一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网系统及控制方法与流程

本发明涉及配网架构和优化运行控制，特别是涉及一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网系统及控制方法。

背景技术：

1、我国配网整体呈现辐射状的特点，通常采用“闭环设计，开环运行”的方式，即在电网合环时，通过调控联络开关、分段开关的状态可优化网络结构，维持配网的高效可靠运行、实现故障区域的快速供电恢复。但这种通过联络开关实现闭环运行的方式，因功率潮流随阻抗自然分布，无法实现功率柔性控制。在合环时，如果合环点两侧存在电压差、相位差，合环后不但会产生环流，合环瞬间还会出现较大的冲击电流，严重的可能引起保护误动作，影响电网的安全稳定运行。因此配网在实际运行时通常采取开环运行的方式，随着分布式光伏、大容量电动汽车充电桩等新型源荷接入配网的规模越来越大，传统的辐射状开环运行的配网就存在以下问题：

2、（1）重载或重过载的线路数量越来越多，导致分布式光伏消纳也越来越困难；

3、（2）大容量电动汽车充电桩充电行为随机性较强，经常会导致变压器过载或上级供电容量不足而限制充电等，配电网的承载力越来越不适应大容量充电桩等新增新型负荷的需求。

4、目前解决上述两类比较常见的问题主要是通过两种措施来解决：一是增容或新增配电台区，这种方式将会导致配电负荷率越来越低，线损也会上升，同时配电资产利用率也会快速下降，不利于配网的长期发展；二是通过在配网中配置储能来实现动态增容，但是由于储能一次投资成本高、运维成本高、运行寿命期在十年以内，另外储能系统充放电效率最高只有90%左右，实际运行中会导致线损增加不少，因此配置储能也不是一种很好的值得推广的一种解决方案。

5、与此同时，近年来随着器件成本的降低与电力电子变压器、智能软开关（柔性多状态开关）、统一潮流控制器等装备技术的不断发展成熟，其应用已扩展至整个配电系统，如配网潮流调节、电压/无功综合控制、柔性开关等，归根结底都是通过电力电子技术与装备，实现配电网的“柔性互联”和功率柔性互济，从而提升配电网的灵活性与可控性，提升配网的分布式能源消纳能力和大容量负荷的承载力。基于这些电力电子技术与装备，也出现了蜂巢型网络、花瓣型、雪花型等各种新型配网拓扑，但是这些配网拓扑结构复杂，运行控制较为困难，

6、因此需要一种结构更简单、效率更高、成本更低、损耗更低的新型柔性配网架构和控制方法，可以实现交流电网之间的负荷均衡，同时能方便直流充电桩、储能、分布式光伏等的接入，并能够进一步提高供电可靠性。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网系统及控制方法。

2、本发明的技术方案，一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网系统，包括包括多个三端口电力路由器和协调控制器；

3、每个三端口电力路由器具有交流输出端口ac1、交流输出端口ac2以及一个直流输出端口dc，每个三端口电力路由器的交流输出端口ac1和交流输出端口ac2之间、交流输出端口ac1或交流输出端口ac2到直流端口dc的有功功率和无功功率可双向自由流动，用于实现交流线路或电源之间的一次电路物理层互联和交流电网与直流配电网之间的一次电路物理层互联；

4、每个三端口电力路由器的两个交流端口直接手拉手串联在互联的两条交流线路或电源之间，构成轮毂型配电网的外圈；每个三端口电力路由器的直流输出端口均直接连接在一起，形成直流配电网络，构成轮毂型配电网的内圈；

5、协调控制器用于三端口电力路由器互联的交流线路或电源之间的潮流互济均衡控制、交流端口到直流端口之间的有功功率控制、直流端口电压稳定控制以及协调控制器之间的信息层互联。每个协调控制器对应一个三端口电力路由器，协调控制器通过手拉手的通信组网形成轮毂型柔性配网的二次信息互联组网，实现轮毂型柔性配网内部功率潮流的灵活控制和流动。

6、进一步的，三端口电力路由器的两个交流端口直接串联在互联的两条交流线路或电源之间，直流输出端口与直流配电网连接；交流输出端口ac1和交流输出端口ac2之间、交流输出端口ac1或交流输出端口ac2到直流端口dc的有功功率和无功功率可双向自由流动。

7、进一步的，三端口电力路由器具有两种拓扑结构分别为串联拓扑和串并联拓扑结构；

8、每种拓扑中都有两个由功率半导体器件构成的交直流能量变换单元t1和交直流能量变换单元t2。

9、进一步的，串联拓扑结构中，交直流能量变换单元t1和交直流能量变换单元t2都有一个交流端口和直流端口；

10、交直流能量变换单元t1和交直流能量变换单元t2的直流端口背靠背连接在一起形成三端口电力路由器的输出直流端口dc，另外的两个交流端口各自构成三端口电力路由器的两个交流输出端口ac1和交流输出端口ac2。

11、进一步的，在串并联拓扑中，交直流能量变换单元t1有一个交流端口和一个直流端口，t2有两个交流端口和一个直流端口；

12、交直流能量变换单元t1和交直流能量变换单元t2的直流端口背靠背连接在一起形成三端口电力路由器的输出直流端口dc，t1的交流端口与t2其中的一个交流端口连接在一起形成三端口电力路由器的交流输出端口ac1，t2的另外一个交流端口为三端口电力路由器的另一个交流输出端口ac2。

13、进一步的，协调控制器包含电力数据采集单元、上行通信单元、下行通信单元、互联组网通信单元；

14、其中电力数据采集单元用于采集互联的两个交流线路或电源的有功、无功、电压、电流；

15、上行通信单元与配网主站连接；

16、下行通信单元与三端口电力路由器和直流微网能量控制管理系统ems连接；

17、互联组网通信单元与轮毂型柔性配网内部的其他协调控制器进行连接；

18、上行通信单元、下行通信单元、互联组网通信单元内部均包含有线和无线通信模块。

19、一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网组网方法，应用于上述轮毂型柔性配网系统，包括以下具体步骤：

20、s1、对于互联的多条交流线路，由多个三端口电力路由器的交流端口两两互联起来，形成交流环网结构；

21、s2、把多个三端口电力路由器的直流端口两两互联起来，形成内部的直流环网结构；

22、s3、在直流环网结构可以实现分布式光伏、充电桩、储能、其他直流负荷等各种直流源、直流负荷、储能的即插即用，形成直流微网；

23、s4、多个协调控制器的互联通信单元之间也形成通信环网结构，各自握手实现信息交互，共同实现轮毂型柔性配网的总体协调控制。

24、一种分层分区域的系统控制方法，应用于上述的轮毂型柔性配网系统以及上述轮毂型柔性配网组网方法，包括以下具体步骤：

25、s100、由轮毂型柔性配网主站根据系统内部的有功潮流、无功潮流、节点电压信息，按照线损最小为优化控制目标，以交流线路或电源的最大负荷率、节点电压在合格范围内波动、直流端口最大功率限值、交流端口之间互济功率最大限制为约束条件，计算出各个三端口电力路由器的交流端口之间的交流端口互济功率给定值；

26、s200、由轮毂型柔性配网主站或直流微网控制管理系统ems按照直流微网优先源网荷储一体化平衡为目标，根据分布式能源优先最大程度消纳、与三端口电力路由器交流端口交换的有功功率之和最小为目标，计算出直流环网与交流环网之间需要交换的总有功功率，再根据各个三端口电力路由器的直流端口输出功率约束条件来实时分配直流环网与交流环网之间的有功功率，并作为各个三端口电力路由器的交流到直流端口的功率给定值；

27、s300、由轮毂型柔性配网主站或互联的协调控制器将交流端口互济功率给定值和交流到直流端口的功率给定值分发给各个三端口电力路由器，由三端口电力路由器执行并完成指令。

28、一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以上述方法的步骤。

29、一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

31、（1）本发明提供了一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网及系统控制方法，可以实现配网交流线路的潮流互济和动态均衡，减少线损；

32、（2）本发明提供了交直流混合供电的有效方式，可以实现分布式电源、充电桩、储能等直流源荷的即插即用和源网荷储一体化直接高效利用。

33、（3）本发明一种基于三端口电力路由器的轮毂型柔性配网，可以实现有效地提高分布式电源本地消纳能力和大容量负荷的承载力提升。