专利摘要

本发明公开了一种海岛特种能量路由器的供电方法，属于电力控制技术领域。能量路由器包括交直流两条母线：交流供电单元经AC/DC变换器汇入直流母线，光伏阵列经移相全桥1汇入直流母线，储能单元经双向DAB变换器与直流母线实现能量交互；交流供电单元经旁路开关汇入交流母线，直流母线经PWM逆变器与交流母线实现能量交互，交流母线分别给三相交流负载和单相交流负载供电；直流母线采用光伏、储能单元和交流供电单元联合供电，有效提升宽输入电压范围的接纳能力。负荷过载工况下，本发明采用PWM逆变器和交流供电单元联合供电，可同时提供两种交流能量通道，有效提升了电源过载能力。

权利要求

1.一种海岛特种能量路由器的供电方法，海岛特种能量路由器包括直流母线和交流母线；所述直流母线输入侧与AC/DC变换器、输入侧移相全桥、双向DAB连接；所述直流母线输出侧与PWM逆变器、至少一个输出侧移相全桥连接；所述AC/DC变换器与交流供电单元连接；所述交流供电单元与旁路开关连接；所述PWM逆变器、旁路开关均与交流母线连接；其特征在于，包括：

轻载或空载供电，PLoad<Pvmax时：

SOC<95％工况下，储能单元工作于充电模式，光伏阵列工作于恒压控制运行模式，交流供电单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

SOC>95％工况下，储能单元停止充电，保持待机状态，光伏发电处于恒压控制运行模式，交流控制单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

重载供电，Pvmax<PLoad<Pdmax+Pvmax工况下，光伏发电MPPT跟踪最大输出功率，交流供电单元由AC/DC变换器输出功率，补偿负载与光伏发电之间的功率差额，储能单元处于待机状态，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；

重载供电，PLoad>Pdmax+Pvmax，SOC>20％工况下，交流供电单元输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元处于放电状态，工作于稳压模式，自动补偿负载、储能与光伏发电之间的功率差额，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；SOC<20％工况下，交流供电单元通过控制移相全桥模块输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元处于待机状态，同时输出接口切除非主要负荷，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；

短时过载供电工况下，直流母线交流供电单元输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元工作于稳压模式；当检测到PWM逆变器输出电压超过限定值时，立即触发开关信号S接通旁路开关，将交流供电单元和PWM逆变器进行联合供电；后级PWM逆变器采用虚拟同步控制方法，使得PWM逆变器输出电压upwm与交流供电单元输出电压us幅值相位一致；

其中，PLoad表示负载总功率，Pdmax表示交流供电单元AC/DC变换器输出最大功率，Pvmax表示光伏阵列输出最大功率。

2.根据权利要求1所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述输入侧移相全桥与光伏阵列连接；所述双向DAB与储能单元连接；所述直流母线与直流母线互联接口连接。

3.根据权利要求1所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述交流母线接三相交流接口、单相交流接口。

4.根据权利要求1～3之一所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，输出侧移相全桥数量为两个，其中一个输出侧移相全桥接高压直流接口，另一个输出侧移相全桥接低压直流接口。

5.根据权利要求1所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述交流供电单元采用直流母线电压参考值Voref作为控制指令值，直流母线电压实际值Vbus作为反馈值，Voref与Vbus两者之差经PI控制器产生移相占空比D1，D1＝kp(Voref-Vbus)+ki∫(Voref-Vbus)dt；其中kp，ki别表示PI控制器的比例和积分参数。

6.根据权利要求2所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述双向DAB的控制方式包括稳压控制、充电控制、启动控制；其中：稳压控制公式如下：D2-1为储能单元前级移相占空比，D2-2为储能单元后级移相占空比，D2-3为储能单元外移相占空比；kp，ki别表示PI控制器的比例和积分参数；Voref为直流母线电压参考值；Vbus为直流母线电压实际值；

充电控制公式如下：Vb为储能单元输出实际值；fop表示优化算法的变换函数；

启动控制公式如下：D2-1＝kp(Voref-Vbus)+ki∫(Voref-Vbus)dt。

7.根据权利要求2所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述光伏阵列控制过程包括：

MPPT控制：根据光伏输出功率Pv与输出电压Vpv关系，采用MPPT算法计算出光伏阵列输出电压参考值Vpvref，与光伏实际电压Vpv作差之后经控制器产生移相占空比Dpv：

Dpv＝kp(Vpvref-Vpv)+ki∫(Vpvref-Vpv)dt；

Vpvref＝fMPPT(Pv,Vpv)；

其中fMPPT表示MPPT算法的变换函数，kp，ki别表示PI控制器的比例和积分参数；

恒压控制：采用直流侧母线电压参考值Voref作为控制指令值，直流母线电压实际值Vbus作为反馈值，两者之差经PI控制器计算得到移相占空比Dpv；Dpv＝kp(Voref-Vbus)+ki∫(Voref-Vbus)dt。

8.根据权利要求1所述的海岛特种能量路由器的供电方法，其特征在于，所述PWM逆变器的虚拟同步控制方法包括：通过锁相环计算出交流控制单元输出电压us的相角θ，然后结合交流母线电压幅值VAC计算出PWM逆变器输出电压参考值uacref，将计算得到的电压参考值uacref与PWM逆变器实际输出电压uac作差，差值经PI控制器得到PWM逆变器占空比D3：D3＝kp(uacref-uac)+ki∫(uacref-uac)dt；其中，uacref＝VACsin(ωt+θ)；kp，ki分别表示PI控制器的比例和积分参数。

说明书

技术领域

本发明涉及电力控制领域，特别是一种海岛特种能量路由器的供电方法。

背景技术

我国海域辽阔，海岸线狭长，岛屿众多，海岸带资源丰富。海岛作为“海上丝绸之路”战略的前哨战，在国土安全、国防安全具有特殊重要地位；海岛开发是我国实施“海洋工程”的重大部署，是我国走向“海洋强国”的必经之路。目前海岛的军用武器装备、国防与民用设施首要亟需稳定、可靠的电力供应。高可靠供电系统是海岛建设的基石与重要保障。

海岛内太阳能、风能、波浪能、生物质能等各类新能源储备丰富，相对传统柴油发电，这些新能源存在供电能力有限、受环境影响大、输出功率波动等缺点。对于偏远但战略意义重大的岛屿而言，由于铺设海下电缆需要在技术和经济上付出巨大代价，难以实现内地配电网跨海远距离输电。因此，面向可持续性发展战略和岛内能源的局限性，岛内必须接纳不确定性与波动性极强的风光储等多分布式电源。同时，海岛高能武器装备等军用负荷、港口作业等冲击性民用负荷、通讯基站等敏感工业负荷需要高质、高可靠供电，而常用柴油机组响应速度慢，无法输出瞬时高能量，响应速度快的电力电子装置过流能力有限，无法长时间过载运行，现有电能互联拓扑难以满足电源瞬时能量高、过载持续时间长等岛屿特殊负荷需求，这将严重制约重要的高能武器装备性能发挥，亟需突破该高过载，宽范围输入电能智能互联系统的重大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种海岛特种能量路由器及其供电方法，解决现有电能互联拓扑难以满足电源瞬时能量高、过载持续时间长等特殊负荷需求问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海岛特种能量路由器的供电方法，海岛特种能量路由器包括直流母线和交流母线；所述直流母线输入侧与AC/DC变换器、输入侧移相全桥、双向DAB连接；所述直流母线输出侧与PWM逆变器、至少一个输出侧移相全桥连接；所述AC/DC变换器与交流供电单元连接；所述交流供电单元与旁路开关连接；所述PWM逆变器、旁路开关均与交流母线连接；包括：

轻载或空载供电，P_Load<P_vmax时：

SOC<95％工况下，储能单元工作于充电模式，光伏阵列工作于恒压控制运行模式，交流供电单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

SOC>95％工况下，储能单元停止充电，保持待机状态，光伏发电处于恒压控制运行模式，交流控制单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

重载供电，P_vmax<P_Load<P_dmax+P_vmax工况下，光伏发电MPPT跟踪最大输出功率，交流供电单元由AC/DC变换器输出功率，补偿负载与光伏发电之间的功率差额，储能单元处于待机状态，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；

重载供电，P_Load>P_dmax+P_vmax，SOC>20％工况下，交流供电单元输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元处于放电状态，工作于稳压模式，自动补偿负载、储能与光伏发电之间的功率差额，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；SOC<20％工况下，交流供电单元通过控制移相全桥模块输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元处于待机状态，同时输出接口切除非主要负荷，交流母线上采用PWM逆变器进行供电；

短时过载供电工况下，直流母线交流供电单元输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，储能单元工作于稳压模式；当检测到PWM逆变器输出电压超过限定值时，立即触发开关信号S接通旁路开关，将交流供电单元和PWM逆变器进行联合供电；后级PWM逆变器采用虚拟同步控制方法，使得PWM逆变器输出电压u_pwm与交流供电单元输出电压u_s幅值相位一致；

其中，P_Load表示负载总功率，P_dmax表示交流供电单元AC/DC变换器输出最大功率，P_vmax表示光伏阵列输出最大功率。

所述输入侧移相全桥与光伏阵列连接；所述双向DAB与储能单元连接；所述直流母线与直流母线互联接口连接。

所述交流母线接三相交流接口、单相交流接口。

输出侧移相全桥数量为两个，其中一个输出侧移相全桥接高压直流接口，另一个输出侧移相全桥接低压直流接口。

所述交流供电单元采用直流母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，V_oref与V_bus两者之差经PI控制器产生移相占空比D₁，D₁＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt；其中k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数。

所述双向DAB的控制方式包括稳压控制、充电控制、启动控制；其中：

稳压控制公式如下： D_2-1为储能单元前级移相占空比，D_2-2为储能单元后级移相占空比，D_2-3为储能单元外移相占空比；k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数；V_oref为直流母线电压参考值；V_bus为直流母线电压实际值；

充电控制公式如下： V_b为储能单元输出实际值；f_op表示采用优化算法的变换函数；

启动控制公式如下：D_2-1＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt。

所述光伏阵列控制过程包括：

MPPT控制：根据光伏输出功率P_v与输出电压V_pv关系，采用MPPT算法计算出光伏阵列输出电压参考值V_pvref，与光伏实际电压V_pv作差之后经控制器产生移相占空比D_pv：

D_pv＝k_p(V_pvref-V_pv)+k_i∫(V_pvref-V_pv)dt；

V_pvref＝f_MPPT(P_v,V_pv)；

其中f_MPPT表示采用MPPT算法的变换函数，k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数；

恒压控制：采用直流侧母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，两者之差经PI控制器计算得到移相占空比D_pv；D_pv＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt。

所述PWM逆变器的虚拟同步控制方法包括：通过锁相环计算出交流控制单元输出电压u_s的相角θ，然后结合交流母线电压幅值V_AC计算出PWM逆变器输出电压参考值u_acref，将计算得到的电压参考值u_acref与PWM逆变器实际输出电压u_ac作差，差值经PI控制器得到PWM逆变器占空比D₃：D₃＝k_p(u_acref-u_ac)+k_i∫(u_acref-u_ac)dt；其中，u_acref＝V_ACsin(ωt+θ)；k_p，k_i分别表示PI控制器的比例和积分参数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明光伏发电采用移相全桥结构，三相交流单元通过采用移相全桥结构接入直流母线，有效提升了系统输入宽电压范围接纳能力。同时采用含多种模式切换的供电方法，可最大限度的利用新能源，有效解决了新能源的接纳和利用难的问题。此外，采用三相交流单元，光伏发电，储能单元联合供电，交流母线侧根据旁路开关和PWM逆变器联合供电，可同时提供两种交流能量通道，有效提升了电源短时过载能力，解决了现有电能互联拓扑难以满足电源瞬时能量高、过载持续时间长等岛屿特殊负荷需求。同时结合多种模式切换的供电方法，可有效利用新能源，

附图说明

图1为本发明一实施特种能量路由器结构图；

图2为本发明一实例六种运行模式切换图；

图3为本发明一实施交流单元控制结构图；

图4为本发明一实例储能DAB控制框图；其中，(a)稳压控制；(b)充电控制；(c)启动控制；

图5为本发明一实例光伏发电控制框图；(a)MPPT控制；(b)恒压控制；

图6为本发明一实例PWM虚拟同步控制框图。

具体实施方式

如图1所示，特种能量路由器包括交流和直流两条母线：交流供电单元经AC/DC变换器汇入直流母线，光伏阵列经移相全桥2汇入直流母线，储能单元经双向DAB变换器与直流母线实现能量交互；交流供电单元经旁路开关汇入交流母线，直流母线经PWM逆变器与交流母线实现能量交互；交流母线分别给三相和单相交流负载供电，直流母线经移相全桥变换器3、4分别给不同直流负载供电，同时还留有直流母线互联接口，方便系统扩展。

如图1～2所示，该能量变换器供电方式如下：

模式一：轻载或空载供电，P_Load<P_vmax，SOC<95％工况下，储能单元采用充电控制进行充电，光伏发电采用恒压控制维持直流母线电压稳定，交流供电单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

模式二：轻载或空载供电，P_Load<P_vmax，SOC>95％工况下，储能单元停止充电，保持待机状态，光伏发电采用恒压控制维持直流母线电压稳定，交流供电单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

模式三：重载供电，P_vmax<P_Load<P_dmax+P_vmax工况下，光伏发电MPPT跟踪输出最大功率，交流供电单元通过控制占空比D₁输出功率，补偿负载与光伏之间的功率差额，储能单元处于待机状态，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

模式四：重载供电，P_Load>P_dmax+P_vmax，SOC>20％工况下，交流供电单元输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪最大输出功率，储能单元处于放电状态，工作于稳压模式，自动补偿负载、储能与光伏之间的功率差额，交流母线采用PWM逆变器进行供电；

模式五：重载供电，P_Load>P_dmax+P_vmax，SOC<20％工况下，交流供电单元通过控制占空比D₁输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪最大输出功率，储能单元处于待机状态，同时输出接口切除非主要负荷，交流母线上采用PWM逆变器进行供电。

模式六：短时过载供电工况下，直流母线交流供电单元通过控制占空比D₁输出最大功率，光伏发电MPPT跟踪最大输出功率，储能单元工作于稳压模式；当检测到PWM逆变器输出电流超过限定值时，立即触发开关信号S接通旁路开关，将交流供电单元和PWM逆变器进行联合供电，从而增加两条额外的瞬时能量回路，提升电源短时能量输出能力；

如图3所示，交流供电单元采用直流侧母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，V_oref与V_bus两者之差经PI控制器产生移相占空比D₁，具体表达式如下：

D₁＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt

其中k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数。

如图4所示，储能DAB分为稳压控制、充电控制、启动控制三种控制方式。

(1)稳压控制：能量从储能单元流向直流母线，采用直流侧母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，两者之差经控制器计算后，再结合储能单元输出电压值V_b与直流母线电压实际值V_bus经优化控制算法得出储能单元前级移相占空比D_2-1，后级移相占空比D_2-2，外移相占空比D_2-3，具体表达式如下：

其中f_op表示优化算法，k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数

(2)充电控制：能量从直流母线流向储能单元，采用储能电池输出电压参考值V_bref作为控制指令值，储能单元输出实际值V_b作为反馈值，两者之差经PI控制器计算后，再结合储能单元输出电压值V_b与直流母线电压实际值V_bus经优化控制算法得出储能单元前级移相占空比D_2-1，后级移相占空比D_2-2，外移相占空比D_2-3。

其中f_op表示优化算法的变换函数(S.Shao,M.Jiang,W.Ye,Y.Li,J.Zhang,andK.Sheng,“Optimal Phase Shift Control to Minimize Reactive Power for a DualActive Bridge DC-DC Converter”.IEEE Trans.Power Electron.,pp.1–12,2019)，k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数

(3)启动控制：能量从储能电池流向直流母线，采用直流侧母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，两者之差经PI控制器计算得到DAB前级占空比D_2-1，DAB后级封锁脉冲，采用全桥整流输出方式，其具体表达式如下：

D_2-1＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt

其中k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数

如图4所示，光伏发电分为两种控制，MPPT跟踪控制和恒压控制具体如下：

(1)MPPT控制：根据光伏输出功率P_v与输出电压V_pv关系，采用MPPT算法计算出光伏阵列输出电压参考值V_pvref，与光伏实际电压V_pv作差之后经控制器产生移相占空比D_pv。其具体表达式如下：

V_pvref＝f_MPPT(P_v,V_pv)

D_pv＝k_p(V_pvref-V_pv)+k_i∫(V_pvref-V_pv)dt

其中f_MPPT表示MPPT算法的变换函数(杨永恒，周克亮.光伏电池建模及MPPT控制策略[J].电工技术学报，2011，26(1):229-234.)，k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数。

(2)恒压控制：采用直流侧母线电压参考值V_oref作为控制指令值，直流母线电压实际值V_bus作为反馈值，两者之差经PI控制器计算得到移相占空比D_pv。其具体表达式如下：

D_pv＝k_p(V_oref-V_bus)+k_i∫(V_oref-V_bus)dt

其中，k_p，k_i别表示PI控制器的比例和积分参数

如图5所示，PWM逆变器虚拟同步控制方法，通过锁相环(PLL)计算出交流控制单元输出电压u_s的相角θ，然后结合交流母线电压幅值V_AC计算出PWM逆变器输出电压参考值u_acref，将计算得到的电压参考值u_acref与PWM逆变器实际输出电压u_ac作差经PI控制器得到PWM逆变器占空比D₃，具体表达式如下：

u_acref＝V_ACsin(ωt+θ)

D₃＝k_p(u_acref-u_ac)+k_i∫(u_acref-u_ac)dt

其中，k_p，k_i分别表示PI控制器的比例和积分参数。

一种海岛特种能量路由器的供电方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。