一种电能路由器功率流优化分析方法与流程

本发明涉及电网技术领域，本发明涉及，特别是涉及一种电能路由器功率流优化分析方法。

背景技术：

近年来，为了缓解能源危机、减小工业排放污染，大量的分布式可再生能源发电装置并入电网。但这些新能源发电方式往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性。为了减轻电网压力和增加可再生能源利用率，大量储能设备随之加入电网，为波动的能量流提供缓冲。因此，传统的单一集中式发电正逐渐向集中式、分布式并存的发电方式转变，电能的单向流动正变为多向流动方式。以电动车为代表的新型不确定性的负载加入，使电能的流动和管理变得更加复杂。传统电力系统的配电运行方式很难胜任这样复杂的要求。

随着电力改革和市场化的推进，未来电能交易将越来越自由灵活。电能的供给者不再限于原有的国有控股发电厂，民营小型发电厂、分布式能源发电站等新的电能提供者将逐渐出现，用户将有更多的选择空间。由于新能源发电渗入配电终端，以往的终端用户可在负载和源之间切换，譬如当家庭光伏发电装置产生过多电量时，便可将这些电量出售给电网或其他电能需求者。因此对于每个配电终端，电能的流动将从传统的单向流动变为双向流动，甚至多向流动。电力系统配电将从现在的“一对多”架构逐渐向“多对多”的形式转变，且每个配电终端可以在买方和卖方之间任意切换，电能流动的多样化大大增加。为了将电能定量、定点、定时地准确调度，电网的各个终端和节点均需要实现能量的主动调度管理，实现能量流的准确可控。而传统的电力系统和电力设备往往被动地调节功率平衡，对功率流的主动控制与分配较为困难。

为了满足未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求，有学者提出未来电网将在局部消纳的基础上，以微网、智能小区为自治单元，形成自下而上的能量单元的互联。日本学者提出了数字电网概念，将庞大的同步电网拆分成异步、自治的互联电力局域网，并通过数字电网路由器(digital grid router，DGR)进行能量调配和网络互联。美国北卡罗来纳州州立大学FREEDM中心提出以能量路由器为核心的能量互联网，同样致力于提供更好的新能源接入方案。由此看出，集成了成熟的信息技术，基于电力电子变换的电能路由器能够实现能量的高效接入和利用，将成为未来电网的核心部件，正受到越来越多的学者的重视。

电能路由器(Electrical Energy Router)基于电力电子变换技术，不但可为不同的可再生能源发电装置和不同类型的负载提供灵活的标准化功率或通讯接口形式，还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。与信息技术的融合使得电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络或储能电池运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对功率流的主动控制。

但是，现有的电能路由器控制系统仍然援用传统大型微电网系统的能量管理架构，对电力电子功率变换模块或单元的工作状态划分不够精确，对电力电子功率变换模块或单元在不同工况下的变换效率没有考虑，导致在制定功率流管理和能量流管理时，导致部分电力电子功率变换模块或单元工作在极低效率区间，甚至能量流经不必要的功率变换模块或单元造成额外的电能损耗，难以保证系统效率最优或者可再生能源利用率的最优。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明提出了一种电能路由器装置模块化的实现方法，基于单元状态函数值(表)和单元能耗系数值(表)的功率流对比分析及优化方法。

包括单元状态函数表和单元状态函数值，单元能耗系数表和单元能耗系数值，功率流能耗系数表及功率流能耗系数值。不同功率等级功率流之间需要用到修正能耗系数值以补偿因功率流传输功率不同而导致的能耗系数无法直接比较，或比较结果没有意义等问题。

本发明提出了一种电能路由器功率流优化分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、生成用于定义电能路由器各单元工作状态的单元状态函数值，为电能路由器控制系统决策提供依据；各单元状态函数值包括待机、停机、故障和掉电四种状态，每个单元状态函数值与电能路由器控制系统相匹配，也即电能路由器控制系统对各单元进行状态切换控制时，保证该单元在特定工况下能够工作在上述状态函数值描述的工作状态下，由对应功率变换模块或单元的所有单元状态函数值组成单元状态函数表；

步骤2、针对电能路由器内部具有电力电子变换器的硬件单元或模块，根据电压、电流和功率不同输入、输出状态进行典型效率特性曲线绘制，同时对于双向变换模块而言，还要分为正反向功率变换分别进行效率特性曲线绘制；选取效率特性曲线上的典型效率点，进行分段近似，以减少单元能耗系数表格的能耗系数值，并提高控制系统分析与决策速度，最后根据不同输入、输出条件、正反向工作状态，生成由对应功率变换模块或单元的所有单元能耗系数值及其组成的单元能耗系数表，能耗系数值与该状态下功率变换模块的转换效率关系为：能耗系数＝1-转换效率；单元能耗系数值与单元的输入、输出电参数对应，电能路由器控制系统只需要输入或输出的电压、电流和功率，在近似范围内选取特定的电压、电流或功率值，即可获得对应的单元能耗系数值，该数值介于0至1之间，数值越大，代表该功率变换模块或单元的能耗越大；

步骤3、电能路由器控制系统根据工况分类方法形成系统功率流分类列表，各功率流将唯一对应一定数量的功率变换模块，然后在各功率变换模块的单元能耗系数表中找到对应输入、输出条件下的各单元能耗系数值，各单元能耗系数值的绝对值之和记为功率流能耗系数，根据所述功率流能耗系数实现电能路由器功率流优化分析。

所述步骤3中，根据所述功率流能耗系数实现电能路由器功率流优化分析分为以下

两种情形：

当对比相同功率等级功率流能耗的情况下，根据所述功率流能耗系数直接进行功率流之间的优劣对比；

当对比不同功率等级功率流能耗的情况下，引入修正能耗系数作为功率因子：

修正能耗系数值＝R₁(1-转换功率)+R₂(1-功率流的功率/运行最大功率)

其中，R₁和R₂为修正因子，通过调整R1和R2的值，保证在对比功率流能耗因子时，所有系统可能的修正能耗系数均为0至1之间的任意数；转换效率指变换器或系统在不同输入和输出条件下，变换器或系统的输出有功功率与输入视在功率之比；功率流的功率指不同功率流对应的输出功率；运行最大功率指该系统或变换器所能输入的最大视在功率。

与现有技术相比，本发明可以通过对比能耗系数为单元工作状态以及系统功率流的优化选择提供理论依据，并帮助实现可再生能源利用率最优、可控负荷用电计划最优或者系统及储能电池经济性最优等优化控制目标。

附图说明

图1为本发明的单元状态函数表及单元状态函数值；

图2为功率变换模块或单元的能耗系数表；

图3为本发明的功率流能耗系数表；

图4为本发明的一种电能路由器功率流优化分析方法整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

本发明的单元状态函数表和单元状态函数值是根据电能采集系统所采集到的相关电能信息，用来定义电能路由器各单元可能的工作状态，并为电能路由器的控制系统决策提供所需信息。基于模块化软件系统思想，单元状态函数表作为一个独立信息库存在，每个单元的状态函数表内包含有10～20个状态函数值，用户可以根据需要自行添加或者删减各单元的状态函数值，但是系统需要根据各单元不同性质决定是否可以采用该状态函数值，以保证该状态函数值的加入或者删除不影响控制系统正常运行。用户还可以增加单元类别，例如储能单元，除了储能电池模块，用户还可以增加超级电容模块，该超级电容模块的状态函数除具有储能电池模块的状态函数值以外，还可以增加最大功率充放电状态函数值，用以提高系统切换期间的动态特性和系统对冲击负荷的供电能力。但是需要注意的是，所定义的任何状态函数值需与控制系统相匹配，也即控制系统对各单元进行状态切换控制时，要保证该单元在特定工况下能够工作在上述状态函数值描述的工作状态下，而不是一个永远不可能出现的单元工作状态，否则该单元状态函数值没有任何意义且控制系统将不接受该单元状态函数值。

需要特殊说明的是各单元状态函数值里面所述的待机、停机、故障和掉电之间的区别，待机是指该单元处于工作状态，但是输出功率极低或者电流极低，而随时可工作在任意输出状态；停机是指该单元能够正常与控制系统通讯和信息交互，但是该单元没有处于工作状态，需要经历启动过程才能进入工作状态；故障是指该单元能够正常与控制系统通讯和信息交互，但是该单元已不能处于工作状态；掉电则是指该单元已不能够与控制系统通讯和信息交互，且不能进入工作状态。单元状态函数表作为一个独立信息库存在，每个单元的状态函数表内包含有10～20个状态函数值，用户可以根据需要自行添加或者删减各单元的状态函数值，但是系统需要根据各单元不同性质决定是否可以采用该状态函数值，以保证该状态函数值的加入或者删除不影响控制系统的正常运行。用户还可以增加单元类别，例如储能单元，除了储能电池模块，用户还可以增加超级电容模块，该超级电容模块的状态函数除具有储能电池模块的状态函数值以外，还可以增加最大功率充放电状态函数值，用以提高系统切换期间的动态特性和系统对冲击负荷的供电能力。但是需要注意的是，所定义的任何状态函数值需与控制系统相匹配，也即控制系统对各单元进行状态切换控制时，要保证该单元在特定工况下能够工作在上述状态函数值描述的工作状态下，而不是一个永远不可能出现的单元工作状态，否则该单元状态函数值没有任何意义且控制系统将不接受该单元状态函数值。

本发明的单元能耗系数表是组成电能路由器的各硬件单元或模块，在传输或转换电能时或多或少均会引起能量损耗，但是诸如母线、连接开关等导致的电能损耗非常低，相比于电力电子变换器而言，其损耗可忽略，因此本发明的单元能耗系数表主要针对内部具有电力电子变换器的硬件单元或模块，以下简称内部具有电力电子变换器的硬件模块或单元为：功率变换模块或单元。根据电能路由器系统的构成对各功率变换模块或单元进行分类。在此基础上根据不同输入、输出状态进行典型效率特性曲线的绘制，通常而言该效率曲线应该是一族，以覆盖不同输入电压、输出电压以及输出功率条件；同时对于双向变换模块而言，其功率变换器还要分为正反向功率变换分别进行效率曲线绘制。在此基础上，选取5～10个典型效率点，进行分段近似，以减少单元能耗系数表格的能耗系数值，并提高控制系统分析与决策速度。最后根据不同输入、输出条件，正反向工作状态，生成单元能耗系数表，该表格的能耗系数值与该状态下功率变换模块的转换效率关系为：能耗系数＝1-转换效率；该表格与单元的输入、输出电参数对应，控制系统只需要输入或输出的电压、电流和功率，在近似范围内选取特定的电压、电流或功率值，即可获得对应的单元能耗系数值，该数值介于0～1之间，数值越大，代表该功率变换模块或单元的能耗越大，而对应功率变换模块或单元的所有单元能耗系数值组成的则为单元能耗系数表。单元能耗系数表和功率流能耗系数表的制定，主要是为了提供给控制系统以功率流对比和优化控制的依据，单元能耗系数值越大则表明对应的功率变换模块转换能耗越大，功率流能耗系数越大则表明该功率流的电能转换或传输能耗越大。从而可以通过对比能耗系数为单元工作状态以及系统功率流的优化选择提供理论依据，并帮助实现可再生能源利用率最优、可控负荷用电计划最优或者系统及储能电池经济性最优等优化控制目标。

为了便于控制系统的分析与决策，每个功率变换模块或单元将确定其正向或反向工作时的最小能耗系数值，在选择功率流及其功率大小时即可参考最小能耗系数值对应的输入、输出条件进行功率流的选择和功率的分配。

本发明的功率流能耗系数值和能耗系数表是功率流能耗系数在单元能耗系数表以及系统可能工况分类基础上形成的，例如在特定的负载需求、储能充放电需求或者并网需求条件下，控制系统根据可能工况分类方法形成系统功率流分类列表，各功率流将唯一对应一定数量的功率变换模块，然后在各功率变换模块的单元能耗系数表中找到对应输入、输出条件下的各单元能耗系数值，各单元能耗系数值的绝对值之和记为功率流能耗系数。为了便于控制系统的分析与决策，每个功率变换模块或单元将确定其正向或反向工作时的最小能耗系数值，在选择功率流及其功率大小时即可参考最小能耗系数值对应的输入、输出条件进行功率流的选择和功率的分配。

需要特殊说明的是，功率流能耗系数值需要在功率相等的情况下才具有准确的大小关系，否则就不能直接进行功率流之间的优劣对比，而需要增加功率因子：

修正能耗系数值＝R₁(1-转换功率)+R₂(1-功率流的功率/运行最大功率)

其中R₁和R₂为修正因子，通过调整R₁和R₂的值，可以保证在对比功率流能耗因子时，保证所有可能的修正能耗系数均为0～1之间的任意数。引入修正能耗系数的目的是对比不同功率等级功率流的能耗。转换效率指变换器或系统在不同输入和输出条件下，变换器或系统的输出有功功率与输入视在功率之比。因此在评价某一个变换器或系统的转换效率时，需要指出其工作时的输入和输出电参数：输入与输出的电压、电流的数值与相位。功率流的功率指不同功率流对应的输出功率，该功率是有功功率。运行最大功率指该系统或变换器所能输入的最大视在功率。

因此，功率流的功率/最大功率的定义是系统功率标幺化，其目的是为了将不同系统的功率进行标幺化处理，以方便不同功率等级系统之间进行能耗对比。

实际应用过程中，功率流对比往往是为了提供最优的能量传输路径，因此可能的功率流之间往往应该具有相同的功率等级，以及相同的功率流起点或者终点，所以不需要用到修正能耗系数值，仅仅在进行多目标优化时可能用到修正能耗系数值，例如在光伏和风机均正常发电时，如果想同时实现储能经济性和并网发电最优控制，由于此时储能电池不能完全按照能耗最优进行充放电，那么向电网传输的功率流就需要进行功率调控，一种功率流控制思路是保证光伏和风机MPPT控制单元能耗系数值最优，而并网逆变器将储能电池所需能量之外的发电能量全部传输至电网，因此并网逆变单元的能耗系数值将不考虑优化控制；或者另一种功率流控制思路是通过改变光伏和风机MPPT控制单元输出功率也即改变单元能耗系数值并同时改变并网逆变器的输出功率也即单元能耗系数值，使得整体功率流的能耗系数值最低，此时就可能会增大光伏MPPT控制单元出力，而减小风机MPPT控制单元出力，因此这种情况下各备选功率流之间就是处于不同功率等级的，需要用到修正能耗系数值。

单元能耗系数表和功率流能耗系数表的制定，主要是为了提供给控制系统以功率流对比和优化控制的依据，单元能耗系数值越大则表明对应的功率变换模块转换能耗越大，功率流能耗系数越大则表明该功率流的电能转换或传输能耗越大。从而可以通过对比能耗系数为单元工作状态以及系统功率流的优化选择提供理论依据，并帮助实现可再生能源利用率最优、可控负荷用电计划最优或者系统及储能电池经济性最优等优化控制目标。

从电能路由器系统可能的工况中选择一种进行分析：

(1)风-光-储离网运行：

风-光-储离网运行时，风能和太阳能最终都应该流向负载，当然可能的中间环节是储能单元。因此其可能的功率流包括：①风机→(MPPT控制器)→直流母线→(直流负载)，②光伏→(MPPT控制器)→直流母线→(直流负载)，③风机→(MPPT控制器)→直流母线→(储能电池)，④光伏→(MPPT控制器)→直流母线→(储能电池)，⑤风机→(MPPT控制器)→直流母线→(逆变器)→交流母线→(交流负载)，⑥光伏→(MPPT控制器)→直流母线→(逆变器)→交流母线→(交流负载)，⑦储能电池→(充放电控制器)→直流母线→(直流负载)，⑧储能电池→(充放电控制器)→直流母线→(逆变器)→交流母线→(交流负载)，等等。其中，括号内的硬件单元均包含电力电子变换装置，因此都可以列出相应的能耗系数表，而且从上面已经列出的功率流列表也可以看出，通常而言，功率流①和②应该具有最低的能耗系数值，虽然③和④也具有极低的能耗系数但是储能电池的能量最终还要通过一级变换器才能消耗在直流负载或者交流负载中，因此，整体而言，其充电时和放电时的能耗系数加起来，将大于能量直接从分布式电源转换至直流负载甚至交流负载时功率流对应的能耗系数。但是在实际使用过程中，由于用户的介入，往往不能单从能耗最优来考虑，此时就需要在满足用户需求的前提下，通过控制程序的功率流优化算法尽量提升系统的转换效率，也即在用户设定条件下降低功率流能耗系数值。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，但不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。