一种五端口能源路由器控制系统

技术领域

本发明涉及能源路由器技术领域，具体为一种五端口能源路由器控制系统。

背景技术

能源互联网的核心装置是基于电力电子技术的能源路由器，能够实现给不同的可再生能源装置和不同负载提供灵活多样化的电气接口，还可实现能量的多向流动和对功率流的管理。能源互联网是一种综合了电力电子技术、信息通讯技术和人工智能技术，将大量分布式，离散化的电源、储能系统与负载互联起来，实现各种类型能源与各种类型负载相互连通、能量多极流动的网络。

目前，常规电力系统中的电能以高压交流或者低压交流形式输送，而可再生能源相关的电源、储能装置、负荷的电能往往以低压直流形式输送，大规模的这类装置也可能集中起来以高压直流方式输送，常规的能源路由器不能满足使用需求。因此市场上急需一种五端口能源路由器控制系统来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种五端口能源路由器控制系统，以解决上述背景技术中提出常规电力系统中的电能以高压交流或者低压交流形式输送，而可再生能源相关的电源、储能装置、负荷的电能往往以低压直流形式输送，大规模的这类装置也可能集中起来以高压直流方式输送，常规的能源路由器不能满足使用需求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种五端口能源路由器控制系统，包括能源路由器、高压交流端口、高压直流端口、低压直流端口、低压交流端口和储能设备端口，所述高压交流端口与高压直流端口之间设置有模块化多电平变流器，且模块化多电平变流器的两端分别与高压交流端口和高压直流端口电性连接，所述模块化多电平变流器作为高压AC/DC级，所述高压直流端口与低压直流端口之间设置有DAB变流器，且DAB变流器的两端分别与高压直流端口和低压直流端口电性连接，所述DAB变流器采用多个具有双向能量流动能力的DC/DC变流器并连接成输入串联输出并联的结构，且DAB变流器作为DC/DC级，所述低压直流端口与低压交流端口之间设置有低压逆变器，且低压逆变器的两端分别与低压直流端口和低压交流端口电性连接，所述低压逆变器采用六个IGBT与输出滤波器构成，且低压逆变器作为低压DC/AC级，所述低压直流端口与储能设备端口之间设置有Buck-Boost变流器，且Buck-Boost变流器的两端分别与低压直流端口和储能设备端口电性连接，所述储能设备端口的另一端连接蓄电池。

优选的，所述MMC变流器采用六个桥臂构成，且六个桥臂均有若干个子模块串联而成，所述子模块采用半桥结构的单相逆变器，且子模块采用采用PWM控制。

优选的，所述桥臂的输出电压为一个直流电压与一个交流电压的叠加，所述交流回路决定MMC与交流外电路之间交换的功率，所述直流回路可以令MMC输出高压直流电压，所述MMC的子模块中设置微调量来调节各个子模块从直流回路中输入的功率，子模块的实际电压与额定电压比较，通过比例积分控制器得各个模块的直流电压指令调节量。

优选的，所述DC/DC级连接高压直流母线和低压直流母线，所述DAB变流器采用两个H桥变流器与一个高频变压器构成，所述高频变压器一个额外的外电感，且外电感在高频变压器漏感不合要求的情况下设置，所述功率方向与大小的调节通过DAB一次侧与二次侧H桥输出的方波电压的相位差控制，所述DC/DC级设置有电压闭环，且电压闭环与直流端口电性连接。

优选的，所述低压逆变器采用三相两电平逆变器和LC滤波器构成，且MMC变流器本质上也是三相交流逆变器，所述低压DC/AC级中设置有消除耦合的电流环和电压环。

优选的，所述Buck-Boost变流器采用半桥式双向DC/DC变流器，且半桥式双向DC/DC变流器构成储能变流器，所述Buck-Boost变流器分为Buck变流器和Boost变流器，所述Buck变流器用于低压直流母线给蓄电池充电，所述Boost变流器用于蓄电池放电，所述储能变流器设置有滞环控制器，且滞环控制器中需要设计的量为滞环宽度与电感大小。

优选的，所述低压直流端口与蓄电池均作可视为电压源，且蓄电池设置有荷电状态，所述蓄电池电量接近充满荷电状态时，限制蓄电池充电，所述蓄电池电量接近耗尽荷电状态时，限制蓄电池放电。

优选的，所述能源路由器的内部设置有负载功率反馈，且负载功率反馈接入到高压直流端口和低压直流端口之间，所述能源路由器中的高压、低压直流母线作为变流器的直流源，所述低压负载功率通过前馈环节对DC/DC级的移相角指令进行调节，所述低压负载功率与高压直流负载功率通过前馈环节，对MMC的两个指令同时进行调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该发明装置通过负载功率反馈的设置，将负载功率前馈到电源的输入功率，能源路由器的高压直流级、低压直流级与低压交流级为电压源模式，储能级为指定功率源模式，高压交流级为可调模式，通过前馈环节对DC/DC级的移相角指令进行调节，降低低压直流端口的波动；低压负载功率与高压直流负载功率通过前馈环节，对MMC的两个指令同时进行调节，降低高压直流端口的波动。解决了电源功率暂时没有跟上负载功率，变流器负载功率变化时会有电压波动，影响能源路由器使用的问题。

2.该发明装置通过子模块中微调量的设置，微调量可以用来调节各个子模块从直流回路中输入的功率，从而实现子模块的电压平衡控制，实现高压AC/DC级电容电压均衡控制。解决了高压AC/DC级电容电压调节过程中出现波动，降低使用效果的问题。

3.该发明装置通过多个DC/DC变流器、电压闭环的设置，将多个DC/DC变流器接成输入串联输出并联的结构可以解除半导体耐压等级的限制，电压闭环可以维持电压直流端口电压，提高了DC/DC级电压调节效果。解决了DC/DC级电压调节稳定性不佳的问题。

4.该发明装置通过功率均衡环路的设置，DAB变流器参数完全一致，在相同的相角指令下，各个DAB变流器的传输功率也应该相同。但在实际中各个DAB变流器必然存在细微参数差异，因此在相同的相角指令下传输功率也有差异。为了实现各个变流器传输功率均等，需要采用一个功率均衡环路，将各个DAB的输出电流与所有DAB输出的平均电流比较，产生一个小的相角微调指令，对各个DAB的传输功率进行微调，从而实现各个电容的电压均分。解决了电压波动造成传输功率变化的问题。

附图说明

图1为本发明的能源路由器原理图；

图2为本发明的输入串联输出并联的DC/DC级原理图；

图3为本发明的低压DC/AC级电路原理图；

图4为本发明的储能级电路图；

图5为本发明的储能级控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1-5，本发明提供的一种实施例：一种五端口能源路由器控制系统，包括能源路由器、高压交流端口、高压直流端口、低压直流端口、低压交流端口和储能设备端口，高压交流端口与高压直流端口之间设置有模块化多电平变流器，且模块化多电平变流器的两端分别与高压交流端口和高压直流端口电性连接，模块化多电平变流器作为高压AC/DC级，高压直流端口与低压直流端口之间设置有DAB变流器，且DAB变流器的两端分别与高压直流端口和低压直流端口电性连接，DAB变流器采用多个具有双向能量流动能力的DC/DC变流器并连接成输入串联输出并联的结构，且DAB变流器作为DC/DC级，低压直流端口与低压交流端口之间设置有低压逆变器，且低压逆变器的两端分别与低压直流端口和低压交流端口电性连接，低压逆变器采用六个IGBT与输出滤波器构成，且低压逆变器作为低压DC/AC级，低压直流端口与储能设备端口之间设置有Buck-Boost变流器，且Buck-Boost变流器的两端分别与低压直流端口和储能设备端口电性连接，储能设备端口的另一端连接蓄电池。

进一步，MMC变流器采用六个桥臂构成，且六个桥臂均有若干个子模块串联而成，子模块采用半桥结构的单相逆变器，且子模块采用采用PWM控制。通过六个桥臂可以实现电压平衡，同一相的上下桥臂的直流电压相同，交流电压反相。

进一步，桥臂的输出电压为一个直流电压与一个交流电压的叠加，交流回路决定MMC与交流外电路之间交换的功率，直流回路可以令MMC输出高压直流电压，MMC的子模块中设置微调量来调节各个子模块从直流回路中输入的功率，子模块的实际电压与额定电压比较，通过比例积分控制器得各个模块的直流电压指令调节量。

进一步，DC/DC级连接高压直流母线和低压直流母线，DAB变流器采用两个H桥变流器与一个高频变压器构成，高频变压器一个额外的外电感，且外电感在高频变压器漏感不合要求的情况下设置，功率方向与大小的调节通过DAB一次侧与二次侧H桥输出的方波电压的相位差控制，DC/DC级设置有电压闭环，且电压闭环与直流端口电性连接。通过将多个DC/DC变流器接成输入串联输出并联的结构可以解除半导体耐压等级的限制，DC/DC变流器具有结构对称、控制简单、动态响应快的优点适合作为能源路由器的DC/DC级。

进一步，低压逆变器采用三相两电平逆变器和LC滤波器构成，且MMC变流器本质上也是三相交流逆变器，低压DC/AC级中设置有消除耦合的电流环和电压环。通过低压逆变器可以将低压直流母线的750V直流电压转换为380V三相交流电压，且电流环和电压环可以引入耦合量，从而抵消逆变器模型中的耦合环节。

进一步，Buck-Boost变流器采用半桥式双向DC/DC变流器，且半桥式双向DC/DC变流器构成储能变流器，Buck-Boost变流器分为Buck变流器和Boost变流器，Buck变流器用于低压直流母线给蓄电池充电，Boost变流器用于蓄电池放电，储能变流器设置有滞环控制器，且滞环控制器中需要设计的量为滞环宽度与电感大小。通过Buck-Boost变流器可以实现能源的充放电调节，从而实现充放电。

进一步，低压直流端口与蓄电池均作可视为电压源，且蓄电池设置有荷电状态，蓄电池电量接近充满荷电状态时，限制蓄电池充电，蓄电池电量接近耗尽荷电状态时，限制蓄电池放电。通过荷电状态可以对蓄电池的电量存电状态进行检测，从而判断蓄电池的充放电。

进一步，能源路由器的内部设置有负载功率反馈，且负载功率反馈接入到高压直流端口和低压直流端口之间，能源路由器中的高压、低压直流母线作为变流器的直流源，低压负载功率通过前馈环节对DC/DC级的移相角指令进行调节，低压负载功率与高压直流负载功率通过前馈环节，对MMC的两个指令同时进行调节。通过负载功率反馈可以抑制负载扰动造成的电压波动，提高了变流器的使用效果。

工作原理：使用时，当荷电状态低于充电阈值时，Buck-Boost变流器处于Buck工作状态，进行充电，借助MMC变流器可以将外界的高压交流电源转换为高压直流电源，再借助DAB变流器可以对转化的高压直流电源再次转化为低压直流电源，在通过Buck-Boost变流器中的Buck工作模式将低压直流电源注入到蓄电池中，此时S1作为开关管，S2只利用续流二极管；当荷电状态高于放电阈值时，Buck-Boost变流器处于Boost工作状态，进行放电，借助Buck-Boost变流器中的Boost工作模式将蓄电池中的电能输出，再借助低压逆变器将低压直流电源转化为高压直流电源，从而可以对用电设备进行供电。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。