家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略制造技术

本发明专利技术涉及一种家庭型能源局域网的能源路由器，包括控制器、固态变压器和多个接口，接口分别连接主网和家庭能源局域网中的分布式电源、储能装置和负荷，控制器调节固态变压器的电压，固态变压器为双向结构，包括依次连接的输入级高压三相整流器、隔离级DC/DC变换器和输出级低压三相逆变器，DC/DC变换器为双向对称结构，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和单向桥式全控整流电路，单相全桥逆变电路将主网的高压直流电逆变为高频方波，然后通过高频变压器实现副边降压，再经单向桥式全控整流电路输出至低压直流母线，低压直流母线通过低压三相逆变器连接家庭能源局域网。与现有技术相比，本发明专利技术优化了能源配置，丰富电能流动，具有良好的应用前景。

Energy router and control strategy of home energy local area network

The invention relates to an energy router family type energy networks, including controller, solid state transformer and multiple interfaces, interfaces are respectively connected with distributed power supply, power grid and home energy LAN storage device and load voltage controller solid state transformer, solid state transformer for two-way structure, including input high voltage, three-phase rectifier connection the isolated DC/DC converter and the output stage of low-voltage three-phase inverter, DC/DC converter for two-way symmetrical structure, including single-phase full bridge inverter circuit, high-frequency transformer and one-way rectifier circuit, the single-phase full bridge inverter circuit high voltage DC inverter grid for high frequency square wave, and then through the implementation of high frequency transformer secondary side pressure after a single output full bridge controlled rectifier circuit to the low voltage DC bus voltage, DC bus through low-voltage three-phase Inverters connect home energy lans. Compared with the prior art, the invention optimizes the energy distribution and enriches the flow of electric energy, and has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种面向能源互联网的能源路由器，尤其是涉及一种家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略。
技术介绍
化石能源的日益枯竭，全球环境的迅速恶化，世界气候的急剧变化以及电力电子与计算机信息技术的快速发展，使可再生能源得到大力发展，如风能、太阳能、潮汐能等。为了最高限度地提高可再生能源的利用率，基于电力电子变换器的分布式发电技术、微电网技术、智能电网技术等得到了深入研究和广泛应用，可再生能源将成为人类社会未来的主体能源。又因存储量持续减少的化石能源已不能满足快速增长的能源需求，传统以化石能源为主体的全球能源结构不再适应社会的发展。为了充分发挥可再生能源的利用潜能，提高各类用户参与市场调节的能力，一种新的能源结构应运而生，即能源互联网(energyinternet)。家庭能源局域网(residentialenergylocalnetwork，RELN)作为能源互联网的一种构成要素，其数量多，分布广，拥有能源局域网系统的典型特征，因此对家庭能源局域网的研究十分必要。作为能源互联网中能源传输与转换的枢纽—能源路由器(energyrouter，ER)，也成为各国学者研究的热点。ER作为能源互联网的核心设备，具有以下特点：1)其不仅能够实现变压功能，还提供了各种电能形式的标准化接口，能实现包括分布式发电装置在内的各种交直流电力设备的接入；2)能够对各端口的电压电流进行实时控制，实现能量管理、潮流调度等电网需求；3)动态特性良好，具有应对短路故障、完成低压穿越等功能；4)可轻松完成电网数据的采集，为更大范围内能源互联网的运行策略提供大数据依据。能源路由器的核心为固态变压器(solidstatetransformer，SST)，它是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。因为采用了中高频的电力电子器件，因此可以极大程度减小变压器的体积和重量。而在功能上除了可以实现传统电网变压器对于电能隔离、转换、传输的基础功能外，还可以对输入输出的电压电流进行调整，提高电能质量；同时电力电子变压器也可以兼有自检测、自诊断、自保护以及联网通讯等功能。由于家庭能源局域网的可再生能源自身的间歇性和波动性特征，使分布式可再生能源、储能和负荷间的协调控制问题变得至关重要。这一问题的解决有助于实现家庭能源局域网中高质量电能的无障碍共享，也有助于实现家庭能源局域网和主网间的实时能量信息交换，从而保证主网和家庭能源局域网的安全、稳定运行。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使家庭型能源局域网与主网协调控制、优化能源配置的能源路由器及控制策略。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种家庭型能源局域网的能源路由器，包括控制器、固态变压器和多个接口，所述的接口分别连接主网和家庭能源局域网中的分布式电源、储能装置和负荷，所述的控制器调节固态变压器的电压以实现各接口间电流的有向流动，所述的固态变压器为双向结构，包括依次连接的高压三相整流器、DC/DC变换器和低压三相逆变器，所述的DC/DC变换器为双向对称结构，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和单向桥式全控整流电路，所述的单相全桥逆变电路将主网的高压直流电逆变为高频方波，然后通过高频变压器实现副边降压，再经单向桥式全控整流电路输出至低压直流母线，低压直流母线通过低压三相逆变器连接家庭能源局域网，实现逆变、整流无相角差控制，降低高频变压器损耗。分布式电源包括风力发电机、光伏发电机，通过即插即用接口接入能源路由器。所述的家庭型能源局域网的能源路由器的工作模式分为并网模式和离网模式。所述的并网模式包括：能量供给模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率PDG大于总负荷功率Pload，多余电能经能源路由器逆变输出至主网，家庭能源局域网向主网输送的功率Pgrid为：Pgrid＝PDG-Pload；这种模式下家庭能源局域网中的用户可看作电能的生产者，将多余的电能反向卖给主网，以获得最大利益。能量消费模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率PDG小于总负荷功率Pload，主网向家庭能源局域网提供不足部分的电能，主网向家庭能源局域网输送的功率P′grid为：P′grid＝Pload-PDG。这种模式下家庭能源局域网中的用户可看作电能的消费者。所述的离网模式包括：分布式电源MPPT运行模式，分布式电源工作于MPPT方式，以最大利用新能源，储能装置通过充放电维持直流母线电压的恒定，储能装置的功率为：Pstorage＝Pload-PDG在这种模式中，若储能装置放电功率达到限值而分布式发电小于总负荷功率，一部分非关键负荷被切除以维持直流母线电压的恒定；分布式电源降功率运行模式，储能装置电量达到最大限值后，分布式电源降功率运行，总发电功率等于总负荷功率，维持直流母线电压的恒定，PDG＝Pload。一种所述的能源路由器的控制策略，包括固态变压器输入级控制策略，具体为：采用电压电流双闭环控制高压三相整流器，令q轴电流参考值为0，实现单位输入功率因数。所述的控制策略还包括固态变压器中间级控制策略，具体为：分别采用PWM控制DC/DC变换器中的单相全桥逆变电路和单向桥式全控整流电路，单相全桥逆变电路的PWM触发脉冲与单向桥式全控整流电路的PWM触发脉冲存在移相角差δ，此时DC/DC变换器传输功率P0满足下式：其中，Udc为高压侧输出直流电压，Udc-low为低压侧输出直流母线电压，L为高频变压器的漏感，fH为开关频率。中间隔离级的控制目标为输出恒定的低压直流，由上式可见，在传输功率一定，高压侧电压值恒定，漏感和开关频率都已设定好的情况下，通过控制移相角δ，即可控制低压侧输出直流电压。控制手段为PI控制。同时可知，当δ>0时能量正向流动，即电能从电网流向家庭能源局域网，当δ<0时能量反向流动，即电能从家庭能源局域网流入电网，实现能量的双向流动。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)来自不同可再生能源的电能通过相应的变换器注入低压直流母线，能够实现风-光-储和主网之间的互补。这能有效降低由可再生能源发电随机性给电网带来的挑战，实现本地电能的生产和消耗，并提高新能源功率输出。(2)即插即用性：标准化的即插即用接口，能够快速识别不同电气特性的接入设备，利用分布式电源设备的机侧变流侧接入，由能源路由器统一并网控制，灵活应对不同电压等级、不同频率的分布设备的接入，使用灵活方便。(3)双向性：用户端对于电网既可以是消耗能量的用户，也可以是提供能量的电源。双向拓扑设计能够实现电能的双向流动，更有利于实现用户利益最大化。(4)能源路由器的硬件拓扑因模块化而容易扩展：所设计的能源路由器便采用模块化设计，每个模块完成特定的功能。能源路由器的固态变压器模块能实现低压直流母线的模块化接入。比如潮汐能、生物质能可以通过扩展的系统模块接入能源路由器。(5)精确负荷分类：负荷分别通过相应的直流接口、三相或单相接口接入能源路由器。能源路由器的电能接口模块将提供多种可供选择的电能接口，包括直流600V、直流48V、三相交流380V、单相交流220V等。同时每个端口根据需要将具备能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种家庭型能源局域网的能源路由器，包括控制器、固态变压器和多个接口，所述的接口分别连接主网和家庭能源局域网中的分布式电源、储能装置和负荷，所述的控制器调节固态变压器的电压以实现各接口间电流的有向流动，其特征在于，所述的固态变压器为双向结构，包括依次连接的输入级高压三相整流器、隔离级DC/DC变换器和输出级低压三相逆变器，所述的DC/DC变换器为双向对称结构，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和单向桥式全控整流电路，所述的单相全桥逆变电路将前级整流环节输出高压直流电逆变为高频方波，然后通过高频变压器实现副边降压，再经单向桥式全控整流电路输出至低压直流母线，低压直流母线通过低压三相逆变器连接家庭能源局域网。

【技术特征摘要】
1.一种家庭型能源局域网的能源路由器，包括控制器、固态变压器和多个接口，所述的接口分别连接主网和家庭能源局域网中的分布式电源、储能装置和负荷，所述的控制器调节固态变压器的电压以实现各接口间电流的有向流动，其特征在于，所述的固态变压器为双向结构，包括依次连接的输入级高压三相整流器、隔离级DC/DC变换器和输出级低压三相逆变器，所述的DC/DC变换器为双向对称结构，包括单相全桥逆变电路、高频变压器和单向桥式全控整流电路，所述的单相全桥逆变电路将前级整流环节输出高压直流电逆变为高频方波，然后通过高频变压器实现副边降压，再经单向桥式全控整流电路输出至低压直流母线，低压直流母线通过低压三相逆变器连接家庭能源局域网。2.根据权利要求1所述的一种家庭型能源局域网的能源路由器，其特征在于，其工作模式分为并网模式和离网模式。3.根据权利要求2所述的一种家庭型能源局域网的能源路由器，其特征在于，所述的并网模式包括：能量供给模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率PDG大于总负荷功率Pload，多余电能经能源路由器逆变输出至主网，家庭能源局域网向主网输送的功率Pgrid为：Pgrid＝PDG-Pload；能量消费模式，分布式电源工作于MPPT方式，分布式电源总发电功率PDG小于总负荷功率Pload，主网向家庭能源局域网提供不足部分的电能，主网向家庭能源局域网输送的功率Pg'rid为：Pg'rid＝Pload-PDG。4.根据权利要求2所述的一种家庭型能源局域网的能源路由器，其特征在于，所述的离网模...

【专利技术属性】
技术研发人员：米阳，刘红业，吴彦伟，纪宏澎，符杨，韩云昊，马超，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31