多个能源路由器的协调控制方法.docx

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1、摘 要2Abstract3第一章 绪论41.1研究背景41.2国内外的研究现状41.3能源路由器的应用前景51.4本文的研究内容及缺陷6第二章 能源路由器与能源互联网82.1未来能源配送管理系统（FREEDM）系统82.2能源互联网架构112.3能源路由器在能源互联网中的功能122.3.1能量控制122.3.2信息处理132.3.3 个性化能源使用132.3.4能源路由器的联网运行142.4本章小结14第四章 能源路由器基础-固态变压器SST153.1建模软件与PWM控制介绍163.2固态变压器的输入部分模型173.2.1输入部分电路模型173.2.2仿真结果183.3固态变压器隔离部分模型2

2、03.3.1隔离部分电路模型203.3.2仿真结果213.4固态变压器器输出部分模型243.4.1输出部分电路模型243.4.2仿真结果253.5固态变压器的整体仿真263.6本章小结26第五章 总结与展望27参考文献27致谢27摘 要 随着不可再生能源的储量日益减少对现有电网形式造成很大的挑战，传统电网以非可再生能源为主来生产出电力，像以煤石油为基础的火力发电，尽管也有着以风能，太阳能等可再生能源来发电的方式，但与前者的发电规模先比基本对缓解日益加重的能源危机起不了太大的作用。未来电网的一个显著特征是可再生能源发电在未来电网是一个主要的因素。在本文中将对多个能源路由器的协调控制做出研究讨论，

3、从而得出一种在未来能源互联网中能源路由器的控制方法来使电源和负载达到最优化匹配，以及使未来可再生能源更加充分利用，各个能源路由器之间的联合工作更加协调。本文主要完成以下几个工作：首先对能源路由器的国内外研究现状与背景能源路由器的应用前景进行了分析，再介绍了一下能源互联网与能源路由器，对能源路由器在能源互联网中的作用进行了研究讨论。再对能源路由器的基础-固态变压器的三个部分即固态变压器的输入部分，中间隔离部分和输出部分的工作原理进行了分析再利用PSIM软件对固态变压器的各个部分进行仿真验证。最后研究了多个能源路由器之间的协调控制，即多个固态变压器之间的能量传输与协调控制的问题，也利用PSIM对其

4、进行了仿真验证。 关键词：分布式电源；能源路由器；能源互联网AbstractWith dwindling non-renewable energy reserves resulting in the existing grid in the form of a great challenge, the traditional grid-based non-renewable energy to produce electricity, like coal-oil-based thermal power generation, although also has wind energy, sol

5、ar and other renewable energy sources to generate electricity the way, but the former first-generation capacity than the base to alleviate the energy crisis is increasing not play much role. A remarkable feature of future grid renewable energy power grid in the future is a major factor. In this pape

6、r will be coordinated control of multiple energy routers make research and discussion to arrive at a kind of energy in the future energy control method of the Internet router to the power source and the load to optimize matching, and make the future of renewable energy more fully use of joint work o

7、f the various energy more coordination between the routers. In this paper, complete the following tasks: First, domestic and foreign research status and prospects of energy background energy router router analyzed, and then introduce a bit of energy and energy Internet router, the role of energy in

8、the energy in the Internet router were studied discussion. Then on the basis of energy router - input portion of the three portions, solid-solid transformer transformer, isolating the intermediate portion and the output portion of the working principle is analyzed PSIM software re-use part of each t

9、ransformer is solid simulation. The last study coordinated control of multiple energy routers, namely the issue of energy transmission and coordination between the plurality of solid state transformer control, but also the use of PSIM simulation was carried out.Keyword：Distributed renewable energy r

10、esource,Energy router,Energy Internet第一章 绪论1.1研究背景 近些年来，随着地球可开采能源的不断枯竭，能源问题日渐暴露，各个地方都出现了能源短缺问题，而随着这一问题的出现人类的生活与发展也收到很大的影响。这就迫使我们必须增加可再生能源的消耗来满足我们日益增加的能源需求和降低不可再生能源的使用1。我们使用的能源中最重要的就是电能，传统的电能生产运输方式是大规模集中式发电以及集中的远距离高电压高功率传输，其中消耗的能源基本是不可再生的能源。对于可再生能源在发电中的使用主要形式是分布式发电，主要形式有风力发电水利发电太阳能发电等形式。但这些可再生能源发电的出现

11、一定程度上减轻了对能源的需求并且具有传统输电方式不具有的优势，就是其传输电能的线路损耗较小且不需要建设大量的输电线路奇迹相关设备，但另一方面也对现今的电网带来了很大的挑战2。分布式发电较分散数量多但都以低发电功率为主分散在城市的各个地方，难以进行统一的调度，且分布式发电的电能在入网方面有一定的困难。大规模集中发电的电能质量较高而分布式发电因为要用到可再生能源所以电能质量波动较大。所以这其中就包含了大量的谐波，而这些谐波入网的话对电网的运行可靠性有很大的影响且降低了电能的质量3。国内外的学者研究员提出了一种整合大规模分布式发电大规模电能存储元件的的能源互联网，这能源互联网的基础就是能源路由器。如

12、果把一个区域中的主干网分布式电源分布式储能装置以及用户和能源路由器看成一个局域网的话，能源路由器是这个局域网的中心和基础。能源路由器把局域网中的分布式电源、分布式储能设备主干网和用户连接起来进行统一的调度和管理。而各个局域网之间的能源路由器连接起来形成能源互联网。在这个能源互联网中能源路由器来进行能源的分派，让合适的电能流向合适的用户。并且能源路由器能够记录其中的数据信息来进行统计再来进一步强化其自身的调控能力4。由于分布式电源的分散性处于这个能源互联网中的用户不仅仅是电能的消耗者了还有可能是电能的生产者对电网传输电能。1.2国内外的研究现状 对于接有了分布式电源的配电网系统，其中不同的分布式

13、电源甚至对于同一分布式电源不同时候有可能有多种不同的供电能力及供电电能质量；而同时，在负荷侧的各种等级的负载其对电能的电能水平及电能的质量的要求也不一定都是相同的。因此要如何使电源和负载能够相互满足，所以去建造一种电源能够和负载相互满足的电力网控制调度中心是目前急需去完成的任务。对于能源路由器的原理和它的能源管理政策，则是为了走出上述所面临的困境而发展起来的。能源路由器原理发觉及应用是为了使电能和负荷能够完美相互满足的。分布式可再生电源一般都是建立在用户侧中心，主要是为了减少不可再生能源的使用和集中输电时输电线路上的能源损耗，同时也免去了为了建大量输电线路及相关设备的费用。文献5中总结了电网运

14、行方式的几个主要因素，并且设计好了以后的电网运行形势。文献6预示了微电网、分布式的电源、智能的配电网的发展方向，论述了分布式电源发电、区域小型电网以及智能配电网的原理。文献7论述了在可再生的分布式发电系统中能源的匹配和合理分配利用，形成了从客户层、区域层和电网层组成的3层动态MAS体系结构。文献8归纳了分布式的发电电网中电能的运行及管理算法模糊控制算法，根据对发电单元输出电能的预测和储能单元的实时监测状态确定系统的运行模式，以实现系统运行成本最低。文献9提出以能源路由器当做以能够再生利用的能源发电对灵活的界面来访问时，积极布局网络，而且利用多端口原理来当做主动配电网中的能源路由器管理能流的核心

15、技术，来使每个被运行的区域中协调运行。文献10首先将FREEDM（the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System的简称）的原理和概念带进国内，同时也分析了FREEDM中的最主要的基础元件即固态变压器的基本理论技术和其拓扑结构，从而提出了最适合我国电压等级的三相SST模型，论述了以SST为基础的光伏发电的并入电网的连接方式。1.3能源路由器的应用前景 能源路由器是主动配电网的能源转换装置，它最主要的功能是对接入的电能输入和用户及工业的负载来找到最佳的匹配。但是当能源路由器所处的区域不同时其功能也是很不一样的，

16、以下会根据负荷出和配网处两个不同阶段去论述能源路由器的作用。 1） 能源路由器处于负荷侧时的作用 当能源路由器处于配电网的终端时，直接与分布式电源连接，分布式电源包括了分布式电源和分布式的能连存储装置及用户侧负荷。能源路由器是为负荷分配调度的最主要装置，在区域网中每一个提供能量的点的装置都能与能源路由器进行信息交流，每个电源都能像能源路由器发送信息而能源路由器也能像每一个与其相连的分布式电源发送指令信息。能源路由器时各分布式电源接入电网的连接装置，能源路由器使用时较便捷能够顺利投入和切换，并且在投入切换时能够立刻检测电网和用户侧的电能质量如频率电压水平波形等信息，从而发出一系列的指令信息来对连

17、接的用户侧分布式电源进行控制。分布式电源与能源路由器之间能够进行信息交流分布式电源能够像能源路由器请求指令而能源路由器能够像分布式电源发送运行指令，所以当分布式电源要停止工作时就要向能源路由器发送请求停止信息再由能源路由器像分布式电源发送停止运行的指令。而当分布式电源与能源路由器断开时能源路由器则要去检测段开出的信息并且用新的信息来取代就得信息。而因为实时店家的关系能源路由器则应该实时贵负荷侧发送指令来调控负荷侧的负荷大小来满足该时刻的电价。例如在普通民用负荷区白天的电价比较低，该负荷区的能源路由器则可以将调控速度较快的负荷接入来充分利用白天富余的电能；然而在用电较多的工业区考虑到白天的作息时

18、间，白天的电价较高而晚上休息时电价较低，则该工业区的能源路由器应该调控在晚上是让更多负荷接入来充分利用晚间富余的电能。 2） 能源路由器在配电网中的应用 对于某一个区域的配电网，该区域中的分布式电源和负荷时通过能源路由器来与配电网连接的，这样通过能源路由器使能源路由器能够收集该区域中的所有信息从而来进行调度，并且该配电网中的不同能源路由器可以进行信息交流。不仅能够使该区域中的分布式电源所产生的电能更合理的应用，而且还能够让该配网内的电能和负荷分配更合理时能源损失降到最小以及使电网运行可靠性更高。在配电网中能源路由器有多种工作模式但当能源路由器处于并网状态时，能源路由器是把该区域中的所有负荷和分

19、布式电源都连接到配电网的干路上，该区域负荷所得到的电能则是通过能源路由器从主干网中得到的。能源路由器是用来调节电能的匹配的其会通过该区域中各个负荷对能源的需求来对电能进行分配，当然能源路由器也有运行在孤岛模式的情况，即当该区域中或者大范围内出现故障时会从主干网上断开单独运行。这种情况下该能源路由器所连接的范围内仅仅只能有该能源路由器单独进行控制例如当风能充足时，风电设备将会将大量的风能转换为电能而该风力发电设备会想能源路由器传递信息同时能源路由器则会向该奋力发电设备发送指令。能源路由器会计算该区域中的发电和用电信息并且进行比对来判断是否从主电网中获取电能还是向主电网输送电能。当风力发电产生的电

20、能过少时其产生的电能并不能大于所消耗的电能时会向能源路由器发送请求断开的信息，而能源路由器则向奋力发电设备发送断开运行的指令，风力发电则断开。对于在该区域网中的电能储存设备当该区域中的所有分布式发电设备产生的电能充足时则该电能储存设备则向能源路由器发送接收电能的请求信号，而能源路由器向该储存设备发送接收电能的指令每当该区域中供能不足时则该储能设备则向区域网中提供能量。而处于夜间时，区域网中的负荷较低消耗电能很少则这种情况下可以向储能设备进行充能来把该区域中分布式发电设备产生的过多电能消耗掉。1.4本文的研究内容及缺陷 现在尽管能源路由器的各种理论及模型都在快速发展和建立着但是能源路由器还是处于

21、起步状态，还有很多地方需要完善的，分布式发电也有很多需要去改进： 1）分布式电源（尤其是那些分散的，容量不大的分布式电源）由于其容量过小而数量过多故调控难度较大，所以现在的区域电网中并不能充分的利用这些电能； 2）现在发展起来的分布式电网并不是很成熟能源路由器的功能也不是很多并且较简单只有一些基本的调控功能而且能源路由器与和它所连接的负荷和分布式电源间的信息交流也比较简单并不能完成复杂的调控任务； 3）现在的能源互联网及其相应设备均较简单并不能接入大量的分布式电源以及进行复杂的调控行动； 4）分布式发电电源有很多种类如分能发电水力发电等多种发电方式因此这就决定了发电的种类有很多，但是现在的能源

22、路由器的控制能力较差不能保证各分布式电源能够完美和电网相接，并且现在的调控能力也不能保证对全区域网中的所有信息进行收集。所以，研究一种能够让所有分布式电源和用户侧的负荷完美接入的能源路由器是现在紧要的任务。 在本文中假设了一种能够对各分布式电源进行有效管理的能源路由器及其相相应的管理系统，来使电源和负荷之间能够充分匹配，来使该区域中的分布式电源充分利用。本论文有四章每一张的大概内容如下所示： 第一章首先介绍了能源路由器的研究背景再介绍了国内外对能源路由器的研究情况介绍了国内外学者对能源路由器的部分理论及模型最后介绍了能源路由器的应用前景说明了能源路由器的发展方向以及发展后能带来的技术优势。 第

23、二章为能源互联网首先第一节介绍了一种未来的能源配送管理系统系统即FREEDM系统，介绍了能源配送管理系统（FREEDM）系统的基本特性和理论并且介绍了一种可行的FREEDM系统模型再讨论了以能源路由器为基础的能源互联网的基本结构，最后讨论了能源路由器在能源互联网中作用及特性介绍了能源路由器的主要是能量控制、信息处理、能源路由器的联网运行和个性化的能源路由器的使用。 第三章为固态变压器SST首先介绍了固态变压器SST三个部分分别为输入部分隔离部分和输出部分对固态变压器的每个部分都进行了研究。然后对固态变压器的整体拓扑结构及其工作原理进行了研究。 第四章 为能源路由器的建模与仿真。本章主要是对能源

24、路由器进行建模，对其物理模型和数学模型进行分析，再利用PSIM软件对其进行仿真。第五章 第五章对本文的研究内容进行了总结，然后对能源路由器未来的发展进行了展望。第二章 能源路由器与能源互联网2.1未来能源配送管理系统（FREEDM）系统 本章首先介绍一种能源互联网模型即FREEDM系统。在今天的电网，FREEDM系统与现在电网的功能可比性不存在。在图2-1中示出了一种基于大规模使用分布式电源和分布式储能设备的FREEDM系统。要成为一个合格的能源互联网，未来能源互联网的核心部分必须具备以下这三种功能。第一种关键功能是要有交流和直流总线及相应的接入设备，包括一个直流（DC）母线和一个普通的交流电

25、（AC）母线。该原理图中还包含一个开放标准的基于通信网络的接口，以便电网的其它设备能够快速便捷的接入，还可以对接入电网的设备立即识别只要所接入的设备能够被识别。第二个功能是能源互联网的基础-能源路由器，用来连接局域网中的分布式电源、分布式储能设备和用户等，图2-1：基于大规模运用分布式电源与分布式储能设备的预想能源互联网FREEDM系统图2-2：电网图概念化的FREEDOM系统和节点接口：（1）未来的FREEDM系统（2）关键元件的接口还有就是是要能够支持直流和交流的接入，能够监测到相关信息并且能够识别和控制低电压交流和直流接入（分布式能量储存装置和分布式可再生能源和负荷）的所有设备。在负载的

26、控制上面有控制负载的接入和切除以及在负载测的电压和功率。这种控制可能是控制分布式储能设备充电或者放点的速率。例如，对于一个光伏（PV）系统，功率输出在最大功率的控制范围内，因此能源路由器不应经常控制光伏输出。但该能源路由器应该断开（关闭）光伏发电装置当本地负载的需求功率或分布式能量储存装置储存容量小于在家里在孤岛模式光伏发电的输出时。该能源路由器还提供了当地重要的电源管理功能，如低压交流和直流电压的调节，电网侧电压暂降穿越，负荷侧故障电流限制，以及许多其他重要功能。第三个功能是一个开放的，基于标准的操作系统的自由制度，被称为DGI。此功能被嵌入到该能源路由器设备。该操作系统被分布在所有该能源路

27、由器设备，并利用通信网络来协调与其他能源的路由器的系统管理。 具有类似于在上图的接口。图2-2a）为每一个用户在一个分配系统在图中所示的自由度的系统的概念结构。图2-2（b）。除了上面讨论的能源路由器装置，IFM设备将被用于隔离潜在的故障，并提供重新配置的能力和不间断供电电源水平质量给用户。所述的能源路由器将通过通信网络进行通信。在FREEDOM系统中的控制动作将由嵌入在每个能源路由器的操作系统来提供。 由于FREEDOM系统要可以适应广泛分布的分布式可再生和替代能源发电，必须要有一定的能量存储能力来存储分布式发电产生的富余电能。在FREEDM系统中作为分布式电能存储装置的可以是大容量的电容组

28、也可以是一些与系统分离的储能装置。像蓄电池组的引入就对富余电能的存储有很大的作用，例如在未来电动汽车的引入，电动汽车上都有蓄电池组，每台蓄电池都有较强的存储能力再考虑到电动汽车的数量就有很强的储能能力了。 2.2能源互联网架构能源路由器的主要目的是为了区域网内的分布式电源和负荷更好的连接，建造一个能源路由器的控制系统优化方案是目前急需去完成的任务。电能在存储运输方面比其它形式的能源都要方便所以电力运输网发展较快且已经有了一定的规模。所以从经济和技术水平来看，现有的电力设施比较成熟所有要发展好能源路由器可以好好利用现有的这些基础。通过以上我们知道，应该以电力传输网来作为电能传递的主要方式，再来设

29、计能源信息一体化的交换设备，采用递增式的方法建造能源互联网是一种较好的方法。图三：新型能源互联网架构 这种能源互联网结构融合了现代互联网的理论来形成的包括能源的能源互联网，其以主干网为主；其中分布式电源和小型电网组成区域电网；而能源路由器则用来控制该区域网中的能量分配，实行大范围的信息交流的电力传输运行网络。这个架构适用于分布式可再生能源的发挥和分布式储能设备的架构。且在这个以能源路由器为基础的能源互联网架构中把每个能源路由器所连接的部分看成一个子系统，现在考虑这样的一个的子系统，其中每个子系统可以在生成，存储或消耗能量之间有效地转移目标。一个应用实例是由一个燃料组为基础的能量提供单元，电池，

30、超级电容器，和电动马达或发电机的多元系统。这种拓扑结构被用在一些电动车。根据操作制度，能源必须的各种单元，其我们称之为多端口之间转移，根据一些能源管理政策。以确保能量交换，存储和负载装置的互连是通过使用功率转换器进行的。这些子系统被电子电路转换二能够将端口的电压或电流幅度为期望的值的电路。为了实现多端口之间的能量转移，通常的做法是假定系统工作在稳定状态，然后转移多端口的电力需求成电流或电压参考。然后用跟踪控制环，通常是比例加积分（PI）。由于各种多端口具有不同的时间响应，常常需要将快速和缓慢变化的功率需求曲线之间进行区分。例如，由于物理的限制，要求迅速向燃料电池单元改变功率轮廓而这是不可取的。

31、因此，负荷的高峰需求通过超级电容器的储能来满足，其时间响应速度快，能够顺速提供。为实现这一目标，一个稳态视点被再次采用，并且在电流或电压引用到多端口通过低通或高通滤波器时通过。目前在实践中所采用的稳定状态的方法只能大致实现能量传递和动力需求的慢抗快速鉴别的预期目标。特别是，在瞬变或当快速的动态响应是必需的，需要的功率的响应输送到电流或电压参考和所述过滤器的时间响应动作可以是远不能令人满意。2.3能源路由器在能源互联网中的功能 能源路由器是能源互联网形成的最基础部分。能源路由器的作用主要是讲该范围内的分布式电源和用户的负荷连接起来来调控这些元件的运行时它们的运行更加高效同时也是整个区域网更加稳定

32、。以下会从能量控制、信息处理、系个性化能源使用和能源路由器的联网使用等来讨论能源路由器必须具有的特性。2.3.1能量控制 在能源互联网中，主电网任然用来远距离传输电能；而在区域网中分布式电源是重要的能量来源，能源路由器的功能是把区域网汇总的不同性质的能量连接起来并且让各个分布式电源协调运行提供能量。首先，流进能源路由器的电能要满足一定的要求；其次，应该协调好与其所连接的分布式电源和用户的负荷达到较好的匹配；最后，可以实时知道网络中的电能流量，能够随时调节确保电能的提供。现在已电能来说明，对于能源互联网中的能源路由器来说其必须要具有能连接不同电压等级不同频率的电能甚至要能连接直接和交流；对于区域

33、电网中的能源路由器来说其必须能够充分利用该区域网中的分布式电源的发电并且能够储存分布式电源过多的电能所以能源路由器一定要具有连接不同电压等级不同频率及直流交流以及还有具有存储电能的功能。确保电能的合理分配需要能源路由器能实时监测到分布式电源和负荷的变化，能够改变电能的流动和电能的数量的能力，而要实现这些能力则需要多级的变压器和。能源路由器所连接的分布式电源和负荷重就算有细微的改变都可能造成整个系统的奔溃，所以需要能源路由器具有一套监测的体系能够及时发现出现的问题并且对相应的问题作出反应来对其进行调节控制。2.3.2信息处理 能源路由器正常工作的基础是要能获得分布式电源和负荷的实时信息来进行调控

34、，所以要求能源路由器的信息收集系统和指令发送系统具有一定的立即性和精准性，首先，能源路由器要能够大量的手机区域电网中的信息，这就要求不能错漏信息；其次收集信息的速度不能太慢要有一定的及时性。能源路由器要能够收集各种信息，而且还要与另外节点的能源路由器互相有一定的信息交流机制进行信息交流来充足信息处理。2.3.3 个性化能源使用 能够使用户定制自己的能源使用策略是能源路由器的基本功能，要达到这种能力就要求用户和能源互联网之间能够进行信息交流。首先，负荷侧能够实时的改变自己的能源使用更具当时的能源使用信息，而能源路由器则根据用户的需求来更改电能的传输；其次，能源互联网应该能够收集区域网中所有用户的

35、能源使用信息来统计所有的能源使用信息来对分布式电源发送一定的指令制定合理的发电计划，及生成一个合理的电能使用计划，来给负荷发送指令来生成使用计划，供用户选择。所以能源路由器应该具有收集信息和发送指令的功能。 以后的电能使用的区域, 可能有基本的用电设备、用户负荷、房屋负荷、区域内的负荷、以及大的话是一个省或者整个国家,个性化的技术支持保障具有特别的区域特性要求, 所要求的信息和能源要有一定的差异, 此时对于能源路由器对于某些用电装置, 像以电为动力基础的汽车, 漆需要管理的可能仅仅是用电和充电, 它仅仅需要能源路由器提供实时的电压水平电流水平频率和电价就可以了, 并且该电动汽车可以接受能源路由

36、器发送的信息并对这些信息惊醒设别和计算,对于像电动汽车这种移动性的装置由于没有一直与能源路由器相连的所以要建立一定的计算机制; 而能源路由器所连接的元件数量不断增多, 连接的装置数量、种类也将会大大的增加, 以用户自身来说, 它本身就可以包括分布式储能设备、分布式能源(太阳能、燃气等) 和以及符合, 能源路由器的作用在于能够协调与其所连接的分布式电源负荷以及分布式储能设备协调合作运行。另外,能源路由器还应该拥有允许第三方设备与其连接的功能使能够满足能源管理企业的要求。2.3.4能源路由器的联网运行当然网络连接来更好的管理能源路由器也是同样重要的，时刻保持能源路由器信息的及时性有利于能源路由器更

37、好的调控。能源路由器具有和别的能源路由器相互交流的功能这有利于能源路由器的管理。即能源路由器要能够收集信息和网络连接识别接入元件的信息、制定计划、出现问题时能及时处理、以及记录所有工作信息的能力以。能源路由器是能源单元接入能源互联网的唯一方法，所以需要更快捷高效的管理界面，通过该界面，用户负荷利用自身情况选择或配置其有力的更能部分。能源路由器主要是来和外界信息交流和管理自身的能源流动，远程控制通过对能源路由器进行信息交流可以达到更有效的控制能源路由器的地步，使区域网的可靠性和稳定性更高。不同寻常的智能处理和修复是要求较高的能源互联网的特征，从能源角度看，远动、继电保护、测距等业务必须支持，通信

38、模块为指令的传输提供支撑，信息交流部分和调控部分的合作是确保管理能力的必要条件。能源路由器在运行过程中不仅要对该局域网内的分布式电源和负荷进行调控而且还要记录相应的调控信息以便于统计数据时的分析。2.4本章小结 本章介绍了一种能源互联网和能源路由器在能源互联网中的功能做了一个基本的叙述，为下一章对能源路由器的分析以及能源路由器在能源互联网中的应用和多个能源路由器的协调控制分析做好铺垫。 首先2.1小节对未来能源配送管理系统（FREEDM）系统做了一个基本的介绍和简单的分析归纳了国外学者对未来能源配送管理系统（FREEDM）系统的几个基本性质，及能源互联网中运用的现代互联网通信技术、及电能在系统

39、中的分配方式做了叙述。 其次2.2小节中对以能源路由器为基础的能源互联网架构做了归纳讲解，提出以大电网大电网”来做为电能传输的主要方式。又提出把现有电网和互联网结合提出了“广域网”，广域网不仅充分利用了现代互联网的快速、高效、准确的性质。在这个广域网中某片区域中的分布式电网就看做一个局域网，而组建这个局域网的基础和中心就是能源路由器，能源路由器把这个区域中的蓄电池风电太阳能等能量提供因素和各阶段用户都联系起来，能源互联网能有效分配其中的能源提供。最后归纳了能源路由器在能源互联网中作用及特性其中讲述了能源路由器在能源互联网中主要的四个功能能量控制、信息处理、个性化能源使用、能源路由器的联网运行，

40、对能源路由器的功能做了详尽的归纳。第四章 能源路由器基础-固态变压器SST 固态变压器工作方式为:原方接电源,前端变换器将输入电信号转变为高频交流信号,经高频变压器耦合,将信号传递至后端变换器,将其转换为最终所需形式的电能,实现对负载供电。基本原理图见图4-1所示。在高频变压器变比固定的情况下,可通过反馈控制和其他的控制策略,如双环解列控制,来达到目标输出特性(频率,相角,幅值)。所以固态变压器SST的基本结构有电力电子变换电路和高频变压器组成。变压器的体积与磁通密度有关,频率与磁通密度呈现一定的负相关,采用高频变压器之所以能带来体积、重量上的改观在于较高的频率可提高铁磁材料的利用率,SST因

41、中间的高频环节具备了变压、调相、变频输出等多项功能。图4-1固态变压器的基本工作原理 通过上述的固态变压器的基本原理可以知道,有两种方式实现:第一种是AC/AC直接变换,另外一种是有直流环节过渡的AC/DC/AC间接的变换,这两种结构原理图见图3-2（a）和（b）所示。第一种的转换结构尽管有混搞的转换效率但其作用较简单且难以去拓展，并且输入侧的谐波含量很高导致输入电能很难有较高的功率因数。而第二种多了一个DC-DC转换的中间环节,则可以设计为三部分级联的级联式固态变压器SST,使输入电能能够输入单位功率因数,输出电能可控性强,在电流和电压中谐波的含量较低,更加适合于中高压等级的电力网络，以下将

42、对这种结构进行研究。图4-2（a）交流-交流直接变换图4-2(b)交流-直流-交流间接变换固态变压器分为三个部分，即输入部分，隔离部分和输出部分。输入部分为整流电路隔离部分为脉冲调制、高频变压器和脉冲解调组成而输出部分为逆变电路。下图3-3为典型的SST等效模型。本章将对固态变压器的拓扑结构，组成各个部分的原理以及以固态变压器为基础的能源路由器的实现。图4-3：典型固态变压器SST模型4.1建模软件与PWM控制介绍 本章将会对单个固态变压器的各个部分固态变压器整体以及多个固态变压器之间的协调控制进行仿真，将要利用到PSIM来对相关电路图进行建立和仿真运行，并利用该软件来对运行结果进行分析。PS

43、IM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成的。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁场分析软件MagNet、JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。

44、 4.2固态变压器的输入部分模型4.2.1输入部分电路模型 固态变压器的输入部分为整流电路其具有的功能为:(1)使高压直流电压能够保持稳定;(2)减少用户侧向电网输送的无功功率，降低电网中无功的含量提高电能的质量;(3)实现功率因数校正,使电网侧电压和电流相位相同。普通的二极管组成的不可控整流电路或晶闹管相控整流电路都会向电网输送大量谐波和无功功率,解决办法是由全控型变流装置实现网侧电流控制,在适当的控制策略下可使网侧保持单位功率因数运行。对于整流器,就有电流型和电压型整流器之分如下图所示为两个整流器模型。图4-4：三相电压型整流电路图4-5：三相电流型整流电路在电流型整流器中电感的体积较大而

45、损耗等也较大所以其应用的并不多，而且平时使用的IGBT是有反向并联的开关器件，所以对于电流型的变换电路还要再串联二极管来预防电流反向流通，这样的结构会使电路结构过于复杂，且会使电路中的损耗增加。所以相对于电流型变换电路电压型变换电路用的更加广泛。在本文中的固态变压器中也均以电压型变换为主。4.2.2仿真结果 本小节将对固态变压器的输入部分进行仿真运行并对仿真结果进行分析,由于电流型整流器的缺陷，相较而下电压型整流器优势明显应用也较广，所以本小节将对电压型整流器进行仿真分析。电路模型如下所示：图4-6：固态变压器输入级仿真模型经过仿真调试选定仿真参数为：输入三相交流线电压的有效值为10KV，交流

46、输入侧电阻为0.5,滤波电感为1mH。输出滤波电感为5mH,输出测滤波电容为5000uF，负载电阻为5。仿真时间选为0.1s。进行仿真运行：图4-7：三相输入电压波形图3-7所示的是三相整流电路的三相输入电压波形图，其幅值为8165V并且是三相对称的。图4-8：输入部分直流侧的直流输出波形 图3-8为输入部分直流侧的直流输出波形，由该图中可以看出最后直流电压稳定在6KV，该直流波形波动很小能够较稳定的输出6KV的直流电压。3.3固态变压器隔离部分模型3.3.1隔离部分电路模型 在固态变压器中其中间的隔离环节由直流-直流部分组成,这隔离部分有单相桥式逆变电路、高频隔离变压器和单相桥式全控整流电路

47、或者单相不可控整流电路。固态变压器的第一级整流部分输出的高压直流电被逆变器逆变成高频的方波,高频方波在经过高频隔离变压器转换到变压器的二次侧,再被与二次侧连接的整流电路整流变成低压直流电，来对负荷或下一组变换装置供电。直流-直流部分在结构上是完全对称的,因为全桥式逆变电路和全桥式整流电路在结构上也是完全对称的;对于二次侧所接的为负载时的情况也可以就选用不可控整流电路,。对于接有不可控整流电路的结构如下图4-4所示。图4-9：隔离部分拓扑结构3.3.2仿真结果本小节将对固态变压器隔离部分进行仿真验证,隔离部分的作用是把高压直流变换为低压直流由于在本章当中对于固态变压器只考虑其单向的功率传输，所以

48、隔离部分的整流输出部分采用不可控整流方式，以下电路模型为隔离部分的电路仿真模型：图4-10：固态变压器隔离部分仿真模型在该模型图中输入侧的直流电压值为6kv，逆变桥采用4只IGBT来形成，每只IGBT都单独采用一只门级触发器来触发，4只门级触发器采用50HZ频率来触发，G1和G4出发点为0-180度，G2和G3出发点为180-360度。变压器的变比为6kv/750v。而整流桥采用不可控整流电路来整流，输出侧滤波电感为2.5mH，滤波电容为1500uF，所借电阻负载为5。仿真时间为0.04s。根据以上参数来对该电路模型进行仿真运行。图4-11：隔离部分输入直流电压图4-12：变压器一次侧输入电压波形图4-13：变压器二次侧输出电压图4-14：隔离部分输出直流稳压电压由以上仿真的三张图可以知道，隔离部分输入的6kv直流电压经过逆变电