一种多级能量路由器协同系统及方法与流程

1.本发明涉及能量路由器技术领域，尤其是涉及一种多级能量路由器协同系统及方法。


背景技术：

2.随着分布式能源发电、储能设备及不同类型的电能负载的接入，传统的电力系统已经无法满足多样供电形式、多想能量流动以及功率流的调控等要求，不足以适应电力市场化的需要。而由电力电子变换技术构成的电能路由器，能够为不同的分布式能源和不同类型负载提供灵活多样化的接口电气，还能实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。电能路由器融合信息技术后拥有通讯和智能决策能力，能够将新能源发电、储能、负荷便捷的接入，实现能量的高效供给和对电力网络能量流的主动管理；以能量路由器为核心组建的电能路由网，能够充分发挥能量路由器的“路由”功能，兼具能量管理、柔性接入、深度感知、调节电能质量、全网络信息互联互通等优势，为“高弹电网”理念逐步推行，实现能源利用多样化提供的坚实的技术支撑。
3.在中国专利文献中公开的“能量路由器运行控制方法及系统”，其公开号为cn113258562a，公开日期为2021-08-13，将能量路由器划分为正常运行模式、低压穿越模式两种工作模式。正常运行模式下，通过对柴油发电机出力分阶段调度实现系统协调稳定，维持源荷间功率平衡，同时实现储能单元的soc调控，保证能量路由器高效运行；低压穿越模式下，通过使柴油发电机、光伏发电单元按最大输出功率出力，储能单元采用恒压控制，系统级协调控制以抑制母线电压的持续下降，支撑母线电压的快速恢复，保证能量路由器低压故障的有效穿越。但是在该技术中只是对单个能量路由器的控制，而在实际的配电网络中，需要由大量的能量路由器作为核心来组成电能能量的路由网络，因此需要一种控制方法来协调控制所有的能量路由器，提供配电网络的工作稳定性。


技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有技术中缺少对配电网络中利用大量能量路由器进行进行能量流动协调管理的技术的问题，提供了一种多级能量路由器协同系统及方法，以能量路由器作为核心节点在整个配电网络中组成能量路由网络，具有能量管理、增强配电网柔性、电能质量调节、网络信息互联互通等功能，可以解决分布式能源的间歇性问题，提高电能的利用效率，提升配电网工作稳定性。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多级能量路由器协同系统，包括：总控制中心，用于对整个配电网的电能流动进行管理，所述总控制中心包括能相互进行电能传输的总能量路由器和总储能模块，还设置有云端进行数据存储；若干单元电网，所有单元电网共同组成整个配电网，每个单元电网中设置有一个子能量路由器；
所述子能量路由器与总能量路由器间能进行电能的双向传输，所述子能量路由器与云端间能进行双向通信。
6.本发明中以总控制中心中的总能量路由器作为配电网的最核心节点，总能量路由器可以是由多个能量路由器并行设置的组合；再以每个单元电网中的子能量路由器作为次一级的节点与总能量路由器组成辐射状路由网络，覆盖整个配电网，从而通过在各个节点上的能量路由器对配电网的电能流动进行控制管理。此外总控制中心中还设置有云端存储数据信息，每个子能量路由器收集到的数据都会自动上传到云端中，总控制中心可以根据云端内接收到的数据整理分析，从而调整控制总能量路由器对配电网中电能流动的方案和规划。
7.作为优选，所述单元电网为进行电能流动管理的最小配电网络，相邻的单元电网内的子能量路由器之间都能进行电能的双向传输。本发明中相邻单元电网内的子能量路由器之间也能进行电能的双向传输，使整个路由网络中任意相邻的若干个单元电网都能组合成更大范围的配电网络，可以使电能在这些单元电网之间互相流动而不通过总能量路由器控制，因此即使部分能量路由器故障也能保证附近单元电网的工作稳定性。
8.作为优选，所述单元电网内包括子能量路由器，所述子能量路由器分别连接储能模块、若干分布式能源和若干用户能量路由器进行电能传输，所述用户能量路由器与用户侧负荷连接。本发明中在子能量路由器下一级中还设置有用户能量路由器，用户能量路由器是能量路由网络中最基本的节点，对于其相连的用户侧负荷进行电能流动的控制，同时还可以检测用户侧负荷用电的类型和参数，为用户侧负荷提供类型和参数匹配度更高的电能，提高用电效率。储能模块是单元电网内的电能储备设备，与分布式能源一起组合为单元电网内的用户侧负荷供电，通过子能量路由器的电能分配可以降低分布式能源间歇性发电对电网的影响。
9.作为优选，所述储能模块包括若干储能装置，所述分布式能源为可再生能源发电装置，所述单元电网还设置有环境参数采集模块，用于采集影响分布式能源发电效率的环境参数。本发明中储能模块包括并行设置的若干储能装置，包括但不限于蓄电池、水利储能和热储能等不同的储能方式，同时用蓄电池储能还能直接移动蓄电池位置来达到电能转移的目的且不占用配电网传输负荷。此外分布式能源主要是光伏发电、风力发电、水力发电等可再生资源发电，其容易受环境因素影响而不能稳定发电，因此设置环境参数采集模块对分布式能源附近区域的环境参数进行采集，有利于预测分布式能源的发电量，便于子能量路由器的电能流动控制。
10.一种多级能量路由器协同方法，包括：s1、预测单元电网一天内需要由配电网输入的电能，并由子能量路由器发送到云端；s2、总控制中心接收来自所有子能量路由器的预测数据，得到整个配电网络一天内需要由外界输入的电能预测值；s3、总能量路由器根据s2中的电能预测值设定整个配电网的初始输入电能总量；s4、总能量路由器和子能量路由器根据单元电网的实际需要的电能进行电能流动管理。
11.本发明中由于每个单元电网都可以看做是相对独立的微电网，其分布式能源发电
的电能首先都是在单元电网内就地消纳，单元电网与外界的联系方式就是配电网中电能的输入输出，在实际过程中，每个单元电网都需要有配电网的电能输入来满足用电需求，因此首先需要预测每个单元电网计划需要的配电网电能输入，然后由总控制中心进行汇总从而得到整个配电网计划需要由外界输入的电能预测值，根据预测值来设定总能量路由器接下来预计需要控制的初始输入电能总量，在开始输入电能时以初始输入电能总量作为基础，然后根据实际负荷用电和分布式能源发电对每个单元电网的输入电能进行微调，从而保证配电网的稳定工作。
12.作为优选，所述s1中包括以下步骤：s11、预测用户侧负荷一天内的用电总量；s12、预测分布式能源一天内的发电总量；s13、将用电总量与发电总量的差值与储能模块的储能量进行比较得到需要由外界输入的电能。
13.本发明中单元电网中用户侧负荷的用电总量即为单元电网预计需要消耗的电能，分布式能源发电总量以及储能模块内的储能量即为单元电网内部能够提供的最大电能总量，两者的差值就是需要由配电网输入单元电网的电能。
14.作为优选，所述s4中，在电能流动管理过程中，用户侧负荷消耗电能的优先级由高到低为分布式能源发电电能、储能模块储存电能、配电网输入的电能。本发明中在消耗电能时优先消耗分布式能源发电的电能，当分布式能源发电不足时可以再通过储能模块供电，这样可以优先完成分布式能源的就地消纳，同时由储能模块配合可以避免分布式能源的间歇性对负荷用电的影响，配电网输入的电能作为最低的优先级供电，可以降低配电网电能传输的负荷，同时多余的分布式能源电能和配电网输入的电能都能给储能模块进行充电，保证储能模块有足够的电能存储。
15.本发明具有如下有益效果：以能量路由器作为核心节点在整个配电网络中组成能量路由网络，具有能量管理、增强配电网柔性、电能质量调节、网络信息互联互通等功能，可以解决分布式能源的间歇性问题，提高电能的利用效率，提升配电网工作稳定性；将能量路由器以不同等级组成能量路由网络，每个能量路由器都能对对应的单元电网能的电能流动进行控制，因此当配电网部分出现故障时，每个单元电网或多个相邻的单元电网可以组成孤岛对内部进行电能流动控制，从而保证配电网仍然能够正常工作。
附图说明
16.图1是本发明多级能量路由器协调系统的示意框图；图2是本发明一个单元电网内能量路由器连接的示意图；图3是本发明多级能量路由器协调控制方法的流程图。
具体实施方式
17.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
18.如图1所示，一种多级能量路由器协同系统，包括用于对整个配电网内的电能流动进行管理的总控制中心，总控制中心设置有总能量路由器、总储能模块和云端；总能量路由器和总储能模块能相互进行电能传输，云端用于存储接收到的数据；还包括n个单元电网，
第1单元电网到第n单元电网共同组成整个配电网，在每个单元电网中都设置有一个子能量路由器；每个子能量路由器都与总能量路由器进行电能的双向传输，同时子能量路由器与云端通信连接进行信息数据的传送。
19.单元电网是配电网中进行电能流动管理的最小配电网络，任何相邻的单元电网内的子能量路由器之间都能进行电能的双向传输。
20.单元电网内包括有子能量路由器，如图2所示，子能量路由器与储能模块进行电能的双向传输，子能量路由器与每一个分布式能源都能进行电能的传输，子能量路由器与每一个用户能量路由器都能进行电能传输，同时用户能量路由器与用户侧负荷一一对应进行连接。
21.单元电网中的储能模块可以是数量不同种类不同的储能装置，分布式能源优先选择接入可再生能源发电设备，单元电网内还设置有环境参数采集模块，用于采集影响分布式能源发电效率的环境参数。
22.本发明中以总控制中心中的总能量路由器作为配电网的最核心节点，总能量路由器可以是由多个能量路由器并行设置的组合；再以每个单元电网中的子能量路由器作为次一级的节点与总能量路由器组成辐射状路由网络，覆盖整个配电网，从而通过在各个节点上的能量路由器对配电网的电能流动进行控制管理。此外总控制中心中还设置有云端存储数据信息，每个子能量路由器收集到的数据都会自动上传到云端中，总控制中心可以根据云端内接收到的数据整理分析，从而调整控制总能量路由器对配电网中电能流动的方案和规划。
23.本发明中相邻单元电网内的子能量路由器之间也能进行电能的双向传输，使整个路由网络中任意相邻的若干个单元电网都能组合成更大范围的配电网络，可以使电能在这些单元电网之间互相流动而不通过总能量路由器控制，因此即使部分能量路由器故障也能保证附近单元电网的工作稳定性。
24.本发明中在子能量路由器下一级中还设置有用户能量路由器，用户能量路由器是能量路由网络中最基本的节点，对于其相连的用户侧负荷进行电能流动的控制，同时还可以检测用户侧负荷用电的类型和参数，为用户侧负荷提供类型和参数匹配度更高的电能，提高用电效率。储能模块是单元电网内的电能储备设备，与分布式能源一起组合为单元电网内的用户侧负荷供电，通过子能量路由器的电能分配可以降低分布式能源间歇性发电对电网的影响。
25.本发明中储能模块包括并行设置的若干储能装置，包括但不限于蓄电池、水利储能和热储能等不同的储能方式，同时用蓄电池储能还能直接移动蓄电池位置来达到电能转移的目的且不占用配电网传输负荷。此外分布式能源主要是光伏发电、风力发电、水力发电等可再生资源发电，其容易受环境因素影响而不能稳定发电，因此设置环境参数采集模块对分布式能源附近区域的环境参数进行采集，有利于预测分布式能源的发电量，便于子能量路由器的电能流动控制。
26.一种多级能量路由器协同方法，如图3所示，包括：s1、预测一天内单元电网需要由配电网输入的电能，子能量路由器将预测结果发送到云端；s1中具体包括以下步骤：s11、预测第i单元电网一天内用户侧负荷的用电总量wic；
s12、预测第i单元电网一天内分布式能源的发电总量wig；s13、将用电总量wc与发电总量wg的差值与储能模块的储能量qi进行比较得到需要由外界输入的电能wiq。
27.s2、总控制中心对来自子能量路由器的所有预测数据进行求和，得到整个配电网络一天内需要由外界输入的电能预测值；s3、总能量路由器根据s2中的电能预测值设定整个配电网的初始输入电能总量qt；s4、根据单元电网实际需要的电能，总能量路由器和子能量路由器分别对配电网输入的电能进行电能流动管理；在电能流动管理过程中，用户侧负荷首先消耗分布式能源发电电能，然后消耗储能模块中储存电能，最后消耗配电网输入的电能。
28.本发明中由于每个单元电网都可以看做是相对独立的微电网，其分布式能源发电的电能首先都是在单元电网内就地消纳，单元电网与外界的联系方式就是配电网中电能的输入输出，在实际过程中，每个单元电网都需要有配电网的电能输入来满足用电需求，因此首先需要预测每个单元电网计划需要的配电网电能输入，然后由总控制中心进行汇总从而得到整个配电网计划需要由外界输入的电能预测值，根据预测值来设定总能量路由器接下来预计需要控制的初始输入电能总量，在开始输入电能时以初始输入电能总量作为基础，然后根据实际负荷用电和分布式能源发电对每个单元电网的输入电能进行微调，从而保证配电网的稳定工作。
29.本发明中单元电网中用户侧负荷的用电总量即为单元电网预计需要消耗的电能，分布式能源发电总量以及储能模块内的储能量即为单元电网内部能够提供的最大电能总量，两者的差值就是需要由配电网输入单元电网的电能。
30.本发明中在消耗电能时优先消耗分布式能源发电的电能，当分布式能源发电不足时可以再通过储能模块供电，这样可以优先完成分布式能源的就地消纳，同时由储能模块配合可以避免分布式能源的间歇性对负荷用电的影响，配电网输入的电能作为最低的优先级供电，可以降低配电网电能传输的负荷，同时多余的分布式能源电能和配电网输入的电能都能给储能模块进行充电，保证储能模块有足够的电能存储。
31.在本发明的实施例中，每个单元电网区域都可以看做是一个相对独立的微电网，有对应的子能量路由器进行电能流动管理控制，同时单元电网与外界的连接途径只有两种，一种是子能量路由器与总能量路由器直接的配电网连接，目的是通过总能量路由器和子能量路由器完成整个配电网对单元电网输入电能的控制分配；另一种是相邻单元电网内的子能量路由器之间的电能双向传输，可以不通过总能量路由器，直接根据相邻子能量路由器直接的协调控制完成单元电网之间的电能流动控制。
32.此外子能量路由器可以用于检测不同的分布式接入能源的电能类型和参数，包括交流电或者直流电、发电功率、输入电压以及电流值等；而用户能量路由器可以检测用户侧负荷用电需要的类型和参数，包括交流用电或直流用电、耗电功率、额定电压、额定电流等，在子能量路由器进行电能流动控制时，可以首先将与用户侧负荷用电类型和参数相同或接近的电能作为优选供电来源，即交流电源优选供给消耗交流电的用户侧负荷，直流电源优先供给消耗直流电的用户侧负荷，同时对于电压、电流和功率参数首先选择差异最小的进行供电，然后依次选择差异逐渐变大的进行供电，这样可以减少电能转化过程中的损耗，从
而提高配电网中电能的利用效率。同时在单元电网中最先消耗分布式能源发电的电能，若分布式能源发电的电能大于用户侧负荷消耗的电能时可以将多余的电能储存到储能模块中，即以完成分布式能源的就地消纳为首要目标。
33.在本发明的实施例中以第i单元电网为例对预测一天内单元电网需要由配电网输入的电能的预测结果进行说明。首先外界配电网输入的电能wiq即为单元电网一天内需要消耗的总电能减去单元电网一天内自身能够提供的总电能。其中单元电网一天内需要消耗的总电能为wic，就是单元电网一天内用户侧负荷预测消耗的用电总量，由于是预测值，而在正常情况下相邻几天内的用电量波动范围都较小，因此wic可以使用前一天单元电网用户侧负荷消耗的用电总量作为预测值。而对于单元电网一天内自身能够提供的总电能，其包括由两个部分，第一部分时分布式能源能够提供的电能，第二部分时储能模块能够提供的电能。对于分布式能源能够提供的电能即为wig，是单元电网一天内分布式能源的预测发电总量，这里对发电总量的预测需要通过环境参数采集模块采集到的的环境参数进行预测，根据光照强度、光照时间等因素得到光伏发电的发电量；根据风力等级、风向等因素得到风力发电的发电量；根据新能源发电的影响因素的实际数值来具体预测新能源发电的电能，最终得到wig。而对于储能模块中的储能量qi，当配电网突发故障后单元电网或相邻单元电网组成的配电网络到作为孤岛将无法接收到配电网输入的电能，此时子能量路由器进行电能流动控制时需要储能模块作为供电来源，因此储能模块中的储能量qi不能全部作为供电电能考虑到单元电网一天内自身能够提供的总电能中，只能选取qi的一部分进行考虑，在本实施例中为了方便说明选择qi/2作为供电电能进行考虑，剩下的qi/2作为紧急备用电能。因此第i单元电网中需要由外界输入的电能wiq=wic-wig-qi/2，当wiq为正值时说明需要由外界向单元电网的输入wiq的电能，当wiq为负值时说明单元电网中有电能剩余可以向配电网输入多余电能。
34.在完成对每个单元电网需要由外界输入的电能的预测数据wiq后，子能量路由器会将预测数据发送到总控制中心的云端上，总控制中心根据云端上的所有预测数据wiq进行求和可以得到整个配电网络预测需要由外界输入的电能，根据该预测值总控制中心计划分配相同值的电能作为整个配电网一天内的初始输入电能总量qt，总能量路由器首先根据每个单元电网上传的数据信息wiq对每个单元电网进行电能流动的配额控制。若最终整个配电网实际需要由外界输入的电能大于qt时，首先通过总控制中心内的总储能模块提供电能由总能量路由器进行电能分配，若总储能模块的储能不足以弥补电能缺额时，或总储能模块的储能量下降到一定阈值比如总量的一半时，可以通过总能量路由器继续向外界获取电能输入配电网中；若最终整个配电网实际需要由外界输入的电能小于qt时，多余的电能可以有总能量路由器分配储存到总储能模块中，从而保证配电网的稳定工作，若总储能模块已经储满时，可以将多余的电能重新通过配电网传输到外界，从而维持配电网的稳定工作，完成配电网的柔性控制。
35.当本实施例具体到某个单元电网时，配电网输入的电能配额为wiq，但是wiq的电能并非最先输入供用户侧负荷进行消耗的。用户侧负荷需要消耗电能，在t时刻的消耗功率为pic(t)；与此同时分布式能源会不断发电，同样在t时刻的发电功率为pig(t)。当pic(t)小于或等于pig(t)时，分布式能源发电完全供给电能消耗，多余的电能通过子能量路由器控制流动到储能模块中，而当储能模块电能储存满时则将多余的电能传输回配电网中。当
pic(t)大于pig(t)时，此时说明分布式能源发电功率不足以覆盖所有的用户侧负荷的电能消耗，因此需要储能模块中储存的电能通过子能量路由器同时向用户侧负荷供电，其中储能模块的最大输出功率为pqmax；当pic(t)小于或等于pig(t) pqmax时，说明分布式能源和储能模块的输出功率足以覆盖用户侧负荷的电能消耗，而当pic(t)大于pig(t) pqmax时，说明分布式能源和储能模块的输出功率不足以覆盖用户侧负荷的电能消耗，因此需要继续由子能量路由器从配电网向单元电网中输入电能来满足消耗；在另一种情况下，即当pic(t)小于或等于pig(t) pqmax时，但是储能模块中储能的电能低于qi/2时，储能模块中储存的电能低于提前设定的阈值，此时不能继续由储能模块供电，需要子能量路由器从配电网向单元电网输入电能来满足消耗。由此完成子能量路由器对单元电网中电能流动的控制。
36.而当配电网某处故障使得某个单元电网如第i单元电网中的子能量路由器无法从总能量路由器中调动电能的输入时，由于相邻的单元电网中的子能量路由器之间都能进行电能的双向传输，因此可以将原先给第i单元电网的预定配额wiq平均分配到与第i单元电网相邻的单元电网中，由相邻的单元电网通过子能量路由器之间的电能传输网络向第i单元电网传输电能，从而保证了第i单元电网中电能的稳定供应，同时降低了配电网故障时故障区域附近某条线路突然增加的传输负荷，将传输负荷平均分配到多个单元电网在配电网中的传输线路中，降低了超负荷传输造成二次故障的概率，提升了配电网工作的稳定性。此外当配电网多处发生故障使得配电网电能无法输入单元电网时，每个单元电网都相当于一个独立的孤岛，此时只有分布式能源和储能模块储存的电能能够给用户侧负荷供电，储能模块动用额外的qi/2紧急备用电能来维持单元电网内用户侧负荷的低功率消耗，同时由于储能模块包括有蓄电池，因此可以通过车辆运送储满电能的蓄电池与单元电网内没有电能的蓄电池进行更换，延长单元电网中给用户侧负荷供电的时间，避免了断电给用户带来的不便。
37.上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。