一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换方法及系统

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换方法及系统。

背景技术

家庭安装太阳能发电系统已成为中国发展分布式太阳能系统的一个主要着力点，而这个系统最主要的功能就是实现能量的准确调度，而实现功率的准确协调，需要一台可靠的“能量路由器”，能量路由器一般由电力电子变换电路和控制电路组成，具备高低压交流接口和直流接口，具有变压、隔离和能量传输功能，实现对能量的协调管理。

大多数能量路由器只有并网模式、离网模式、故障模式和待机模式。当系统的一个模块发生故障时，系统将关闭整个系统，导致光伏发电产生的能量得不到有效利用。传统的能量路由器控制策略没有考虑到系统故障时的控制方法，因此当系统发生故障时，不能再继续运行。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换方法及系统，通过该方法检测每个变换器的运行状态。当某个变换器发生故障时，系统将及时关闭该变换器，使剩余的变化器继续工作，维持系统母线电压。模块故障排除后，系统将自动恢复模块状态。同时，如果储能模块的功率过高或过低，系统将停止充电，以保护储能模块。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换系统，系统包括光伏变换器、储能变换器、并网变换器、直流母线、交流电网、交流负载；

光伏变换器与储能变换器直接与直流母线相连，直流母线通过并网变换器连接交流电网以及交流负载；

所述并网变换器负责交流电压和直流电压的相互转换；所述光伏变流器在完成最大功率点跟踪MPPT的同时负责提高光伏输出电压；所述储能变换器负责直流母线的能量与储能电池的能量之间的相互转换；

所述光伏变换器包括MPPT模式、恒流模式和恒母线电压模式；所述并网变换器包括并网电流模式、整流电压模式和逆变电压模式；所述储能变换器包括恒压充电模式和恒压放电模式。

系统并网工作模式包括模式1光-储-网-荷模式，模式2光-储-荷模式，模式3光-网-荷模式，模式4储-网-荷模式，模式5光-储-网模式，系统离网工作模式包括模式2光-储-荷模式，模式6光-储模式，模式7光-荷模式，模式8储-荷模式。

所述光-储-网-荷模式，光伏发电的能量优先用于负荷，系统将储能电池的电量保持在50％，剩余电量将被送入电网；

所述光-储-荷模式，光伏发电产生的能量供应给负载和电池，当光伏能量过剩时，光伏变换器进入恒流模式，降低光伏输出功率，当光伏能量不足时，系统切断部分负荷，使系统剩余负荷正常运行；

所述光-网-荷模式，储能变换器停止工作，如果光伏功率大于负载功率，则将光伏能量传递给负载，剩余的能量被输入电网，如果光伏发电不足以满足负荷，则从电网中吸收电力；

所述储-网-荷模式，光伏变换器停止工作，系统将储能电池电量维持在50％，通过电网为负载提供能量；

所述光-储-网模式，系统将储能电池的电量保持在90％，所有由光伏发电产生的能量都被送入电网；

所述光-储模式，并网转换器处于备用状态。当电池电量小于90％时，逆变器工作在MPPT模式，为电池充电，当电池电量达到90％时，系统进入待机模式；

所述光-荷模式，储能变换器处于关闭状态，光伏变换器用于保持母线电压恒定。当负载功率大于光伏发电功率时，系统会切断部分负载，使负载功率小于或等于光伏发电输出功率；

所述储-荷模式，光伏变换器处于备用状态，蓄电池为负载提供能量。当电池电量低于10％时，电池停止放电，系统进入待机状态。

一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换方法，包括系统并网切换和系统离网切换，所述系统并网切换方式包括：

(1)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式1、模式2、模式4、模式5进入过充运行模式；

(2)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于10％时，系统从模式1、模式2、模式4、模式5进入过放运行模式；

(3)当电网电压大于最大设定值Umax或小于最小设定值Umin时；或者当频率大于最大频率设定值fmax或小于最小频率设定值fmin时；当系统接受到离网指令时，系统会立即切断与电网的连接，并网变换器进入逆变电压模式，光伏变换器根据能量多少保持在MPPT模式或进入恒流模式，系统从模式1切换到模式2；

(4)当电网电压小于最大设定值Umax或大于最小设定值Umin时；或者当频率小于最大频率设定值fmax或大于最小频率设定值fmin时；当系统接受到并网指令时，并网变换器进入并网电流模式同时关闭响应继电器，光伏变换器进入MPPT模式，系统从模式2切换到模式1；

(5)当储能模块的电压低于最低设定值Ubat_max时，储能变换器停止运行，并网变换器进入整流电压模式，系统从模式1切换到模式3。通过并网变换器调节母线电压，光伏变换器运行模式不变，如果母线电压高于设定值，通过并网变换器提升并网电流；如果母线电压低于设定值，通过并网变换器降低并网电流；

(6)当储能模块的电压高于最低设定值Ubat_max时，并网变换器停止工作，储能变换器开始运行，在母线电压稳定后，并网变换器重新工作，系统从模式3切换到模式1；

(7)当系统检测到光伏电压低于最小设定值Upv_min或高于最高设定值Upv_max时，系统将停止光伏变换器工作，将并网电流的参考值更改为保持储能放电电流为零，系统从模式1进入模式4；

(8)当系统检测到光伏电压在设定的阈值内，则设置光伏变换器模式切换到MPPT模式，并启动光伏变换器，系统从模式4切换到模式1；

(9)当负载电流大于设定的最大电流Iload_max时，系统会切除负载变换器，系统从模式1切换到模式5；

(10)当用户手动清除故障后，系统从模式5切换至模式1；

(11)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式1的指令时，系统从过充运行模式切换至模式1；

(12)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过充运行模式切换至模式2；

(13)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式4的指令时，系统从过充运行模式切换至模式4；

(14)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式5的指令时，系统从过充运行模式切换至模式5；

(15)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过放运行模式切换至模式2；

(16)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式4的指令时，系统从过放运行模式切换至模式4；

(17)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式5的指令时，系统从过放运行模式切换至模式5；

(18)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式1的指令时，系统从过放运行模式切换至模式1。

所述系统离网切换方式包括，

(1)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式2、模式6进入过充运行模式；

(2)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式2、模式8进入过放运行模式；

(3)当储能模块的电压低于最低设定值Ubat_min时，储能变换器停止运行，光伏变换器工作模式切换为恒母线电压模式，并网变换器进入整流电压模式，系统从模式2切换到模式7；

(4)当系统检测到储能模块电压大于设定值Ubat_min时，系统将停止光伏变换器，重新启动储能变换器，并将光伏变换器工作模式设置为MPPT模式。待母线电压稳定后，重新启动光伏变换器，系统从模式7切换到模式2；

(5)当系统检测到光伏电压低于系统设置的最小值Upv_min或高于系统设置的最高值Upv_max时，系统将停止光伏变换器，并网变换器保持工作模式不变。系统从模式2切换到模式8，当存储容量小于10％时，系统停止工作，进入待机模式；

(6)当光伏电压在设定的阈值范围内时，系统将光伏变换器模式设置为MPPT模式，并重启光伏变换器。系统从模式8切换到模式2；

(7)当负载电流大于用户设置的阈值Tload_max时，系统立即切断负载，系统从模式2切换到模式6；

(8)用户手动清除错误后，负载继电器重新闭合，系统从模式6切换到模式2；

(9)当检测到储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过充运行模式切换至模式2；

(10)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过放运行模式切换至模式2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过检测每个变换器的运行状态。当某个变换器发生故障时，系统将及时关闭该变换器，使剩余的变化器继续工作，维持系统母线电压。模块故障排除后，系统将自动恢复模块状态。同时，如果储能模块的功率过高或过低，系统将停止充电，以保护储能模块。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例系统图；

图2是本发明实施例系统并网切换方式流程图；

图3是本发明实施例系统离网切换方式流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参照图1、图2和图3，本申请的一种基于状态流程图的多端口能量路由器模式切换系统，包括以下内容：

该系统包括光伏变换器、储能变换器、并网变换器、直流母线、交流电网、交流负载；

光伏变换器与储能变换器直接与直流母线相连，直流母线通过并网变换器连接交流电网以及交流负载；

并网变换器负责交流电压和直流电压的相互转换；光伏变换器在完成最大功率点跟踪(MPPT)的同时负责提高光伏输出电压；储能变换器负责直流母线的能量与储能电池的能量之间的相互转换；

设计并网变换器工作模式

设计并网变换器的工作在3种模式，分别为整流电压模式，逆变电压模式，逆变电流模式。

(1)整流电压模式

此模式下直流母线电压即为被控量，控制方式采用双环控制，内环控制量为电感电流，外环控制量为母线电压，内环控制电感电流，可以抑制谐波电流的产生，同时可以保证其输出电压电流接近同相位。

(2)逆变电流模式

系统并网工作时，为了达到某些指标，需要控制逆变器与电网之间电流的大小，即控制量为逆变器电感电流，电感电流为逆变器较容易控制的变量，内环控制电感电流，可以抑制谐波电流的产生，同时可以保证其输出电压电流接近同相位因此采用电流单环控制。

(3)逆变电压模式

系统工作在离网模式时，变换器需要保证输出交流电压的稳定性，即控制量为交流输出电压，又变换器的电感电流与其输出电压关系密切，所以把电感电流作为内环控制量，采用双闭环可以更快地稳定电压，同时改善电流质量。

设计光伏变换器工作模式

设计光伏变换器的工作在3种模式，分别为最大功率点跟踪(MPPT)模式、恒流模式、恒母线电压模式。

(1)MPPT模式

在并网模式时，光伏变换器产生的能量原则上需要被高效利用，而光伏输出的最大功率与输出电压有关，由此需要找出光伏的最大功率工作点，找出此最大功率工作点后，需要调节光伏变换器让光伏电池工作在最大功率点上，把变换器的这种工作模式称为最大功率点跟踪(MPPT)模式。

(2)恒流模式

系统在离网工作时，当光伏变换器产生的功率超过系统消耗的总功率时，需要减小光伏变换器输出功率以达到系统供需平衡，系统调节光伏变换器令光伏电池的输出功率为某个固定值，而与此功率值对应的光伏电压也是确定的，把变换器的这种工作模式称为恒流模式。

(3)恒母线电压模式

当系统处于离网模式且储能模块发生故障时，系统会切除储能模块，使剩余部分正常工作，此时需要光伏变换器控制母线电压，使系统能够正常工作，此模式为恒母线电压模式。

设计储能变换器工作模式

当系统离网工作时，需要储能变换器稳定母线电压，所以储能变换器的工作模式分为恒流充电模式、恒流放电模式、恒母线电压充电模式、恒母线电压放电模式、恒电池电压充电模式。

(1)恒流充电模式

电池电量较低时，系统会以恒定电流对电池进行充电，控制量为电池电流，此时储能变换器工作在降压模式，与变换器相关的各物理量为直流量，控制器采用PI控制器，同样采用双环控制，内环控制量为电感电流，采用内环电感电流可有效控制电流的变化，防止电感电流过大，外环为电池电流。

(2)恒流放电模式

当系统并网工作并需要电池放电给负载或电网时，一般采用电池恒流放电的方式，此时控制量依然是电池电流，电池放电时变换器工作在升压模式，控制方法为双环PI控制，外环控制量为电池电流，内环控制量为电感电流

(3)恒母线电压充电模式

当系统需要储能变换器稳定母线电压且系统能量剩余时，控制量即为母线电压，当电池电量低于设定阈值时系统为电池充电，此时储能变换器工作在降压模式，采用双环PI控制，内环控制电感电流，可有效防止电感电流过大。

(4)恒母线电压放电模式

当系统需要储能变换器稳定母线电压且外界能量不够时，控制量即为母线电压，此时储能变换器工作在升压模式，采用双环PI控制，内环控制电感电流，可有效防止电感电流过大。

(5)恒电池电压充电模式

当系统为电池充电且电池电压上升到充电限制电压时，储能变换器需要控制电池充电电压不变，采用双环PI控制，外环控制量为电池电压，内环控制量依旧是电感电流，双环控制精度高，稳定性更好。

设计系统并网工作模式

在并网模式下，系统共有5种工作模式，如下所述：

光-储-网-荷模式(模式1)：在此模式下，光伏发电产生的能量优先用于负荷。系统将储能电池的电量保持在50％，剩余电量送入电网。

光-储-荷模式(模式2)：在此模式下，光伏发电产生的能量供应给负载和电池。当光伏能量过剩时，光伏变换器进入恒流模式，降低光伏输出功率。当光伏能量不足时，系统切断部分负荷，使系统剩余负荷正常运行。

光-网-荷模式(模式3)：在此模式下，储能变换器停止工作。如果光伏功率高于负荷功率，则将光伏能量传输给负荷，剩余的能量馈入电网。如果光伏发电不足以满足负荷，则从电网中提取电力。

储-网-荷模式(模式4)：在此模式下，光伏变换器停止工作，系统将储能蓄电池电量维持在50％，负载能量由电网提供。

光-储-网模式(模式5)：在此模式下，该系统将储能电池的电量保持在90％，所有由光伏发电产生的能量都被送入电网。

系统并网工作时，各变换器工作模式如下表所示：

表一并网模式下各变换器工作模式

设计系统离网工作模式

在离网模式下，系统共有4种工作模式，如下所述：

光-储-荷模式(模式2)：同并网模式2。

光-储模式(模式6)：在此模式下，并网变换器处于备用状态。当电池电量小于90％时，逆变器工作在MPPT模式，为电池充电。当电池电量达到90％时，系统进入待机模式。

光-荷模式(模式7)：在此模式下，储能变换器当前处于关闭状态。光伏变换器保持母线电压恒定。当负载功率大于光伏发电功率时，系统会切断部分负载，使负载功率小于或等于光伏发电输出功率。

储-荷模式(模式8)：在此模式下，光伏逆变器处于备用状态。蓄电池为负载提供能量。当电池电量低于10％时，电池停止放电，系统进入待机状态。

系统离网工作时，各变换器工作模式如下表所示：

表二并网模式下各变换器工作模式

设计系统并网切换方式

(1)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式1、模式2、模式4、模式5进入过充运行模式。

(2)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于10％时，系统从模式1、模式2、模式4、模式5进入过放运行模式。

(3)当电网电压大于最大设定值Umax或小于最小设定值Umin时；或者当频率大于最大频率设定值fmax或小于最小频率设定值fmin时；当系统接受到离网指令时。系统会立即切断与电网的连接，并网变换器进入逆变电压模式，光伏变换器根据能量多少保持在MPPT模式或进入恒流模式。系统从模式1切换到模式2。

(4)当电网电压小于最大设定值Umax或大于最小设定值Umin时；或者当频率小于最大频率设定值fmax或大于最小频率设定值fmin时；当系统接受到并网指令时。并网变换器进入并网电流模式同时关闭响应继电器，光伏变换器进入MPPT模式。系统从模式2切换到模式1。

(5)当储能模块的电压低于最低设定值Ubat_max时，储能变换器停止运行，并网变换器进入整流电压模式，系统从模式1切换到模式3。通过并网变换器调节母线电压，光伏变换器运行模式不变。如果母线电压高于设定值，通过并网变换器提升并网电流；如果母线电压低于设定值，通过并网变换器降低并网电流。

(6)当储能模块的电压高于最低设定值Ubat_max时，并网变换器停止工作，储能变换器开始运行，在母线电压稳定后，并网变换器重新工作，系统从模式3切换到模式1。

(7)当系统检测到光伏电压低于最小设定值Upv_min或高于最高设定值Upv_max时，系统将停止光伏变换器工作，将并网电流的参考值更改为保持储能放电电流为零。系统从模式1进入模式4。

(8)当系统检测到光伏电压在设定的阈值内，则设置光伏变换器模式切换到MPPT模式，并启动光伏变换器。系统从模式4切换到模式1。

(9)当负载电流大于设定的最大电流Iload_max时，系统会切除负载变换器，系统从模式1切换到模式5。

(10)当用户手动清除故障后，系统从模式5切换至模式1。

(11)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式1的指令时，系统从过充运行模式切换至模式1。

(12)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过充运行模式切换至模式2。

(13)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式4的指令时，系统从过充运行模式切换至模式4。

(14)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式5的指令时，系统从过充运行模式切换至模式5。

(15)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过放运行模式切换至模式2。

(16)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式4的指令时，系统从过放运行模式切换至模式4。

(17)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式5的指令时，系统从过放运行模式切换至模式5。

(18)当检测到并网储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式1的指令时，系统从过放运行模式切换至模式1。

设计系统离网切换方式

(1)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式2、模式6进入过充运行模式；

(2)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于90％时，系统从模式2、模式8进入过放运行模式；

(3)当储能模块的电压低于最低设定值Ubat_min时，储能变换器停止运行，光伏变换器工作模式切换为恒母线电压模式，并网变换器进入整流电压模式，系统从模式2切换到模式7；

(4)当系统检测到储能模块电压大于设定值Ubat_min时，系统将停止光伏变换器，重新启动储能变换器，并将光伏变换器工作模式设置为MPPT模式。待母线电压稳定后，重新启动光伏变换器，系统从模式7切换到模式2；

(5)当系统检测到光伏电压低于系统设置的最小值Upv_min或高于系统设置的最高值Upv_max时，系统将停止光伏变换器，并网变换器保持工作模式不变。系统从模式2切换到模式8，当存储容量小于10％时，系统停止工作，进入待机模式；

(6)当光伏电压在设定的阈值范围内时，系统将光伏变换器模式设置为MPPT模式，并重启光伏变换器。系统从模式8切换到模式2；

(7)当负载电流大于用户设置的阈值Tload_max时，系统立即切断负载，系统从模式2切换到模式6；

(8)用户手动清除错误后，负载继电器重新闭合，系统从模式6切换到模式2；

(9)当检测到储能电池的荷电状态SOC小于等于90％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过充运行模式切换至模式2；

(10)当检测到储能电池的荷电状态SOC大于等于10％时，或系统接收到切换至模式2的指令时，系统从过放运行模式切换至模式2；

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。