[发明专利]一种低压电能路由器拓扑及控制方法

说明书

【技术领域】

本发明属于电工技术中的电能质量控制及电能变换领域，特别涉及一种低压电能路由器拓扑及控制方法。

【背景技术】

能源是人类生存和发展的物质基础。随着全球气候、环境变化的加剧和传统化石能源日渐枯竭，一场以可再生能源和新能源发展为核心的新能源革命悄然兴起。调整能源结构，大力发展可再生能源已成为世界各国解决能源安全、环境污染、气候变化等重大问题的共识。如何实现可再生能源的大规模开发与高效利用，是国内外当前关注的热点。

目前对能源互联网的概念理解尚未统一，特征及内涵还在不断探讨中。总的来说，能源互联网是以电力网为基础，充分利用可再生能源、智能电网及互联网技术，融合电力网、天然气网等多能源网及电气化交通网，形成多种能源高效利用和多元主体参与的能源互联共享网络，消纳高渗透率可再生清洁能源为核心。

目前，世界上许多国家和地区对能源互联网都在进行探索，并形成了一些能源互联网的雏形。其中，典型代表为2008年美国国家自然科学基金委启动支持的未来可再生电力能源转换与管理(FREEDM)项目。FREEDM系统具有三个核心技术特征：1)包含低压交流母线和直流母线的“即插即用接口”(plug&play interface)；2)智能能量管理(intelligence energy management，IEM)装置，或称为能量路由器(energy router)，即能实现交直流变换，又能实现功率管理和控制；3)开放式的分布式电网控制系统。FREEDM系统中，交流母线和直流母线同时存在，交流母线为交流负荷供电，直流母线主要用于接入分布式电源(Distributed renewable energy resource，DRER)、分布式储能(Distributed energy storage device：DESD)及直流负载，它们均通过IEM与主网相连。主网还设有智能故障管理(Intelligent fault management，IFM)装置等。

能源互联网为解决可再生能源的高效利用问题，提供了可行的思路与技术方案。能源互联网的实现将需要解决许多关键技术，如先进储能、固态变压器、智能能量管理、智能故障管理、可靠安全通信等。

以计算机信息互联网架构为基础，在能源互联网中，网间互联的输电网组成能源互联网的“主干电网”；而配电网组成能源互联网中的能源“局域网”。各种形式和规模的“电能路由器/能源路由器/电能交换器”是构建未来能源互联网的关键装备。

能源互联网的关键技术之一—电能路由器，是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量高效利用和传输的电力装备，其电路拓扑和运行控制与可再生能源接纳、灵活电力变换息息相关。电力电子变换技术使电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和负载提供所需的电能接口和即插即用能力，还具备变流、电气隔离、能量双向传递和电能质量控制等功能，使配电网络内各节点的能量大小和方向按用户所需优化控制，实现分布式电源、储能的高效应用。

电能路由器作为电力局域网与主干电网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。配电网中的电能路由器可根据功率等级及网络的位置分为3级：主干电能路由器、区域电能路由器以及家庭电能路由器等。面向家庭、智能楼宇和社区用中小型电能路由器距离用电消费者更近，所需数量最多，其体积、成本和效率是更为重要的因素，是本发明关注的问题。

许多研究者对电能路由器的功能、要求、作用及实现技术进行了探讨。总的来看，未来构建能源局域网的电能路由器是结构模块化、接口标准化、控制智能化、通讯坚强化、系统鲁棒化的集监测、计算、精确控制、远程协作和高度自治的智能型设备，主要应具备以下基本特点：

(1)采用柔性控制的电力电子设备，体积小、重量轻、无环境污染；

(2)能够四象限运行、支持电能双向流动，具有主动能量调配能力；

(3)具有传统变压器、潮流控制器和电能质量控制装置的功能；

(4)具有主动故障隔离(断路器)能力；

(5)可以交直流混合供电和不间断供电，支持多种电气形式接口；

(6)分布式能源、储能装置、不确定负荷的即插即用接入；

(7)与物理设备高度融合的中央控制器和通信系统，既可以高度自治，也能够连接系统管理平台以及其他智能电力设备和消费者，实现在线监测和协调优化控制。