基于多端口变换器 (MPC)的能量路由器YXDG-ErouterX方案解析
发布时间：
2020-03-31 14:58
来源：
原创
能量路由器概述
为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，近年来很多专家提出了构建能量互联网的设想，这一设想主要致力于将分布式能源及储能装置的接入到电网中，增加了电网能源供应的多样性，也改变了能量流动的方式，使其由单向流动变为了双向流动。
但同时，电动汽车等新型电力设备的广泛推广和应用为电网带来了新的不确定负载，增加了能量流动和电能管理的复杂程度。基于电力电子变化技术的能量路由器(Energy Router，E-router)应运而生。
能量路由器具备以下特点：
1、能够实现电压的变化和能量的双向流动；
2、能够提供多种灵活多样的电能形式的标准化接口；能在任何时刻确保“即插即用”；
3、能够对各端口电压电流进行实时控制，实现能量管理、潮流调度等电网需求；
4、有良好的的动态特性，能够应对电力系统故障；
5、能够实现电网数据的采集，为更大范围内能源互联网的运行策略提供大数据依据。
能量路由器的分类
目前国内对能量路由器的概念分为很多种，在研旭公司近年来接触到的项目中，很多项目都可以套用能量路由器的概念，研旭公司将现有的能量路由器方案分为了3类：
1、基于功率器件和高频变压器的固态变压器（SST）的能量路由器，主要用在中高压配电网方面。目前主流的方案多是基于模块化多电平（MMC）技术和双有源高频变换（DAB）技术，电力电子变压器（PET）是其中的典型。这方面的一些具体方案可参照研旭公司以往的方案。PET电力电子变压器硬件在环创新实验平台
2、基于多子网跨母线的能量路由器，面向对象是多个子电网，比如交流子网1，交流子网2，直流子网等多个子网多条交直流母线的互联。实现多个子网之间的能源互换，配合相应的潮流调度模式。此类方案可参考研旭公司以往项目方案。能源互联网智能控制调度平台
3、基于多端口变换器 (MPC)的能量路由器，面向对象为低压环境，比如户用、楼宇型终端等。此类的能量路由器如果不考虑结构的建凑性和独立性，本质上是一个小型的直流微电网，具备公共直流母线，加入DC-DC和DC-AC变换器，接受上层通讯控制器的调度。这类的方案研旭公司有很多可参考。低电压主流母线微电网创新实验平台
基于多端口变换器的能量路由器
本文主要讨论基于MPC的能量路由器。下图是典型的四端口和六端口能量路由器结构， 控制分布式能源、储能出力，协调与电网/负荷间能量转换、灵活控制的核心部件，实现配电系统中源-储-网-荷的能量交换。
四端口能量路由器拓扑结构
从图中可以看出，这是很典型的小型低压直流微电网的拓扑，但传统的交直流微电网由于设备分散且布局不紧凑，会给使用者带来很多不变的体验。且传统微电网通讯的传输实时性也是一个限制其开展深入研究的因素。
所以目前主流的能量路由器是作为一个独立设备，结构上需要非常紧凑，对外统一具备一个通讯接口或人机界面，且需具备ms级别的通讯速率。
基于以上，南京研旭公司推出了低压多端口能量路由器YXDG-ErouterX，多端口交直流柔性变换器具备N个交流端口（可选），N个直流端口（可选）。每个端口均可接入相应电压等级的有源或无源设备，任意端口间可以实现功率潮流的控制。变换器配置有通信接口，采用CAN和以太网的通讯方式，通讯速率保证在ms级别，能够实时接收指令实现变换器运行状态的改变，并上送变换器的实时工作状态。配置液晶显示界面，可以实现就地人机交互。本变换器主要应用于微电网、低压主动配电网及交直流混合低压配电网的科研、小型示范等场合。
YXDG-ErouterX能量路由器协调控制方法
从工作目标上看，利用协调控制方法来实现分布式能源的高效利用、多种类接口单元的能量协调控制。其与接入到大电网的直流微网相似，所以在协调控制方法上可以参考直流微网。 直流微网的控制可分为变换器级（设备级）和系统级两个层次。
设备级控制面向底层接口变换器，接口变换器接入能源的种类、变换器类型、控制目标不同，变换器级控制方法也不同。常见变换器级控制方法有：最大功率点跟踪、母线电压控制、直接功率控制、PQ 控制（恒功率控制）、V/F 控制（恒压恒频控制）、VSG 控制（虚拟同步机控制）、Droop 控制（下垂控制）、恒压/恒流/恒功率充放电控制等。
系统级控制面向系统运行目标，通过对系统内各接入能源和负载变换器进行集中管理，实现能量管理和目标最优运行。变换器级控制与系统级控制组成了直流微网的控制体系。
研旭公司基于能量路由器各功能单元特点及其对应变换器控制方法，综合考虑上级控制器对能量路由器的调度、能量平衡和蓄电池特性等信息，以调度任务优先为控制目标。
YXDG-ErouterX能量路由器策略调度
能量路由器策略调度以直流母线电压为主信号，以蓄电池 SOC 为辅助信号，控制中央管理层综合各信息进行模式判断，并在模式变化时将控制指令下发给底层控制层，通过底层控制层来实现对各功能单元变换器的调节，最终实现母线电压稳定、系统功率平衡。
并网状态下：根据各个端口所需能量进行调配，当系统自发能量不足时可从主电网进行能量传输。孤岛状态下：主要是针对主电网脱落时的孤岛运行情形，多端口能量路由器需要孤岛运行，支撑整个主电网。
能量路由器设备在每个子微中都是充当了分布式电源（发电）或者负载（耗电）的作用。针对每个子网需要判断其能量流动方向以及大小，整体系统的控制，主要交由上位机能源调度系统来完成。
YXDG-ErouterX能量路由器监控软件平台
1、监测与显示功能：上位机平台通过通讯口（以太网、CAN）与能量路由器进行信息交互，能显示能量路由器的端口电压、功率、负荷等多种信息；
2、控制功能：通过上位机平台能对能量路由器发布指令，如并网功率因数控制、各端口的功率控制，光伏发电MPPT控制与给定功率控制；
3、上位机平台接受路由器上传数据及电网信息，正常运行方式下不干预路由器运行；异常情况下，综合处理各项信息后，可统一发布指令至各路由器；
4、能量路由管理：高峰时段，蓄电池进行放电控制，光伏进行MPPT控制；低谷时段，市电供给负载，储能电池进行充电控制。一般情况下，由底层能量路由器自行进行控制，高峰时段、低谷时段则由平台进行设置；
YXDG-Erouter6能量路由器参数（参考示例）
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序号 |
YXDG-Erouter6 能量路由器参数 |
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1 |
电力能量路由器可实现对电能的按需分配，能够实现对每个端口输入输出能量的自由调配，能够根据系统需要调整有功和无功功率。 |
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2 |
工作环境条件： ·环境温度：－10℃-＋50℃； ·相对湿度：≤90％（25℃）； ·海拔高度：≥2500m； |
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3 |
工作方式：连续工作 |
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4 |
接口：3个交流母线接口（三相四线），4个直流母线接口。 |
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5 |
额定功率：50kW （交流380V母线） 交流端口1：10kW（交流电压200V接测试负载） 交流端口2：10kW（交流电压400V接测试负载） 直流端口1：50kW(直流电压500-700V接锂电池） 直流端口2：10kW(直流电压200V-400V接光伏） 直流端口3：10kW(直流电压350V接测试负载） 直流端口4：20kW(直流电压750V接快速充电桩） |
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6 |
额定电网电压：400VAC；直流母线电压：600VDC |
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7 |
允许电网频率：47Hz ～ 52Hz |
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8 |
允许电网电压：400V±10% |
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9 |
电流波形失真率： THD≤3％ |
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10 |
最大逆变效率>90% |
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11 |
无功控制：功率因数在-0.9~0.9可控 |
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12 |
待机损耗：< 20W |
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13 |
故障保护：过功率限流、交流侧断路器、直流侧断路器、直流过流保护、直流过压保护、交流过压保护、极性反接保护、模块温度保护；故障记录：记录故障时相关的模拟量和数字量。 |
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14 |
内部具有智能控制单元和网络通信接口，可接受上层控制系统的控制。 |
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15 |
防护等级：不低于IP21。 |
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