[发明专利]一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法

说明书

本发明提供一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法，涉及能量路由器、分层控制、功率共享领域。首先，针对风能、太阳能、储能和利用的多端口需求，本发明提出了一种九端口能源路由器，以提高可再生能源的消耗和供电的灵活性。此外，为了减小能量路由器的体积，通过嵌入集成的电力电子转换器构建非隔离的交直流混合拓扑结构，实现了能量路由器的小型化。为了提高可再生能源利用率，提出了对能源路由器各部件进行分布式模块控制，为系统提供电压和频率支持，实现分布式电源的功率共享。在此基础上，提出了三模式开关功率交换控制，以保证复杂条件下的全局能量流平衡。

技术领域

本发明涉及能量路由器、分层控制、功率共享领域；尤其涉及一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法。

背景技术

近年来，智能家居以其安全、方便、舒适、环保的生活理念得到了大力推广。随着智能家居趋势的发展和家庭自动化水平的提高，智能家居中电器的广泛使用导致住宅能耗的急剧上升。根据美国能源情报署2020年的统计，住宅建筑的能耗已达到总能耗的22％，但可再生能源在住宅建筑总能耗中所占的比例仅为12％。随着智能家庭数量的快速增长，化石燃料的占有很难满足未来的能源需求。

为了缓解上述矛盾，众多学者对智能家居的家庭能源管理进行了研究。有的学者考虑节能与舒适生活体验之间的平衡，建立了智能家居节能的多目标混合非线性规划模型。有的学者提出了一种随机动态规划框架，用于智能家居的最优能量管理。有的学者开发了一种基于模糊的启发式优化控制器，降低了设备的功耗。一些学者提出了一种基于自主能量管理的优化方案，以减少峰值负荷时间。然而，现有的智能家居能源管理研究大多侧重于优化策略，而非能源调度硬件设备。从住宅能源管理的角度来看，智能家居迫切需要一种名为“能源路由器”的硬件设备来实现多种能源的分配、存储、转换和利用。

能源路由器的拓扑设计应结合智能家居的实际需求进行具体设计。从住宅能源供应方面，能源路由器实现了风能、太阳能和储能的整合，通过将本地可再生能源发电直接纳入智能家庭能源网络，可以提高可再生能源的消耗。从住宅能源利用方面来看，智能家居中出现了各种各样的新型电器，从小型电源传感器到高压直流电动汽车充电桩。为了减少电源适配器的数量，可以在能源路由器内配置多个电源转换器，以增强电源供应的灵活性。鉴于智能家居的能源供给侧和利用侧的需求，多端口设计对于能源路由器的拓扑结构尤为重要。然而，由于多端口设计，不可避免地提高了电压电平转换和电能形式的难度。传统供电系统的电压转换和能量转换依赖于隔离变压器，隔离变压器的存在增大了供电设备的体积。显然，对于空间有限的智能家居是不利的。针对智能家居中风能、太阳能、存储和利用的实际需求，能源路由器的拓扑结构应具有多端口、小体积的特点。

在变负荷和间歇可再生电源的情况下，如果没有针对能量波动和功率不平衡的控制策略，能量路由器很难实现完全自主。为了解决这一问题，让家用电器按照不同的优先级进行调度，以需求响应为主导因素。然而，基于电器方面的电力调度削弱了使用的灵活性，使得居民用户的“即插即用”实现变得困难。一些学者研究了一些特定的拓扑结构。直流网络中的存储被视为电压源来调节母线电压，交流网络中的存储被视为电流源来保持供需平衡。但当存储设备出现故障时，这个系统严重依赖能量储存极容易崩溃。于是采用了监控管理方案，上级能量管理系统(EMS)通过通信网络向下级电路发出功率命令。通过对分布式电源输出功率的监控和管理，降低了系统对储能的依赖。但在通信链路故障时，该控制方案会降低系统冗余度。因此，针对上述方法的不足，可以采用下垂控制来调节系统的电压和频率。这种控制方法独立于通信链路和复杂的控制算法，方便了负载的“即插即用”和分布式电源的扩展。对于特定的交直流混合微电网，双下垂控制实现了直流网络和交流网络之间的功率共享。类似地，双下垂控制也可应用于能量路由器的管理。但事实上，由于家庭电网脆弱的特点，当负载和电源发生变化时，能量路由器更容易出现功率不平衡，这将提高系统能量管理的复杂性。采用多模式管理是一种可行的策略。结合实际运行情况，系统通过多模式切换控制能量流，实现全局功率平衡。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于多模式分层管理策略的能量路由器及控制方法。