一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法，涉及能量路由器、分层控制、功率共享领域。首先，针对风能、太阳能、储能和利用的多端口需求，本发明专利技术提出了一种九端口能源路由器，以提高可再生能源的消耗和供电的灵活性。此外，为了减小能量路由器的体积，通过嵌入集成的电力电子转换器构建非隔离的交直流混合拓扑结构，实现了能量路由器的小型化。为了提高可再生能源利用率，提出了对能源路由器各部件进行分布式模块控制，为系统提供电压和频率支持，实现分布式电源的功率共享。在此基础上，提出了三模式开关功率交换控制，以保证复杂条件下的全局能量流平衡。以保证复杂条件下的全局能量流平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法


[0001]本专利技术涉及能量路由器、分层控制、功率共享领域；尤其涉及一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，智能家居以其安全、方便、舒适、环保的生活理念得到了大力推广。随着智能家居趋势的发展和家庭自动化水平的提高，智能家居中电器的广泛使用导致住宅能耗的急剧上升。根据美国能源情报署2020年的统计，住宅建筑的能耗已达到总能耗的22％，但可再生能源在住宅建筑总能耗中所占的比例仅为12％。随着智能家庭数量的快速增长，化石燃料的占有很难满足未来的能源需求。
[0003]为了缓解上述矛盾，众多学者对智能家居的家庭能源管理进行了研究。有的学者考虑节能与舒适生活体验之间的平衡，建立了智能家居节能的多目标混合非线性规划模型。有的学者提出了一种随机动态规划框架，用于智能家居的最优能量管理。有的学者开发了一种基于模糊的启发式优化控制器，降低了设备的功耗。一些学者提出了一种基于自主能量管理的优化方案，以减少峰值负荷时间。然而，现有的智能家居能源管理研究大多侧重于优化策略，而非能源调度硬件设备。从住宅能源管理的角度来看，智能家居迫切需要一种名为“能源路由器”的硬件设备来实现多种能源的分配、存储、转换和利用。
[0004]能源路由器的拓扑设计应结合智能家居的实际需求进行具体设计。从住宅能源供应方面，能源路由器实现了风能、太阳能和储能的整合，通过将本地可再生能源发电直接纳入智能家庭能源网络，可以提高可再生能源的消耗。从住宅能源利用方面来看，智能家居中出现了各种各样的新型电器，从小型电源传感器到高压直流电动汽车充电桩。为了减少电源适配器的数量，可以在能源路由器内配置多个电源转换器，以增强电源供应的灵活性。鉴于智能家居的能源供给侧和利用侧的需求，多端口设计对于能源路由器的拓扑结构尤为重要。然而，由于多端口设计，不可避免地提高了电压电平转换和电能形式的难度。传统供电系统的电压转换和能量转换依赖于隔离变压器，隔离变压器的存在增大了供电设备的体积。显然，对于空间有限的智能家居是不利的。针对智能家居中风能、太阳能、存储和利用的实际需求，能源路由器的拓扑结构应具有多端口、小体积的特点。
[0005]在变负荷和间歇可再生电源的情况下，如果没有针对能量波动和功率不平衡的控制策略，能量路由器很难实现完全自主。为了解决这一问题，让家用电器按照不同的优先级进行调度，以需求响应为主导因素。然而，基于电器方面的电力调度削弱了使用的灵活性，使得居民用户的“即插即用”实现变得困难。一些学者研究了一些特定的拓扑结构。直流网络中的存储被视为电压源来调节母线电压，交流网络中的存储被视为电流源来保持供需平衡。但当存储设备出现故障时，这个系统严重依赖能量储存极容易崩溃。于是采用了监控管理方案，上级能量管理系统(EMS)通过通信网络向下级电路发出功率命令。通过对分布式电源输出功率的监控和管理，降低了系统对储能的依赖。但在通信链路故障时，该控制方案会降低系统冗余度。因此，针对上述方法的不足，可以采用下垂控制来调节系统的电压和频
率。这种控制方法独立于通信链路和复杂的控制算法，方便了负载的“即插即用”和分布式电源的扩展。对于特定的交直流混合微电网，双下垂控制实现了直流网络和交流网络之间的功率共享。类似地，双下垂控制也可应用于能量路由器的管理。但事实上，由于家庭电网脆弱的特点，当负载和电源发生变化时，能量路由器更容易出现功率不平衡，这将提高系统能量管理的复杂性。采用多模式管理是一种可行的策略。结合实际运行情况，系统通过多模式切换控制能量流，实现全局功率平衡。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法。
[0007]一种基于多模式分层管理策略的能量路由器包括：可再生能源输入端口、负载输出接口、储能双向接口、直流母线、交流母线、分布式电源DS母线、两级互连转换器IC1、两级互连转换器IC2；
[0008]可再生能源输入端口包括风力发电输入系统、光伏发电输入系统、直流分布式电源三部分；
[0009]光伏发电输入系统与直流母线相连；储能双向接口与直流母线相连；直流母线通过两级互连转换器IC2与分布式电源DS母线一端相连；分布式电源DS母线另一端通过两级互连转换器IC1与交流母线一端相连；交流母线另一端与风力发电输入系统相连；
[0010]风力发电输入系统由塔架、发电机、齿轮增速器、变桨偏航系统、桨叶、联轴器、电控系统、DC/AC变换器a组成；其中，塔架一端连接发电机一端；齿轮增速器一端连接发电机另一端，变桨偏航系统连接在桨叶上作为控制桨叶的控制系统，桨叶一端通过联轴器连接在塔架另一端，桨叶另一端连接DC/AC变换器a一端，DC/AC变换器a另一端连接交流母线；
[0011]光伏发电输入系统由光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池、DC/DC变换器a组成；其中，光伏组件一端连接逆变器一端，逆变器另一端连接控制器一端，控制器另一端连接蓄电池一端，蓄电池另一端连接DC/DC变换器a一端，DC/DC变换器a另一端连接直流母线；
[0012]直流分布式电源由可调度直流电源和DC/DC变换器c构成，其中DC/DC变换器c一段连接可调度直流电源，另一端连接直流母线；
[0013]负载输出接口包括三相交流输出，家用直流输出，低压单相交流输出，低压直流输出，高压直流输出、DC/AC变换器b、DC/DC变换器b；
[0014]三相交流输出接口直接从交流母线引出，作为大功率三相电器的电源；家用直流输出接口直接从直流母线输出，低压单相交流接口通过DC/AC变换器b从直流母线获得，分别满足直流家电和交流家电的供电要求；为了减少传感器设备的电源适配器数量，从直流母线通过DC/DC变换器b配置低压直流接口；另外，考虑到电动汽车的使用越来越广泛，从分布式电源DS母线引出高压直流接口，为直流充电桩供电；
[0015]储能双向接口由电池储能单元battery Energy storage unit,BESU，DC/DC变换器c共同构成；电池储能单元一端连接DC/DC变换器c一端，DC/DC变换器c另一端与直流母线相连；
[0016]由于光伏发电输入系统与风力发电输入系统发电量变化较大，因此储能双向接口中电池储能单元有4种能量共享工作模式，如下所示：
[0017]工作模式1：光伏发电和风力发电功率均过饱和；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用直流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC2流向高压直流输出接口，流向DC/DC变换器c，流向电池储能单元，进行能量存储；功率由风力发电流向DC/AC变换器a，流向低压单相交流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC1流向高压直流输出接口，流向DC/DC变换器c，流向电池储能单元；
[0018]工作模式2：光伏发电过饱和，风力发电不满足供电需求；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多模式分层管理策略的能量路由器，其特征在于，具体包括：可再生能源输入端口、负载输出接口、储能双向接口、直流母线、交流母线、分布式电源DS母线、两级互连转换器IC1、两级互连转换器IC2；可再生能源输入端口包括风力发电输入系统、光伏发电输入系统、直流分布式电源三部分；光伏发电输入系统与直流母线相连；储能双向接口与直流母线相连；直流母线通过两级互连转换器IC2与分布式电源DS母线一端相连；分布式电源DS母线另一端通过两级互连转换器IC1与交流母线一端相连；交流母线另一端与风力发电输入系统相连；负载输出接口包括三相交流输出，家用直流输出，低压单相交流输出，低压直流输出，高压直流输出、DC/AC变换器b、DC/DC变换器b；三相交流输出接口直接从交流母线引出，作为大功率三相电器的电源；家用直流输出接口直接从直流母线输出，低压单相交流接口通过DC/AC变换器b从直流母线获得，分别满足直流家电和交流家电的供电要求；为了减少传感器设备的电源适配器数量，从直流母线通过DC/DC变换器b配置低压直流接口；从分布式电源DS母线引出高压直流接口，为直流充电桩进行供电；储能双向接口由电池储能单元battery Energy storage unit,BESU，DC/DC变换器c共同构成；电池储能单元一端连接DC/DC变换器c一端，DC/DC变换器c另一端与直流母线相连。2.根据权利要求1所述的一种基于多模式分层管理策略的能量路由器，其特征在于，所述风力发电输入系统由塔架、发电机、齿轮增速器、变桨偏航系统、桨叶、联轴器、电控系统、DC/AC变换器a组成；其中，塔架一端连接发电机一端；齿轮增速器一端连接发电机另一端，变桨偏航系统连接在桨叶上作为控制桨叶的控制系统，桨叶一端通过联轴器连接在塔架另一端，桨叶另一端连接DC/AC变换器a一端，DC/AC变换器a另一端连接交流母线；光伏发电输入系统由光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池、DC/DC变换器a组成；其中，光伏组件一端连接逆变器一端，逆变器另一端连接控制器一端，控制器另一端连接蓄电池一端，蓄电池另一端连接DC/DC变换器a一端，DC/DC变换器a另一端连接直流母线；直流分布式电源由可调度直流电源和DC/DC变换器c构成，其中DC/DC变换器c一段连接可调度直流电源，另一端连接直流母线。3.根据权利要求1所述的一种基于多模式分层管理策略的能量路由器，其特征在于，储能双向接口中电池储能单元有4种能量共享工作模式，如下所示：工作模式1：光伏发电和风力发电功率均过饱和；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用直流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC2流向高压直流输出接口，流向DC/DC变换器c，流向电池储能单元，进行能量存储；功率由风力发电流向DC/AC变换器a，流向低压单相交流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC1流向高压直流输出接口，流向DC/DC变换器c，流向电池储能单元；工作模式2：光伏发电过饱和，风力发电不满足供电需求；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用直流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC2流向高压直流输出接口，流向DC/DC变换器c，流向电池储能单元，进行能量存储；功率由风力发电流向DC/AC变换器a，流向低压单相交流输出接口，全部流向负载接口；功率从电池储能单元通过DC/AC变换器c流向低压单相交流输出接口，流向负载接口；
工作模式3：光伏发电不满足供电要求，风力发电过饱和；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用直流输出接口，全部流向负载接口；功率由风力发电流向DC/AC变换器a，流向低压单相交流输出接口，一部分流向负载接口，另一部分通过两级互连转换器IC1流向高压直流输出接口，流向电池储能单元；功率由电池储能单元通过DC/DC变换器c流向家用直流输出接口，流向负载接口；工作模式4：光伏发电与风力发电均不满足供电需求；功率由光伏发电流向DC/DC变换器a，流向家用直流输出接口，全部流向负载接口；功率由风力发电流向DC/AC变换器a，流向低压单相交流输出接口，全部流向负载接口；功率从储能电池通过DC/AC变换器c流向家用交流母线，流向负载接口；功率由电池储能单元通过DC/DC变换器c流向家用直流输出接口，流向负载接口。4.根据权利要求1所述的一种基于多模式分层管理策略的能量路由器的控制方法，其特征在于，光伏发电输入系统中的控制器作为能量路由器的一部分，包含控制器分层管理策略，实现能量路由器的自主运行；控制器分层管理策略包括第一层分布式模块控制和第二层电力调度控制；分布式模块控制，包括分布式电源和负载输出接口的局部功率共享LPS，交直流两级互连转换器IC1和IC2的全体功率共享GPS，电池储能单元的储能功率共享SPS；实现分布式电源之间的功率共享，并提供电压和频率调节；通过对控制器分层管理策略的分析，得到能量路由器分层控制的总体结构；实现对一种基于多模式分层管理策略的能量路由器的控制。5.根据权利要求4所述的一种基于多模式分层管理策略的能量路由器的控制方法，其特征在于，分布式模块对风力发电输入系统进行控制具体如下：将下垂控制应用于风力发电输入系统，以调节交流频率和P
‑
F，Q
‑
E下垂特性；具体公式如下：f＝f
*
+m
x
P
wind_x
，E＝E
*
+n
x
Q
wind_x
，其中，f*指参考频率，E*指参考电压；P
wind_x
，Q
wind_x
分别指第X次风机的有功输出和无功输出，m
x
指P
‑
f控制的下垂系数，n
x
指Q
‑
E控制的下垂系数；f
min
和f
max
分别表示交流母线最大允许频率和最小允许频率，E
max
和E
min
分别表示交流母线最大允许电压和最小允许电压；通过这种下垂控制方法，多台风力发电输入系统组共享交流网的有功功率，即其最大功率容量占交流侧总需求的比例，如下公式：其中，表示第x次风机输出的额定功率；风机即风力发电输入系统。6.根据权利要求4所述的一种基于多模式分层管理策略的能量路由器的控制方法，其特征在于，分布式模块对直流分布式电源的控制具体如下：根据有功功率调度，可将直流分布式电源分为可调度直流分布式电源和不可调度直流
分布式电源；可调度直流分布式电源调节直流母线电压，光伏发电输入属于不可调度的直流分布式电源，视为负功率负荷；为了提高太阳能的利用率，光伏发电输入采用最大功率点跟踪控制MPPT；可调度直流分布式电源的控制采用P
‑
V下垂控制；对于第n个直流分布式电源，P
‑
V下垂控制方程可如下表示：其中，V
*dc
表示标准参考电压，P
dc_y
是第y个直流DG输出的有功功率，d
y
是P
‑
V下垂控制的负下垂系数，V
max
和V
min
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊琦，王睿，汪翔，马大中，孙城皓，姜韶旭，孙秋野，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：