适用于多能源接入的综合能量路由器多端口集成化方法与流程

本发明属于综合能量路由器，涉及一种适用于多能源接入的综合能量路由器多端口集成化方法。

背景技术：

1、随着分布式光伏、储能、风电等可再生能源的规模化部署，分布式发电园区、光储充一体化场站、源网荷储一体化示范工程等场景对承担多类能源接入与能量调配的电力电子枢纽提出了新的要求。综合能量路由器作为该类电力电子枢纽，需要同时支持光伏、储能、风电、电网等异质能源的接入，需要承载交流负载、直流负载和充电桩等多种类型的输出，并需要实现各端口之间的能量调配与控制。

2、现有技术中，多端口能量路由器的端口集成方式大体可归纳为三个工程方向。

3、第一个方向是基于多绕组高频变压器的磁集成多端口能量路由器。专利文献cn106374451b公开了一种基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器及其控制方法，该路由器由四个h桥模块、两个双向buck/boost变换器模块、四个外部串联电感和一个高频四绕组变压器构成。该方向虽然在磁元件层面实现了端口集成，但每个端口仍配置独立的h桥（共4个，每个含4颗功率开关器件），开关器件总数随端口数量线性增加；面向住宅负载场景，对宽电压范围光伏阵列、变频风电、工频电网等异质能源缺少通用接入接口；控制层面侧重源、荷、储之间的能量管理与功率平衡，未针对磁集成本身可能引入的端口耦合或环流问题给出抑制策略。

4、第二个方向是共直流母线加上各端口独立变换器的多端口能量路由器（即多端口变换器共用桥臂思想下的弱共享形式）。专利文献cn116031920a公开了一种多端口电力电子设备的分层能量协调控制策略，该设备包含光伏、风电、储能、并网、交流负载、直流负载六个端口共用一条直流母线，并提出分层能量协调控制策略。该方向各端口仍为独立变换器，仅通过直流母线物理并联，磁元件、开关器件均未在端口之间共享，硬件规模随端口数量线性扩张；协调控制位于能量管理层（如最大功率点跟踪、母线电压恒压、模式切换），不涉及开关级解耦。

5、第三个方向是级联电力电子变压器架构下的多端口能量路由器与即插即用控制方法，即高频隔离母线拓扑。专利文献cn117458605a公开了一种基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法，采用基于级联高频变压器的多端口直流电能路由器，结合下垂控制法实现源荷储即插即用接入。该方向的即插即用接入仍依赖各分布式电源前端的独立电力电子变换器；协调控制采用下垂控制法，依赖直流母线电压作为信息载体，端口拓扑独立，不涉及共享磁路或共享开关桥臂下的端口耦合问题；磁元件数量仍随端口数量增加。

6、此外，专利文献cn102624234b公开了一种全桥三端口直流变换器及其控制方法，在3端口规模上实现了开关器件复用与磁元件复用的双重共享思想，但仅适用于3端口规模，副边为二极管整流不支持双向，未支持交流端口，亦未提出可量化的拓扑集成度设计指标。专利文献cn114244139b公开了一种多绕组高频磁耦合变流器及其功率解耦控制方法，每个端口仍配置独立全桥，未实现开关器件复用。

7、针对异质能源即插即用接入，专利文献cn107171361a公开了一种基于网源荷储协调控制的智能配电站和网源荷储协调控制系统，明确提出分布式电源即插即用接口，包含握手协议、并网模式切换、能量管理策略下发。该现有技术把即插即用作为接口层概念，依赖各分布式电源前端的独立电力电子变换器；仅做接口握手与上层功率指令对接，不做能源类型的物理特征识别（如端口阻抗在1赫兹至100赫兹频段的阻抗特征、伏安特性、荷电状态反馈），亦无法在运行中根据工况变化自动再识别能源类型并切换调制方式。

8、综上，现有技术中，存在如下问题：

9、一，端口分散导致体积过大与独立变换器成本叠加。磁元件共享与开关器件共享被割裂处理，未在同一物理拓扑中同步实现，且未引入可量化的拓扑集成度设计指标，导致端口数量增加时硬件规模线性扩张、功率密度低、扩容成本高；同时缺乏可工程化执行的模块化扩容规则，新增端口时需要从硬件层重新设计而无法在既有拓扑上做增量扩展。根本技术原因是磁集成路径与开关复用路径分属不同的技术演进脉络，磁集成关注变压器多绕组耦合，开关复用关注桥臂分时或多电平复用，两者长期被视为互不交叉的研究方向；现有方案均未把拓扑集成度作为可量化设计目标。

10、二，异质能源接入接口标准化缺失。异质分布式能源（光伏、储能、风电、电网）在电压等级、频率特性、极性、阻抗特征上差异显著，现有即插即用概念在工程实施中仍依赖各能源前端的独立电力电子变换器，未形成可执行的端口探测、能源类型识别、自适应调制映射和端口注册的完整算法链；并且现有识别过程是一次性的，运行中遇到能源工况变化（如光伏阴影遮挡、风电变速、储能荷电状态突变）时无法在线再识别，导致调制策略与实际工况失配。

11、三，多端口环流与功率耦合现象抑制不足。在磁元件共享与开关器件共享同时部署的集成拓扑下，多端口间通过磁路耦合和公共桥臂复用产生双重内部耦合，多能源同时接入时易引发端口间功率耦合与环流；现有解耦方法或者依赖离线小信号线性化模型（如基于固定耦合系数的d-q解耦），或者基于无功功率反馈调节虚拟阻抗，对大扰动工况（如光伏阴影、风电突变、负载阶跃）适配能力不足；同时集成拓扑下磁路均衡控制与端口间功率解耦控制分离设计，两者各自闭环，存在控制目标冲突。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于多能源接入的综合能量路由器多端口集成化方法，解决端口分散与硬件规模线性扩张、异质能源接入接口标准化缺失及多端口环流与功率耦合现象抑制不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于多能源接入的综合能量路由器多端口集成化方法，包括如下步骤：

3、s1，拓扑层集成，在物理拓扑层面将多个端口集成于同一组共享开关桥臂阵列和同一个共享磁元件之上；

4、s1-1，设计共享磁元件多绕组耦合变压器；

5、s1-2，配置共享开关桥臂列阵，分时复用+载波交错；

6、s1-3，设计拓扑复用因子；

7、s1-4，标定kmag,0矩阵断路/开路阻抗反算；

8、s2，接入层集成，在接入层面将异质能源接口标准化为可统一挂接的物理端口；

9、s3，控制层集成，在控制层面将分散的端口控制集成为统一的协调与解耦控制。

10、在s1-1中，共享磁元件为多绕组耦合变压器，多绕组耦合变压器包含至少四个绕组，每一绕组分别与能源输入端口和负载与输出端口中的一个相连，且各绕组绕设于同一磁路上，多绕组耦合变压器具有磁路耦合系数kmag。

11、在s1-2中，共享开关桥臂阵列包括多个公共桥臂，公共桥臂被能源输入端口和负载与输出端口中的至少两个端口以分时复用方式共用；分时复用规则是共享开关桥臂阵列的开关周期tsw划分为nslot个等长时隙，每一时隙分配给一组端口；公共桥臂阵列在载波相位上进行交错调制，使得narm个桥臂的载波相位互差360°/narm度，以平均化磁芯磁通脉动。

12、在s1-3中，多端口集成拓扑核心的拓扑复用因子rf不小于1.5；拓扑复用因子rf，其中nport为综合能量路由器的端口总数，narm为共享开关桥臂阵列中的桥臂总数；当rf取值为1.0时表征每端口独占一桥臂的传统设计；当rf取值为1.5时表征每2个桥臂被3个端口分时共用，是开关器件共享的下边界设计点。

13、在s1-4中，磁路耦合系数kmag中第i个绕组与第j个绕组之间的标称耦合系数kmag,ij,0，通过短路阻抗测试与开路阻抗测试联合反算得到，标定方法构成阶段s1拓扑层集成的步骤化产出，具体地：

14、其中zshort,ij为第j个绕组短路、其余绕组开路条件下从第i个绕组测得的输入阻抗；zopen,ij为所有绕组开路条件下从第i个绕组测得的输入阻抗；sqrt为开平方运算；测量在出厂调试阶段完成，得到一个nw行nw列的对称矩阵kmag,0，其中nw为绕组总数，该矩阵的非对角元素表征端口间的初始磁路耦合度，对角元素恒为1。

15、在s2中，具体包括，

16、s2-1，通过即插即用接入接口采样接入能源输入端口的端口电压、端口频率、端口极性和端口阻抗，并在采样窗口内附加微小注入信号以测量端口阻抗特征的频率响应；

17、s2-2，进行能源类型粗识别；

18、s2-3，根据判定的能源类型，将接入端口的调制方式映射至共享开关桥臂阵列中的对应通道；

19、s2-4，将能源类型、端口电压、端口频率、端口极性、端口阻抗和端口阻抗频率响应特征以一条记录的形式写入端口属性表，完成端口注册；同时把上述特征联合编码为该端口的接入特征向量，存入端口接入特征库；

20、s2-5，运行态再识别。

21、在s2-2中，当端口频率不大于5赫兹且端口极性稳定时，判定能源类型为直流类；当端口频率处于45赫兹至65赫兹范围内时，判定能源类型为交流工频类；当端口频率超出45赫兹至65赫兹范围且时变时，判定能源类型为交流变频类。

22、在s3中，具体包括，

23、s3-1，期望功率指令生成；

24、s3-2，动态解耦矩阵在线生成；基于所述端口属性表与所述磁路耦合系数kmag在线生成解耦矩阵d(t)；

25、s3-3，过解耦矩阵d(t)将期望功率指令pref,i映射为共享开关桥臂阵列中各公共桥臂的占空比和移相角，并叠加磁路均衡补偿指令δφbal以避免磁芯偏磁；

26、s3-4，磁路均衡协同补偿；磁路均衡补偿指令δφbal的生成不仅依赖磁通积分残差，而且依赖解耦矩阵d(t)和期望功率指令pref。

27、在s3中，还包括，

28、s3-5，周期采样各端口实际功率pmeas,i(t)和端口环流icirc；

29、s3-6，虚拟阻抗自适应反馈与反向触发再识别。

30、在s3-6中，判定端口环流icirc与额定电流in之比是否不大于3%，并判定各端口的实际功率pmeas,i(t)与期望功率指令pref,i之间的误差是否在期望功率指令的2%以内；当判定结果为是时，维持当前解耦矩阵d(t)与虚拟阻抗zv进入稳态运行；当判定结果为否时，按自适应映射律动态调整虚拟阻抗zv并返回s3-2。

31、本发明的主要有益效果在于：

32、在同一物理拓扑中同步实现磁元件共享与开关器件共享，并提出可量化的拓扑集成度设计指标与可工程化执行的模块化扩容规则，从而解决端口分散与硬件规模线性扩张的问题。

33、建立端口属性探测、能源类型自识别、自适应调制映射、端口注册的完整算法链，并支持基于历史接入特征的在线再识别，从而解决异质能源接入接口标准化缺失的问题。

34、基于动态磁路耦合系数张量的解耦矩阵在线生成方法以及含磁路均衡协同补偿的虚拟阻抗自适应反馈机制，使解耦控制与磁路均衡形成深度耦合的闭环结构，从而解决多端口环流与功率耦合现象抑制不足的问题。

35、硬件规模次线性扩张，功率密度显著提升，模块化扩容可行；异质能源真正实现即插即用，并支持运行态再识别；在集成拓扑下首次提出了动态磁路耦合系数张量；三阶段闭环耦合产生超越简单加和的整体增益。