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基于多端口變換器 (MPC)的能量路由器YXDG-ErouterX方案解析

基于多端口變換器 (MPC)的能量路由器YXDG-ErouterX方案解析

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【摘要】:
 為了滿足未來電網對電能控制的復雜性和多樣性要求,近年來很多專家提出了構建能量互聯網的設想,這一設想主要致力于將分布式能源及儲能裝置的接入到電網中,增加了電網能源供應的多樣性,也改變了能量流動的方式,使其由單向流動變為了雙向流動。

能量路由器概述

 

 

為了滿足未來電網對電能控制的復雜性和多樣性要求,近年來很多專家提出了構建能量互聯網的設想,這一設想主要致力于將分布式能源及儲能裝置的接入到電網中,增加了電網能源供應的多樣性,也改變了能量流動的方式,使其由單向流動變為了雙向流動。

 

但同時,電動汽車等新型電力設備的廣泛推廣和應用為電網帶來了新的不確定負載,增加了能量流動和電能管理的復雜程度?;陔娏﹄娮幼兓夹g的能量路由器(Energy  Router,E-router)應運而生。

 

能量路由器具備以下特點:

1、能夠實現電壓的變化和能量的雙向流動;

2、能夠提供多種靈活多樣的電能形式的標準化接口;能在任何時刻確?!凹床寮从谩?;

3、能夠對各端口電壓電流進行實時控制,實現能量管理、潮流調度等電網需求;

4、有良好的的動態特性,能夠應對電力系統故障;

5、能夠實現電網數據的采集,為更大范圍內能源互聯網的運行策略提供大數據依據。

 

能量路由器的分類

    

目前國內對能量路由器的概念分為很多種,在研旭公司近年來接觸到的項目中,很多項目都可以套用能量路由器的概念,研旭公司將現有的能量路由器方案分為了3類:

 

1、基于功率器件和高頻變壓器的固態變壓器(SST)的能量路由器,主要用在中高壓配電網方面。目前主流的方案多是基于模塊化多電平(MMC)技術和雙有源高頻變換(DAB)技術,電力電子變壓器(PET)是其中的典型。這方面的一些具體方案可參照研旭公司以往的方案。PET電力電子變壓器硬件在環創新實驗平臺

 

2、基于多子網跨母線的能量路由器,面向對象是多個子電網,比如交流子網1,交流子網2,直流子網等多個子網多條交直流母線的互聯。實現多個子網之間的能源互換,配合相應的潮流調度模式。此類方案可參考研旭公司以往項目方案。能源互聯網智能控制調度平臺

 

3、基于多端口變換器 (MPC)的能量路由器,面向對象為低壓環境,比如戶用、樓宇型終端等。此類的能量路由器如果不考慮結構的建湊性和獨立性,本質上是一個小型的直流微電網,具備公共直流母線,加入DC-DC和DC-AC變換器,接受上層通訊控制器的調度。這類的方案研旭公司有很多可參考。低電壓主流母線微電網創新實驗平臺

 

基于多端口變換器的能量路由器

 

本文主要討論基于MPC的能量路由器。下圖是典型的四端口和六端口能量路由器結構, 控制分布式能源、儲能出力,協調與電網/負荷間能量轉換、靈活控制的核心部件,實現配電系統中源-儲-網-荷的能量交換。

 

四端口能量路由器拓撲結構

 

從圖中可以看出,這是很典型的小型低壓直流微電網的拓撲,但傳統的交直流微電網由于設備分散且布局不緊湊,會給使用者帶來很多不變的體驗。且傳統微電網通訊的傳輸實時性也是一個限制其開展深入研究的因素。

 

所以目前主流的能量路由器是作為一個獨立設備,結構上需要非常緊湊,對外統一具備一個通訊接口或人機界面,且需具備ms級別的通訊速率。

 

 

基于以上,南京研旭公司推出了低壓多端口能量路由器YXDG-ErouterX,多端口交直流柔性變換器具備N個交流端口(可選),N個直流端口(可選)。每個端口均可接入相應電壓等級的有源或無源設備,任意端口間可以實現功率潮流的控制。變換器配置有通信接口,采用CAN和以太網的通訊方式,通訊速率保證在ms級別,能夠實時接收指令實現變換器運行狀態的改變,并上送變換器的實時工作狀態。配置液晶顯示界面,可以實現就地人機交互。本變換器主要應用于微電網、低壓主動配電網及交直流混合低壓配電網的科研、小型示范等場合。

 

YXDG-ErouterX能量路由器協調控制方法

 

從工作目標上看,利用協調控制方法來實現分布式能源的高效利用、多種類接口單元的能量協調控制。其與接入到大電網的直流微網相似,所以在協調控制方法上可以參考直流微網。 直流微網的控制可分為變換器級(設備級)和系統級兩個層次。

 

設備級控制面向底層接口變換器,接口變換器接入能源的種類、變換器類型、控制目標不同,變換器級控制方法也不同。常見變換器級控制方法有:最大功率點跟蹤、母線電壓控制、直接功率控制、PQ 控制(恒功率控制)、V/F 控制(恒壓恒頻控制)、VSG 控制(虛擬同步機控制)、Droop 控制(下垂控制)、恒壓/恒流/恒功率充放電控制等。

 

系統級控制面向系統運行目標,通過對系統內各接入能源和負載變換器進行集中管理,實現能量管理和目標最優運行。變換器級控制與系統級控制組成了直流微網的控制體系。

 

 

研旭公司基于能量路由器各功能單元特點及其對應變換器控制方法,綜合考慮上級控制器對能量路由器的調度、能量平衡和蓄電池特性等信息,以調度任務優先為控制目標。

 

YXDG-ErouterX能量路由器策略調度

 

能量路由器策略調度以直流母線電壓為主信號,以蓄電池 SOC 為輔助信號,控制中央管理層綜合各信息進行模式判斷,并在模式變化時將控制指令下發給底層控制層,通過底層控制層來實現對各功能單元變換器的調節,最終實現母線電壓穩定、系統功率平衡。

 

并網狀態下:根據各個端口所需能量進行調配,當系統自發能量不足時可從主電網進行能量傳輸。孤島狀態下:主要是針對主電網脫落時的孤島運行情形,多端口能量路由器需要孤島運行,支撐整個主電網。

 

能量路由器設備在每個子微中都是充當了分布式電源(發電)或者負載(耗電)的作用。針對每個子網需要判斷其能量流動方向以及大小,整體系統的控制,主要交由上位機能源調度系統來完成。

 

 

YXDG-ErouterX能量路由器監控軟件平臺

 

1、監測與顯示功能:上位機平臺通過通訊口(以太網、CAN)與能量路由器進行信息交互,能顯示能量路由器的端口電壓、功率、負荷等多種信息;

2、控制功能:通過上位機平臺能對能量路由器發布指令,如并網功率因數控制、各端口的功率控制,光伏發電MPPT控制與給定功率控制;

3、上位機平臺接受路由器上傳數據及電網信息,正常運行方式下不干預路由器運行;異常情況下,綜合處理各項信息后,可統一發布指令至各路由器;

4、能量路由管理:高峰時段,蓄電池進行放電控制,光伏進行MPPT控制;低谷時段,市電供給負載,儲能電池進行充電控制。一般情況下,由底層能量路由器自行進行控制,高峰時段、低谷時段則由平臺進行設置;

 

 

YXDG-Erouter6能量路由器參數(參考示例)

 

序號

YXDG-Erouter6 能量路由器參數

1

電力能量路由器可實現對電能的按需分配,能夠實現對每個端口輸入輸出能量的自由調配,能夠根據系統需要調整有功和無功功率。

2

工作環境條件:

·環境溫度:-10℃-+50℃;

·相對濕度:≤90%(25℃);

·海拔高度:≥2500m;

3

工作方式:連續工作

4

接口:3個交流母線接口(三相四線),4個直流母線接口。

5

額定功率:50kW (交流380V母線)

交流端口1:10kW(交流電壓200V接測試負載)

交流端口2:10kW(交流電壓400V接測試負載)

直流端口1:50kW(直流電壓500-700V接鋰電池)

直流端口2:10kW(直流電壓200V-400V接光伏)

直流端口3:10kW(直流電壓350V接測試負載)

直流端口4:20kW(直流電壓750V接快速充電樁)

6

額定電網電壓:400VAC;直流母線電壓:600VDC

7

允許電網頻率:47Hz ~ 52Hz

8

允許電網電壓:400V±10%

9

電流波形失真率: THD≤3%

10

最大逆變效率>90%

11

無功控制:功率因數在-0.9~0.9可控

12

待機損耗:< 20W

13

故障保護:過功率限流、交流側斷路器、直流側斷路器、直流過流保護、直流過壓保護、交流過壓保護、極性反接保護、模塊溫度保護;故障記錄:記錄故障時相關的模擬量和數字量。

14

內部具有智能控制單元和網絡通信接口,可接受上層控制系統的控制。

15

防護等級:不低于IP21。

 

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