电能时，控制器控制储能装置放电，交直流电能路由器提供的电能包括直流负载接口处获得的电能；通过储能装置的充放电来控制直流负载和交流负载的电压，来维持直流负载和交流负载的稳定运行，减少输出功率的扰动，提高为用户提供电能的质量。
另外，本发明只有在孤网运行的模式下对储能装置进行充放电，减少了储能装置的使用次数，延长了储能装置的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器结构示意图；
图2为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器内部详细结构示意图；
图3为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器在孤网模式下的结构示意图；
图4为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器控制结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，通过储能装置的充放电来控制直流负载和交流负载的电压，来维持直流负载和交流负载的稳定运行，减少输出功率的扰动，提高为用户提供电能的质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，图1为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器结构示意图，图2为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器内部详细结构示意图，如图1-2所示，交直流电能路由器包括第一DC/DC换流器1、第二DC/DC换流器2、双向DC/AC变流器3、储能装置4、直流负载接口5、直流电源接口6和控制器。
直流负载接口6分别与第一DC/DC换流器1的高压端、第二DC/DC换流器2的高压端以及双向DC/AC变流器3的直流侧连接，第一DC/DC换流器1的低压端与直流电源接口6连接，第二DC/DC换流器2的低压端与储能装置4连接，双向DC/AC变流器3的交流侧并入交流母线10，市电电网8并入交流母线10，交流母线10为交流负载提供电能；交流母线10为交流220V母线，在大多数民用负载为交流负载的情况下便于普通住户居民使用。
若市电电网8发生故障或提供的电能低于直流负载和交流负载运行的预设电能时，控制器控制断开交流母线10与市电电网8的连接，交直流电能路由器的运行进入孤网模式，否则交直流电能路由器的运行为并网模式。
对于本发明进入孤网模式的判断，本发明交直流电能路由器的结构设计，具有孤岛检测功能，具体为采用主动检测方式，通过控制双向DC/AC变流器3，将双向DC/AC变流器3采样得到的交流侧的输出功率、频率或相位送给控制器，正常工作时，由于市电电网8的平衡作用，检测不到上述输出功率、频率或相位的扰动，一旦市电电网8出现故障，双向DC/AC变流器3输出的扰动将快速累积并超出允许范围，通过控制器内部的程序计算从而发出孤岛信号，其中图2中Udc表示直流母线9侧电压，PSDC表示直流电源接口6处输出功率，PLDC表示直流负载接口处功率，PDC_AC表示向DC/AC变流器3交流侧输出功率。
图3为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器在孤网模式下的结构示意图，图4为本发明实施例含分布式电源接入的交直流电能路由器控制结构示意图，如图3-4所示，在孤网模式下：当交直流电能路由器提供的电能高于直流负载和交流负载的预设电能时，控制器控制储能装置4充电；当交直流电能路由器提供的电能低于直流负载和交流负载的预设电能时，控制器控制储能装置4放电，交直流电能路由器提供的电能包括直流负载接口5处获得的电能。
交直流电能路由器还包括交流电源接口7，交流电源接口7分别与双向DC/AC变流器3的交流侧以及交流母线10连接。
控制器对检测到的交流母线10的电压和电流进行分析，并根据分析结果控制双向DC/AC变流器3中三极管的通断，以维持交流母线10电压和频率的稳定。双向DC/AC变流器3直流侧连接直流母线9，交流侧连接220V交流母线10，功率Pg可双向流动。在孤网模式下，双向DC/AC变流器3采用V/f控制策略，给交流母线10提供电压和频率支撑，双向DC/AC变流器3的直流侧功率由直流电源功率、直流负载功率和储能装置4充放电功率共同平衡；在并网模式下，双向DC/AC变流器3为直流负载提供功率和电压的支撑。
直流电源接口5连接直流电源；控制器根据直流电源端口的电压和电流将直流电源控制在最大功率跟踪模式下运行。
控制器控制第一DC/AC换流器1将直流电源的电压升高到直流母线9的电压，以将直流电源产生的电能送到直流母线9侧。
控制器根据从第二DC/DC换流器2的低压端采集的电压和电流来控制储能装置4的充电和放电。第二DC/DC换流器2的高压侧连接直流母线9，低压侧连接储能装置4，用于实现储能装置4进行双向充放电，在孤网运行模式下，储能装置4用于平衡双向DC/AC变流器3直流侧的功率和电压，在并网运行模式下，储能装置4作为备用电源；储能装置4只在孤网运行状态下使用，延长储能装置4的使用寿命。
直流电源接口5连接光伏发电***。
交流电源接口6连接风力发电***。
储能装置4为蓄电池。
储能装置4提供功率支撑和后备电源的作用，储能装置4通过第二DC/DC换流器2连接到直流母线9上，直流负载通过直流负载接口5连接到直流母线9上，同时交流电源接口7将风力等交流分布式电源接入。直流母线9通过交直流电能路由器内部的双向DC/AC变流器3通过交流负载接口7连接到交流母线10上。
控制器为DSP芯片11，本发明将第一DC/DC换流器1、第二DC/DC换流器2和双向DC/AC变流器3的控制都集成在DSP芯片11上，做到了设备的集成化，使控制更加简单高效。
连接直流电源的第一DC/DC换流器1和连接直流负载的第二DC/DC换流器2通过一个DSP芯片11进行控制，将采样得到的电压电流值经过信号传送给DSP芯片11，经过DSP内部程序的运算，再将由DSP生成的脉宽调制PMW波传送给第一DC/DC换流器1和第二DC/DC换流器2中的绝缘栅双极型晶体管IGBT以到达控制的目的，其中，PMW波通过信号连接线连接到IGBT的触发端，PWM波就是一组具有高低电位的方波，高电位时IGBT导通，低电位时IGBT关断。直流电源采用最大功率追踪控制策略，直流负载通过电压电流双闭环控制其端口电压的稳定。双向DC/AC变流器3的也通过DSP芯片11进行控制，通过控制DSP生成的PWM波来控制IGBT的通断。
本发明公开的交直流电能路由器为交流分布式电源提供接口，通过相应的控制策略进行控制。例如，相应的控制策略为：交流电源接口接入风力发电***时，控制交流电源接口处的入围功率为单位功率因数，大小为PSAC且随自然环境因素变换而变化(如风力发电采用最大功率追踪时，PSAC的大小随风速变化而变化)。
基于上述工作过程，本发明交直流电能路由器在并网工况下，接受交流大电网、光伏和风电的分布式能源输入的电能，并将电能分配给交流负载和直流负载，以维持交流负载和直流负载的电压稳定。
本发明公开的交直流电能路由器相对于现有的电能路由器设计，优点在于成本较低，控制方法灵活，适合于小功率的普通用户使用。
本发明公开的交直流电能路由器可以为家庭各种交直流用电、发电设备提供即插即用接口，通过第一DC\DC换流器为光伏电源和直流负载提供接口，同时预留交流电源接口用于接入风力等分布式能源，又为连接交流220V市电提供接口，因此各种交直流设备都可以即插即用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述交直流电能路由器包括直流负载接口、直流电源接口、第一DC/DC换流器、第二DC/DC换流器、双向DC/AC变流器、储能装置和控制器；
所述直流负载接口分别与所述第一DC/DC换流器的高压端、所述第二DC/DC换流器的高压端以及所述双向DC/AC变流器的直流侧连接，所述第一DC/DC换流器的低压端与所述直流电源接口连接，所述第二DC/DC换流器的低压端与所述储能装置连接，所述双向DC/AC变流器的交流侧并入交流母线，市电电网并入交流母线，所述交流母线为交流负载提供电能；
若所述市电电网发生故障或提供的电能低于直流负载和所述交流负载运行的预设电能时，所述控制器控制断开所述交流母线与所述市电电网的连接，所述交直流电能路由器的运行进入孤网模式，否则所述交直流电能路由器的运行为并网模式；
在孤网模式下：当所述交直流电能路由器提供的电能高于所述直流负载和所述交流负载的预设电能时，所述控制器控制所述储能装置充电；当所述交直流电能路由器提供的电能低于所述直流负载和所述交流负载的预设电能时，所述控制器控制所述储能装置放电，所述交直流电能路由器提供的电能包括所述直流负载接口处获得的电能。
2.根据权利要求1所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述交直流电能路由器还包括交流电源接口，所述交流电源接口分别与所述双向DC/AC变流器的交流侧以及所述交流母线连接。
3.根据权利要求1所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述控制器对检测到的所述交流母线的电压和电流进行分析，并根据分析结果控制所述双向DC/AC变流器中三极管的通断，以维持所述交流母线电压和频率的稳定。
4.根据权利要求3所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述直流电源接口连接直流电源；所述控制器根据所述直流电源端口的电压和电流将所述直流电源控制在最大功率跟踪模式下运行。
5.根据权利要求4所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述控制器控制所述第一DC/AC换流器将所述直流电源的电压升高到直流母线电压，以将所述直流电源产生的电能送到所述直流母线侧。
6.根据权利要求3所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述控制器根据从所述第二DC/DC换流器的低压端采集的电压和电流来控制所述储能装置的充电和放电。
7.根据权利要求1所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述直流电源接口连接光伏发电***。
8.根据权利要求2所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述交流电源接口连接风力发电***。
9.根据权利要求1所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述储能装置为蓄电池。
10.根据权利要求1所述的含分布式电源接入的交直流电能路由器，其特征在于，所述控制器为DSP芯片。
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