一种基于VACON工业变频器的电能量路由器控制系统、方法和存储介质与流程

一种基于vacon工业变频器的电能量路由器控制系统、方法和存储介质
技术领域
1.本发明涉及电能量路由器技术领域，具体为一种基于vacon工业变频器的 电能量路由器控制系统、方法和存储介质。


背景技术：

2.能量路由器的研究最早可追溯到美国国家科学基金会(nsf)资助下北卡州 立大学建立的未来可再生电能传递与管理(future renewable electric energydelivery and management，freedm)系统。该系统参考互联网系统，采用分层 控制架构，由分布式电源、分布式储能、负载可“即插即用”接口、智能能量 管理(intelligent energy management，iem)模块、分布式网络智能 (distributed grid intelligence，dgi)单元三个核心环节组成。其中以sst 为核心的iem模块作为系统的智能化管理中心负责对分布式能源的能量、信息 集中化传输与协调管理，科研人员借鉴互联网中信息路由器的概念，将其称为 能量路由器。
3.近年来，一方面非可再生能源的不断减少、环境问题的日益凸显，另一方 面，人们对居住环境舒适度的要求不断提高，这都要求我们寻找合适的可再生 能源以减少非可再生能源的利用和满足日益增长的电能需求。而以风电、光伏 等清洁能源以分布式发电的接入形式进入配电网则很好的满足了上述需求。然 而在接入分布式电源的配电系统中，不同的分布式电源、同一分布式电源在不 同时刻具有多种不同供电能力和供电电能质量；同时，负荷侧电力用户的各种 负载对电源的供电能力及电能质量的需求也不尽相同，实现电源与负载的匹配 运行十分困难，所以建立一个电源与负载协调运行的电力网络控制系统势在必 行。


技术实现要素：

4.为克服上述背景技术中负荷侧电力用户的各种负载对电源的供电能力及电 能质量的需求不尽相同。实现电源与负载的匹配运行十分困难的缺点，本发明 的目的在于提供一种基于vacon工业变频器的电能量路由器控制系统、方法和 存储介质。
5.为了达到以上目的，本发明采用如下的技术方案：
6.本发明的第一方面，提供一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制系 统，所述电能路由器控制系统包括双向变换模块、控制管理模块和检测模块；
7.所述检测模块与分布式电源连接，检测模块用于获取各分布式电源的供电 电能信息；所述检测模块与用电终端连接，检测模块用于获取用电终端的电能 需求信息，所述检测模块还用于获取微电网的电力负荷；
8.所述控制管理模块与检测模块连接，控制管理模块用于根据所述供电电能 信息、电能需求信息和电力负荷，制定电能调度方案；所述控制管理模块与分 布式电源连接，控制管理模块用于控制并协调各分布式电源间的功率分配；
9.所述控制管理模块连接与双向变换模块连接，控制管理模块控制用于控制 双向变换模块进行电能变换，调整电能路由器的输出电压，所述双向变换模块 采用vacon工业变频器；
10.所述双向变换模块分别与外电网和分布式电源连接；所述用电终端包括直 流负载和交流负载。
11.在一些可能的实施方式中，所述分布式电源包括储能单元，所述检测模块 与储能单元连接，检测模块用于获取储能单元的电能容量；所述控制管理模块 与储能单元连接，控制管理模块用于控制并协调储能单元的充放电功率。
12.在一些可能的实施方式中，所述分布式电源包括光伏单元，所述检测模块 与光伏单元连接，检测模块用于获取光伏单元的输出功率；所述控制管理模块 与光伏单元连接，控制管理模块用于控制光伏单元的输出功率。
13.在一些可能的实施方式中，所述分布式电源包括发电机单元，所述检测模 块与发电机单元连接，检测模块用于获取发电机单元的输出功率；所述控制管 理模块与发电机单元连接，检测模块用于控制发电机单元的输出功率。
14.在一些可能的实施方式中，所述分布式电源包括风机发电单元，所述检测 模块与风机发电单元连接，检测模块用于获取风机发电单元的输出功率；所述 控制管理模块与风机发电单元连接，控制管理模块用于控制风机发电单元的输 出功率。
15.在一些可能的实施方式中，所述vacon工业变频器包括若干个ac/dc变换器、 dc/ac变换器和dc/dc变换器，所述ac/dc变换器与外电网连接，所述dc/dc变换 器与直流负载连接，所述dc/ac变换器与交流负载连接。
16.在一些可能的实施方式中，所述电能路由器系统还包括通信模块，所述通 信模块根据电能调度方案计算各电能路由器之间的路由策略。
17.本发明的第二发明，提供一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制方 法，应用于上述的一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统，包括如下 步骤：
18.获取分布式电源的供电电能信息、用电终端的电能需求信息和微电网的电 力负荷；
19.根据所述供电电能信息、电能需求信息和电力负荷制定用电调度方案；
20.根据用电调度方案确定工作模式，所述工作模式包括并网运行模式与孤岛 运行模式。
21.在一些可能的实施方式中，所述并网运行模式如下：
22.外电网处于恒功率发电时，此时的功率若高于或低于电力负荷需求功率时， 由储能单元负责维持微电网内功率平衡和电压稳定；当电价高且储能单元电能 容量充足时，储能单元以恒功率放电；
23.外电网处于恒功率发电时，此时的功率若高于或低于电力负荷需求功率时， 由储能单元负责维持微电网内功率平衡和电压稳定；当电价高且储能单元电能 容量充足时，储能单元以恒功率放电；当电价低且储能单元电能容量不足时， 储能单元以恒功率充电；
24.当分布式电源输出的功率大于直流负载的需求功率时，外电网可以吸收额外 的功率防止直流负载电压的升高；
25.当分布式电源输出的功率不能满足直流负载的需求时，外电网可以补充分布 式
电源的功率缺额。
26.所述孤岛运行模式如下：
27.光伏单元注入直流/交流负载的功率较大时，储能单元用于抑制直流负载电 压的上升而进入充电状态；光伏单元注入直流负载的功率较小时，储能单元用 于抑制直流负载电压的下降而进入放电状态；
28.当光伏单元的输出功率高于直流负载的需求功率，并且储能单元充电状态达 到极值后，储能单元不再维持直流负载电压，光伏单元由mppt模式切换到恒压 模式；
29.光伏单元和储能单元的总输出功率不满足直流负载需求时，直流负载电压低 于微电网要求的最低限度。
30.本发明的第三方面，提供一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上 存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述的一种基于vacon工业 变频器的电能路由器控制系统或执行时实现上述的一种基于vacon工业变频器 的电能路由器控制方法的步骤。
31.本发明的有益效果在于：通过基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统 配合外电网和微电网实用，通过电能需求信息和微电网的电力负荷；制定用电 调度方案；根据用电调度方案确定工作模式，作用于各节点之间，调节节点功 率流向，进一步增加功率流通灵活程度，进行统一调度管理。
附图说明
32.图1为本发明实施例一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统的 整体系统结构示意图；
33.图2为本发明实施例有源前端整流(afe)的电路结构图；
34.图3为本发明实施例基本整流前端(ffe)的电路结构图；
35.图4为本发明实施例不可回馈整流(nfe)的电路结构图；
36.图5为本发明实施例逆变单元(inu)为集成式的电路结构图；
37.图6为本发明实施例逆变单元(inu)为外置式的电路结构图；
38.图7为本发明实施例制动斩波器(bcu)的电路结构图；
39.图8为本发明实施例afe再生公共直流负载系统结构示意图；
40.图9为本发明实施例非再生公共直流负载系统结构示意图；
41.图10为本发明实施例ffe再生(单独或和nfe并联)的公共直流负载系统 结构示意图；
42.图11为本发明实施例一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制方法的 步骤流程图。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和 特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚 明确的界定。
44.参见附图1所示，本发明实施例提供一种基于vacon工业变频器的电能路由 器控制系统，包括双向变换模块、控制管理模块、检测模块和直流负载，
45.一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统，所述电能路由器控制系 统包括双向变换模块、控制管理模块和检测模块；
46.所述检测模块与分布式电源连接，检测模块用于获取各分布式电源的供电 电能信息；所述检测模块与用电终端连接，检测模块用于获取用电终端的电能 需求信息，所述检测模块还用于获取微电网的电力负荷；
47.所述控制管理模块与检测模块连接，控制管理模块用于根据所述供电电能 信息、电能需求信息和电力负荷，制定电能调度方案；所述控制管理模块与分 布式电源连接，控制管理模块用于控制并协调各分布式电源间的功率分配；
48.所述控制管理模块连接与双向变换模块连接，控制管理模块控制用于控制 双向变换模块进行电能变换，调整电能路由器的输出电压，所述双向变换模块 采用vacon工业变频器；
49.所述双向变换模块分别与外电网和分布式电源连接；所述用电终端包括直 流负载和交流负载。
50.参见附图1所示，所述vacon工业变频器包括ac/dc变换器一套，额定功率 75kw；双向dc/dc变换器两套，额定功率22kw；双向dc/ac变换器2套，额定功率 22kw。所述ac/dc变换器与外电网连接，所述dc/dc变换器与直流负载连接，所 述dc/ac变换器与交流负载连接。
51.双向变换模块充分发挥了电能传输过程中的“缓冲”效果，能够在有用按 捺分布式电源间歇性输出对微电网造成冲击的前提下，充分利用可再生能源来 为直流负载供电，还能够经过分布式电源的合理使用来完成“削峰填谷”的功 能，由于各分布式电源是直接接入双向变换模块的，因此双向变换模块实际上 是一个节点，因此能够简化各分布式电源的并联输出操控问题。
52.在上述实施例的基础上，所述分布式电源包括储能单元，所述检测模块与 储能单元连接，检测模块用于获取储能单元的电能容量；所述控制管理模块与 储能单元连接，控制管理模块用于控制并协调储能单元的充放电功率。
53.在上述实施例的基础上，所述分布式电源包括光伏单元，所述检测模块与 光伏单元连接，检测模块用于获取光伏单元的输出功率；所述控制管理模块与 光伏单元连接，控制管理模块用于控制光伏单元的输出功率。
54.在上述实施例的基础上，所述分布式电源包括发电机单元，所述检测模块 与发电机单元连接，检测模块用于获取发电机单元的输出功率；所述控制管理 模块与发电机单元连接，检测模块用于控制发电机单元的输出功率。
55.在上述实施例的基础上，所述分布式电源包括风机发电单元，所述检测模 块与风机发电单元连接，检测模块用于获取风机发电单元的输出功率；所述控 制管理模块与风机发电单元连接，控制管理模块用于控制风机发电单元的输出 功率。
56.基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统配合外电网和微电网使用，通 过电能需求信息和微电网的电力负荷；制定用电调度方案；根据用电调度方案 确定工作模式，作用于各节点之间，调节节点功率流向，进一步增加功率流通 灵活程度，进行统一调度管理。
57.vacon工业变频器具有灵活架构，由多种有源前端、非再生前端、逆变器和 制动斩波器构成，覆盖整个功率范围，电压在380v与690v之间，可符合各种 要求。公共直流负载组
件可以多种组合方式使用。在常规直流负载配置中，处 于发电状态下的变频器可将能量直接传送至处于电动状态下的变频器。公共直 流负载驱动系统包括不同类型的前端设备，可满足电网以及变频器使用所在过 程的需要。采用正确的配置时，驱动系统可达到最佳性能，并且可充分利用制 动能量，从而节省大量能源。
58.前端设备将主电源交流电压与电流转换为直流电压和电流。将电力从主电源 传送至公共直流负载，在某些情况下反之亦然。vacon工业变频器包括：
59.有源前端整流(afe)：参见附图2所示，afe单元是一种在公共直流负载系 统中实现能量双向(再生)传递的功率转换装置。输入处使用一台外置lcl滤 波器。afe适用于要求主电源具有低谐波特性的应用。afe是谐波最小的整流单 元，可满足谐波电流5％以内。afe能够提升直流回路电压(默认值+10％)，使其 大于额定直流回路电压(1.35xun)afe需要一个外置预充电电路。不过afe不 需要进行任何外部网侧测试即可运行。afe设备可并联运行，以提高功率和/或 冗余，而无需变频器之间的点到点通讯。也可使用逆变器将afe设备与相同的 现场总线连接，以及通过现场总线进行控制和监视。
60.基本整流前端(ffe)：参见附图3所示，ffe单元是一款基于igbt技术的 基本整流单元，可以实现四象限运行，既可以工作在整流状态又可以工作在回 馈状态，实现能量在电网侧和直流母排的双向流动。需要和afe整流一样配置 相同规格的预充电回路。ffe工作在整流状态时，其直流负载电压完全取决于电 网电压，实际输出功率完全取决于直流侧负载实际需求功率，此时ffe工作状 态和六脉冲nfe整流前端相似；工作在回馈状态时，ffe并通过选件卡opt-d7 检测外部电网的幅值和频率，此时igbt工作，通过特殊控制触发，保持与电网 的同步，能量从直流侧流向交流电网；ffe回馈时的谐波含量与整流时相似；ffe 可与nfe整流并联使用。
61.不可回馈整流(nfe)：参见附图4所示，nfe单元是公共直流负载系统中的 单向(发电)功率转换装置。nfe类似于二极管/晶闸管组成的二极管电桥。输 入处使用一台专用外置电抗器。nfe单元可对公共直流负载充电，因此无需进行 外部预先充电。当应用对谐波的要求处于一般水平，且无需向主电源回馈能量 时，可将nfe作为整流设备。nfe单元可并联以提高功率，且无需各单元之间的 点到点通讯。
62.逆变单元(inu)：inu是一种用于对交流电机供电和控制的双向直流馈电功 率逆变装置。inu由公共直流负载变频器供电。当需要与带电直流负载连接时， 需要使用充电电路。如果直流侧充电电路为集成式，则功率可达75kw(fr4fr8) 参见附图5所示，如果为外置式，额定功率更高(fi9-fi14)，参见附图6所示。
63.制动斩波器(bcu)：参见附图7所示，bcu为单向功率转换器，可将公共直 流负载变频器的多余能量传送至电阻器以热量形式散发掉。需要使用外置电阻 器。使用两台制动电阻器后，制动斩波器的制动功率增加一倍。
64.其中afe再生公共直流负载系统参见附图8所示；非再生公共直流负载系统 参见附图9所示；ffe再生(单独或和nfe并联)的公共直流负载系统参见附 图10所示。
65.所述电能路由器还包括通信模块，所述通信模块根据电能调度方案计算各 电能路由器之间的路由策略。这么做的目的是为了使电能调度方案更加合理和 优化。
66.本实施例还提供一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制方法，应用于 上述的一种基于vacon工业变频器的电能路由器控制系统，参见附图11所示，包 括如下步骤：
67.s1:获取分布式电源的供电电能信息、用电终端的电能需求信息和微电网的 电力负荷；
68.s2:根据所述供电电能信息、电能需求信息和电力负荷制定用电调度方案；
69.s3:根据用电调度方案确定工作模式，所述工作模式包括并网运行模式与孤 岛运行模式。
70.所述并网运行模式如下：
71.在并网模式下，由于光伏发电等可再生能源发电形式的成本高，为了充分 利用其产生的电能，一般将其设置为mppt(最大功率追踪)模式。
72.在自定义模式下，外电网处于恒功率发电时，此时的功率若高于或低于微 电网电力负荷需求功率时，由储能单元负责维持微电网内功率平衡和电压稳定；
73.在经济模式下，当电价高且储能剩余容量充足时，储能单元以恒功率放电。
74.在自定义模式下，外电网处于恒功率发电时，此时的功率若高于或低于微 电网电力负荷需求功率时，由储能单元负责维持微网内功率平衡和电压稳定；
75.在经济模式下，当电价高且储能单元电能容量充足时，储能单元以恒功率 放电。当电价低且储能剩余容量不足时，储能单元以恒功率充电，外电网看作 系统中充分大能量缓冲单元。
76.当分布式电源输出的功率大于直流负载的需求功率时，外电网可以吸收额 外的功率防止直流负载电压的升高。
77.当分布式电源输出的功率不能满足直流负载的需求时，外部电网可以补充 分布式电源的功率缺额，防止直流负载的跌落。
78.所述孤岛运行模式如下：
79.当以光伏、储能为主的微电网与外部直流负载断开时，本地的直流微电网处 于孤岛运行。此时，系统中的功率主要由光伏输出功率，储能单元输出功率， 微电网电力负荷需求功率构成。一般情况下，光伏单元的接口变换器工作在mppt 模式下，只向直流负载注入功率，而储能单元用于维持直流负载电压，通过将 直流负载电压维持在一定的范围内来平衡系统中的功率流动。
80.光伏单元注入直流负载的功率较大时，储能单元为了抑制直流负载电压的上 升而进入充电状态；光伏单元注入直流负载的功率较小时，储能单元为了抑制 直流负载电压的下降而进入放电状态。
81.当光伏单元的输出功率高于直流负载的需求功率，并且储能单元充电状态达 到极值后，储能单元不再维持直流负载电压，光伏单元由mppt模式切换到恒压 模式。
82.光伏单元和储能单元的总输出功率不满足直流负载的需求时，直流负载电压 低于微电网要求的最低限度，在此阶段直流微电网电压将会出现大幅度的下降， 造成微电网瘫痪，因此为了维持直流微电网的稳定性，需要根据甩负荷算法， 选择性的切除不重要的负载，避免直流微电网电压崩溃，同时也可以利用发电 机单元和风机发电单元进行功率输出，来满足直流负载的需求。
83.本实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计 算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述的一种基于vacon工业变频器的 电能路由器控制系统或执行时实现上述的一种基于vacon工业变频器的电能路 由器控制方法的步骤。
84.其中，处理器还可以称为cpu(central processing unit，中央处理单元)。 处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。
85.处理器可以是：
86.dsp(digital signal processor，数字信号处理器，数字信号处理器是 由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处理 器。它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电 路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化， 处理功能不断提高和扩大。)
87.asic(application specific integrated circuit，专用集成电路，即专 用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成 电路。
88.fpga(现场可编程门阵列，field programmable gate array)是在pal (programmable array logic，可编程阵列逻辑)、gal(generic array logic， 通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成 电路(asic)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
89.通用处理器，所述通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何 常规的处理器等。
90.其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件和分立硬件组件等。
91.存储介质存储有能够实现上述所有方法的程序指令，其中，该程序指令可以 以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机 设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行 本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、 移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，randomaccess memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算 机、服务器、手机、平板等终端设备。
92.以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围， 凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围 内。