一种多功能多端口模块化能量路由器装置的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及了一种多功能多端口模块化能量路由器装置。


背景技术：

2.能量路由器是以电能为核心，汇集和管理了电、燃气、冷、热以及其他形式的能源，实现了能源系统与信息系统的融合，是支撑能源互联网的核心装置。相对集中能源形式而言，电能是最容易控制和转化的能源类型，所以目前对于能量路由器的研究大多限制在电能领域，所研究的能量路由器在本质上是电能路由器。
3.欧洲提出的uniflex.pm项目提出一种背靠背多电平变换器单相结构，开关频率为2khz。该系统可实现功率多向流动、电能质量调节等功能，但是没有提供直流母线，灵活性较差，不利于直流负载、光伏和储能的接入。
4.国内学者也对能量路由器的拓扑结构、性能特点和控制方式进行了研究。阐述了能量路由器对于建设能源互联网的重要性，并在路由协议、能量流动方式、标准化即插即用接口和可扩展性等方面对电能路由器作了简要分析，装置应具备能量协调、电压不平衡治理、谐波治理等功能，并可实现灵活扩容。如中国专利局2017年12月26日公开了一种名称为一种能量路由器及基于该能量路由器的发电控制方法的发明，其公开号为cn107516893a。该发明不仅能在多种端口协同工作时保证了系统的稳定性，也对工作模式做出了合理的设计。本发明提出七接口直流母线能量路由器模型，包括风能、光伏发电、储能、交直流负载、电网和其他能量路由器接口，并针对上述架构设计出能量路由器整体控制策略，包括按需发电及最大限度发电两种工作模式，可以使能量合理传输。但目前用于交直流混合微电网的与电网灵活互动的多功能多端口模块化能量路由器装置目前尚无成品装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供了一种多功能多端口模块化能量路由器装置，本能量路由器主要由并网端口、分布式光伏端口和储能端口组成，每个端口采用模块化设计，便于系统扩容和安装调试，装置同时具备能量协调、电压不平衡治理、谐波治理等功能，能有效改善区域配电网较差的电能质量。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括装置本体，所述装置本体内部设有直流断路器、dcdc功率模块、dcac功率模块以及交流断路器，所述直流断路器与dcdc功率模块连接，所述dcdc功率模块与dcac 功率模块连接，所述dcac功率模块与交流断路器连接，所述装置本体上还设有并网端口、分布式光伏端口和储能端口。为了便于系统扩容和安装调试，每个端口采用模块化设计。基于模块化的多端口路由器系统主要由并网端口、分布式光伏端口和储能端口组成，向上可以连接到配电网，向下可以接纳储能和分布式光伏，中间的直流母线可以接就地负载。
7.作为优选，所述的dcdc功率模块若干个，dcdc功率模块之间互相连接；所述dcac功
率模块有若干个，dcac功率模块之间互相连接。各功率模块具备电压电流采集和运算处理的功能，各自独立运行，通过外特性下垂的方式以及通讯的方式实现系统中各模块均流。
8.作为优选，还包括控制单元，所述控制单元与dcac功率模块组成储能变流器。储能变流器可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电，还可以实现对电网有功功率及无功功率的调节。
9.作为优选，所述dcdc功率模块为三电平buck-boost拓扑结构。本发明中dcdc功率模块需要适应功率的双向流动，需设计成双向dcdc变流器，同时由于负载的多样性，采用三电平buck-boost拓扑结构。采用三电平 buck-boost拓扑结构，具有以下优点：功率器件的耐压只有传统buck-boost 的一半，适用大功率场合，便于器件选型；电压电流纹波小，功率器件能够实现软开关，系统损耗小；三电平输出能满足更多负载的电压需求，还能组成真双极结构。
10.作为优选，所述的dcac功率模块采用三相i型三电平拓扑结构。为了匹配dcdc功率模块的三电平输出特性，dcac功率模块采用三相i型三电平拓扑结构。
11.作为优选，所述的dcac功率模块包括交流侧emi滤波器、交流侧lcl 滤波器、三相i型三电平逆变电路、支撑电容、直流侧emi滤波器以及交直流预充回路，所述直流侧emi滤波器与支撑电容、交直流预充回路连接，所述支撑电容与交直流预充回路、三相i型三电平逆变电路连接，所述三相i 型三电平逆变电路与交直流预充回路、交流侧lcl滤波器连接，所述交流侧 lcl滤波器与交流侧emi滤波器连接。所述直流侧emi滤波器和交流侧emi 滤波器均连接有热插拔端子。交流侧emi滤波器用于滤除逆变电压中的高频分量，减小输出电流中的高次谐波含量，提高电能质量；三相i型三电平逆变电路用于实现交、直流侧能量的转换；支撑电容用于在储能变流器正常工作时起到支撑直流电压的作用；直流侧emi滤波器用于滤除输入电压中的高频纹波，稳定输入电压。各功率模块具备电压电流采集和运算处理的功能，各自独立运行，通过外特性下垂的方式以及通讯的方式实现系统中各模块均流。
12.作为优选，所述的交直流预充回路包括直流预充回路和交流预充回路，所述交流预充回路包括直流放电回路，所述直流预充回路与直流侧emi滤波器、直流放电回路连接，所述交流预充回路与热插拔端子连接。储能变流器启动时完成预充电功能，预充回路通常会串预充电阻，限制预充电时的电流，预充电完成后预充切掉预充回路。
13.作为优选，所述的dcac功率模块还包括并网继电器，所述并网继电器与交流侧emi滤波器、交流侧lcl滤波器连接。并网继电器是一种应用于并网和离网中的继电器线圈的驱动。
14.作为优选，所述的dcdc功率模块包括直流emi滤波器以及igbt模块，所述直流emi滤波器与igbt模块连接，所述igbt模块还连接有热插拔端子。
15.因此，本发明具有如下有益效果：1、提出储能变流器，实现了在并网模式下vsg控制的对有功的精确调节，实现了并离网的无缝切换暂态过程，便于日常运维和增扩容量；2、装置同时具备能量协调、电压不平衡治理、谐波治理等功能，能有效改善区域配电网较差的电能质量；3、每个端口采用模块化设计，便于系统扩容和安装调试。
附图说明
16.图1是本发明的配电网结构示意图；
17.图2是本发明的dcdc功率模块拓扑结构图；
18.图3是本发明的dcac功率模块拓扑结构图；
19.图4是本发明储能变流器虚拟同步发电机控制并网仿真波形；
20.图5是本发明vsg控制策略稳态波形；
21.图6是本发明vsg控制策略并离网无缝切换波形。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
23.本实施例为一种多功能多端口模块化能量路由器装置，其配电网结构如图1所示，包括若干个直流断路器，若干个dcdc功率模块，若干个dcac 功率模块以及若干个交流断路器，所述直流断路器与dcdc功率模块连接，所述dcdc功率模块与dcac功率模块连接，所述dcac功率模块与交流断路器连接，所述dcdc功率模块之间相互连接，所述dcdc功率模块之间相互连接。直流断路器结合了电力电子器件，是用于开断直流回路的断路器，实现直流开断的时刻是电流过零点，能准确的保护蓄电功能、防止自动装置电量过载、短路等故障的发生。直流断路器同时具有限流、灭弧的能力优势，它可以迅速分断直流配电中的故障电流，使差级配合得到很大的提高。dcdc 功率模块用于进行直流变换，可以把不同的电压变换成需要的电压；dcac 功率模块用于进行交直流变换。交流断路器采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠、无燃烧和爆炸危险、免维修、体积小、重量轻和使用寿命长等特点。交流高压断路器是变电所主要的电力控制设备，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。
24.如图2所示，dcdc功率模块为了适应功率的双向流动，需要设计成双向dcdc变流器。最经典的就是具备升降压能力的buck-boost电路拓扑。考虑到负载的多样性，本发明采用三电平buck-boost拓扑，包括：直流emi 滤波器以及igbt模块，所述直流emi滤波器与igbt模块连接，所述igbt 模块还连接有热插拔端子。
25.三电平buck-boost拓扑结构功率器件的耐压只有传统buck-boost的一半，适用大功率场合，便于器件选型；电压电流纹波小，功率器件能够实现软开关，系统损耗小；三电平输出能满足更多负载的电压需求，还能组成真双极结构。
26.为了匹配dcdc功率模块的三电平输出特性，dcac功率模块采用三相i型三电平拓扑结构。如图3所示，dcac功率模块包括交流侧emi滤波器、交流侧lcl滤波器、三相i型三电平逆变电路(dc/ac)、支撑电容、直流侧 emi滤波器以及交直流预充回路，所述直流侧emi滤波器与支撑电容、交直流预充回路连接，所述支撑电容与交直流预充回路、三相i型三电平逆变电路连接，所述三相i型三电平逆变电路与交直流预充回路、交流侧lcl滤波器连接，所述交流侧lcl滤波器与交流侧emi滤波器连接。所述的交直流预充回路包括直流预充回路和交流预充回路，所述交流预充回路包括直流放电回路，所述直流预充回路与直流侧emi滤波器、直流放电回路连接，所述交流预充回路与热插拔端子连接。所述三相i型三电平逆变电路(dc/ac)由若干个igbt元件组成。
27.交流侧lcl滤波器用于滤除逆变电压中的高频分量，减小输出电流中的高次谐波含量，提高电能质量；网侧电抗器可以单独设计或用工频隔离变压器的漏抗等效。三相全桥
逆变电路(dc/ac)实现交、直流侧能量的转换；支撑电容在储能变流器正常工作时起到支撑直流电压的作用；直流侧emi滤波器用于滤除输入电压中的高频纹波，稳定输入电压；交、直流预充回路在变流器启动时完成预充电功能，预充回路通常会串预充电阻，限制预充电时的电流，预充电完成后预充切掉预充回路。
28.为验证装置性能，搭建基于matlab的模块化储能变流器(功率模块数＝2) 仿真平台。模块化储能变流器采用i型三电平全桥拓扑，滤波器采用lcl滤波器，额定功率为50kva。本地控制器由电流环、电压环、pq功率环组成， vsg虚拟输出阻抗设置为2mh。仿真平台的系统参数如下表所示：
29.额定输出2*50kw额定电压380v开关频率20khz变流器l1滤波电感600uh变流器l2滤波电感40uh变流器滤波电容20uf变压器短路容量2500kva变压器x/r比值7
30.图4为模块化储能变流器虚拟同步发电机控制并网仿真波形。在0.1s时，模块化储能变流器以vsg工作方式连接到电网，输出有功功率增加至20kw。由图5可以看出，储能变流器启动平稳，波形质量良好，运行稳定。
31.搭建的实验平台位于区域电网配网末端，频率波动稍大且谐波等电能质量较差，采用虚拟同步发电机vsg控制策略的蓄电池储能变流器稳态运行。实验波形如图5所示，功率指令20kw，频率基准50hz，实际输出20kw。c1、 c2分别为电网电压波形、蓄电池储能变流器并网输出电流，z1、z2分别为 c1、c2的局部放大图。由图5可以看出，由示波器测得的电网电压频率为 50.026hz，c2通道蓄电池储能变流器输出电流在20s内几无波动，储能变流器实现了在并网模式下vsg控制的对有功的精确调节，且能很好的适应由于区域配电网较差的电能质量。
32.采用虚拟同步发电机vsg控制策略的并离网无缝切换实验波形如图6所示，在t1时刻之前并网功率指令20kw，频率基准50hz，实际输出20kw。 c1、c2分别为电网电压波形、蓄电池储能变流器输出电流，z1、z2分别为 c1、c2的局部放大图。t1时刻断开并网开关，由工作在vsg模式的储能变流器带本地负载，从z1、z2可以看出，储能变流器输出电压在t1时刻无突变，很完美的实现了并离网的无缝切换暂态过程，负载由电网与储能变流器同时供电转变为储能变流器单独供电。
33.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。