本發(fā)明屬于電力電子和信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于低壓配電終端的自組織電能路由器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，大量分布式可再生能源發(fā)電裝置接入電網(wǎng)，這些新能源發(fā)電裝置通常具有地理分散性、間歇性、隨機(jī)性和不可控性，為了減輕電網(wǎng)壓力、增加可再生能源利用率，大量?jī)?chǔ)能設(shè)備也隨之加入電網(wǎng)為波動(dòng)的能量流提供緩沖。因此，傳統(tǒng)的集中發(fā)電方式正逐漸向分布式發(fā)電方式轉(zhuǎn)變，能量的單向流動(dòng)正變?yōu)槎嘞蛄鲃?dòng)方式。同時(shí)，以電動(dòng)車為代表的新型不確定性的大功率負(fù)載加入，使電能的流動(dòng)和管理變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式難以勝任復(fù)雜的能量管理要求。

此外，隨著電力改革和市場(chǎng)化的推進(jìn)，未來(lái)電能交易將越來(lái)越自由靈活。電能的供給者不再只有原有的國(guó)有發(fā)電廠，民營(yíng)小型發(fā)電廠、分布式能源發(fā)電站等新的電能提供者將逐漸出現(xiàn)；同時(shí)，由于新能源發(fā)電滲入配電終端，以往的終端用戶可能在負(fù)載和源之間切換。因此對(duì)于每個(gè)電網(wǎng)終端，電能的流動(dòng)將從傳統(tǒng)的單向流動(dòng)變?yōu)殡p向流動(dòng)，甚至多向流動(dòng)。未來(lái)的電力系統(tǒng)將從現(xiàn)在的“一對(duì)多”架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸鄬?duì)多”的形式，電能流動(dòng)的多樣化大大增加。為了將電能定量、定點(diǎn)、定時(shí)地準(zhǔn)確調(diào)度，電網(wǎng)的各個(gè)終端和節(jié)點(diǎn)均需要實(shí)現(xiàn)能量的主動(dòng)調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)能量流的精確可控。而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)和電力設(shè)備往往只能被動(dòng)地調(diào)節(jié)功率平衡，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)功率流的主動(dòng)控制與分配。

基于電力電子變換的電能路由器滿足了未來(lái)電網(wǎng)對(duì)電能控制的復(fù)雜性和多樣性要求。在集成了先進(jìn)信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，電能路由器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的高效接入和準(zhǔn)確傳輸，將成為未來(lái)電網(wǎng)的核心部件。首先，電力電子變換技術(shù)可為各種類型的分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和新型負(fù)載提供所需的電能接口形式，包括各種電壓、電流的直流形式或交流形式等。其次，由于電力電子裝置的高可控性，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的能量流方向和大小可實(shí)現(xiàn)精確控制，為電力市場(chǎng)化的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。此外，傳統(tǒng)電力調(diào)度中心很難管理如此數(shù)量龐大的分布式發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備。在電能路由器的控制下，電力局域網(wǎng)可實(shí)行自律運(yùn)行，而上層電力調(diào)度中心只需通過電能路由器向局域網(wǎng)發(fā)送較長(zhǎng)時(shí)間尺度的優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，調(diào)度管理的負(fù)擔(dān)大幅降低。

公開號(hào)為cn102315645a的中國(guó)專利公開了一種用于分布式發(fā)電的能量路由器，該發(fā)明針對(duì)分布式發(fā)電尤其是可再生能源分布式發(fā)電的間歇性等問題，提出了一種用于分布式發(fā)電的能量路由器。該發(fā)明所提出的能量路由器包括可控開關(guān)、變流器、工頻交流母線、能量管理系統(tǒng)和靜態(tài)開關(guān)。變流器的輸入側(cè)接儲(chǔ)能單元，變流器的輸出側(cè)接到可控開關(guān)上。靜態(tài)開關(guān)的一端接到工頻交流母線上，另一端連接到公共電網(wǎng)。能量管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與可控開關(guān)、變流器和靜態(tài)開關(guān)相連。該能量路由器提供“即插即用”接口，對(duì)分布式發(fā)電電源的接入無(wú)需特殊工程要求。各分布式發(fā)電電源、儲(chǔ)能單元均接到能量路由器的工頻交流母線上，不僅可以供電給本地的普通負(fù)荷和重要負(fù)荷，而且還能夠像公共電網(wǎng)輸送電能。然而，該路由器接口均需統(tǒng)一制式的工頻交流，對(duì)于光伏、風(fēng)機(jī)等分布式電源，要求首先通過變換器變換得到該統(tǒng)一制式的工頻交流形式。此外，各類設(shè)備接口無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)用，因而端口利用率偏低。

公開號(hào)為cn103973559a的中國(guó)專利公開了一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，該路由器包括監(jiān)測(cè)模塊、通訊模塊、信息處理模塊、智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊、電能接口模塊和儲(chǔ)能模塊。監(jiān)測(cè)模塊將監(jiān)測(cè)信息通過通訊模塊傳輸給信息處理模塊，信息處理模塊將運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳輸給智能控制模塊，智能控制模塊將控制信息通過通訊模塊傳輸給電力電子固態(tài)模塊，同時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)模塊、信息處理模塊和儲(chǔ)能模塊，從而控制能量路由器的運(yùn)行，儲(chǔ)能模塊為所述能量路由器提供電能存儲(chǔ)。該路由器具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能。然而該路由器的設(shè)備接口具有如10kv交流、380v交流、直流等固定的電能形式要求。此外無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“即插即用”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于低壓配電終端的自組織電能路由器，該路由器具有可復(fù)用功率電路、穩(wěn)定性好和容錯(cuò)性好的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量流的精確控制，且設(shè)備接口可“即插即用”。

一種應(yīng)用于低壓配電終端的自組織電能路由器，包括多個(gè)設(shè)備接口、多條功率總線、多臺(tái)功率變換器、功率開關(guān)陣列以及控制單元；所述設(shè)備接口通過功率開關(guān)陣列與各條功率總線相連，并通過信號(hào)線與控制單元相連；所述功率變換器的輸入和輸出端口同樣通過功率開關(guān)陣列與各條功率總線相連，所述功率開關(guān)陣列和功率變換器均受控于控制單元；

當(dāng)有外部設(shè)備接入任一設(shè)備接口時(shí)，該設(shè)備接口通過信號(hào)線與控制單元進(jìn)行通信，控制單元確定外部設(shè)備的功率類型后為該設(shè)備接口分配一臺(tái)功率變換器，即通過對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行控制使該設(shè)備接口通過功率總線與該功率變換器一側(cè)端口連通，并使該功率變換器另一側(cè)端口通過功率總線與其他某一設(shè)備接口連通，從而實(shí)現(xiàn)線路重構(gòu)；同時(shí)控制單元通過對(duì)該功率變換器進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)，使該外部設(shè)備進(jìn)行供電或受電。

進(jìn)一步地，多個(gè)所述電能路由器通過設(shè)備接口互連，能夠擴(kuò)展為電能路由器組以增大系統(tǒng)容量。

進(jìn)一步地，所述功率變換器用于實(shí)現(xiàn)dc-dc、dc-ac或ac-dc功率變換，其采用h橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述設(shè)備接口用于兼容連接不同電壓等級(jí)的直流設(shè)備和交流設(shè)備，且設(shè)備接口只能外接一個(gè)設(shè)備或外接多個(gè)同類可并聯(lián)的設(shè)備或與其他電能路由器的設(shè)備接口相連，當(dāng)設(shè)備接口與其他電能路由器的設(shè)備接口相連時(shí)，則該設(shè)備接口所連線路就成為主干線路，不能再接入其它設(shè)備。

進(jìn)一步地，所述功率開關(guān)陣列由多個(gè)雙向可控開關(guān)呈陣列分布形式組成，每一個(gè)設(shè)備接口的功率線與每一條功率總線之間均通過一個(gè)雙向可控開關(guān)控制通斷；每一個(gè)變換器的輸入或輸出端口與每一條功率總線均通過一個(gè)雙向可控開關(guān)控制通斷。

進(jìn)一步地，所述設(shè)備接口的通信方式可以但不局限于基于tcp/ip的以太網(wǎng)通信，接入設(shè)備需要具備相同類型的通信接口。

本發(fā)明電能路由器借鑒網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，將電能變換、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，類比通信路由器，將功率總線和所有設(shè)備的變換器集成一個(gè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的“即插即用”。本發(fā)明將路由器內(nèi)部的功率總線通過功率開關(guān)陣列和設(shè)備接口、變換器相連，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功率流靈活控制；各變換器均采用通用的h橋電路拓?fù)?，其通用性便于變換器進(jìn)行功能重構(gòu)；控制單元與接入的設(shè)備進(jìn)行通信，從而確定設(shè)備所需或所供電能類型，進(jìn)而安排內(nèi)部變換器和開關(guān)陣列進(jìn)行重構(gòu)。本發(fā)明電能路由器高度集成了變換器和功率總線，具有設(shè)備即插即用、功率電路可復(fù)用、設(shè)備接口可復(fù)用，及穩(wěn)定性好、可靠性好、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明主要應(yīng)用于低壓配電終端，學(xué)校、商場(chǎng)、民用住宅等，其設(shè)備接口兼容目前常用的各類發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和用電設(shè)備；各類發(fā)電設(shè)備可在不外接并網(wǎng)變流器的基礎(chǔ)上直接與電能路由器相連，而內(nèi)部變流器和功率總線具有重構(gòu)功能，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和魯棒性，降低了系統(tǒng)的總成本；設(shè)備端口可以“即插即用”，進(jìn)一步提高了該電能路由器的智能化水平。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電能路由器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為基于h橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率變換器連接示意圖。

圖3為本發(fā)明電能路由器的設(shè)備端口示意圖

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明應(yīng)用于低壓配電終端的自組織電能路由器，包括內(nèi)部功率總線、功率變換器組、功率開關(guān)陣列、設(shè)備接口和控制單元；內(nèi)部功率總線包括多個(gè)不同電壓等級(jí)的直流電源總線和220v交流電源總線；變換器組包括多個(gè)h橋電路，通過功能重構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)dc-dc，dc-ac和ac-dc變換功能；變換器通過功率開關(guān)陣列切換到不同的直流或交流總線，同時(shí)設(shè)備接口也通過功率開關(guān)切換到不同的內(nèi)部功率總線，實(shí)現(xiàn)線路重構(gòu)；設(shè)備接口兼容不同電壓等級(jí)的直流設(shè)備和220v交流設(shè)備。多個(gè)電能路由器之間通過設(shè)備接口互連，擴(kuò)展為電能路由器組以增大系統(tǒng)容量，所有功率開關(guān)切換受控制單元控制。

當(dāng)外部智能設(shè)備接入電能路由器的設(shè)備接口，設(shè)備首先與電能路由器的控制單元進(jìn)行通信，確定設(shè)備的功率類型，然后控制單元根據(jù)內(nèi)部算法控制功率開關(guān)陣列對(duì)電能路由器進(jìn)行線路和功能重構(gòu)，向設(shè)備供電/受電。

每個(gè)設(shè)備接口只能接一個(gè)設(shè)備，或接多個(gè)同類可并聯(lián)設(shè)備，或與其他電能路由器相連。當(dāng)電能路由器的一個(gè)設(shè)備接口與其他電能路由器相連時(shí)，這段線路就成為主干線路，不能再接入其它設(shè)備。功率開關(guān)陣列采用橫縱連接方式，每一個(gè)設(shè)備接口的功率線與內(nèi)部的每一根功率總線均由一個(gè)雙向可控開關(guān)控制通斷；每一個(gè)變換器的輸入、輸出端口與內(nèi)部的每一根功率總線均由一個(gè)雙向可控開關(guān)控制通斷。電能路由器設(shè)備接口的通信方式可以但不局限于基于tcp/ip的以太網(wǎng)通信，接入設(shè)備需要具備相同類型的通信接口。

圖1所示了本發(fā)明電能路由器的一種具體實(shí)施方式，其包括m條內(nèi)部功率總線、n個(gè)功率變換器、k個(gè)設(shè)備接口、(max{n,k}+1)個(gè)cortex控制器和若干可控雙向開關(guān)，其中：

每一個(gè)功率變換器均為h橋結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)mos管w1，w2，w3和w4，電容c和電感l(wèi)1，l2，連接方式如圖2所示。上管w1和w3的d端相連于a點(diǎn)，下管w2和w4的s端相連于b點(diǎn)。w1的s端與w2的d端相連于p點(diǎn)，w3的s端與w4的d端相連于q點(diǎn)。a點(diǎn)和b點(diǎn)之間接濾波電容c，p點(diǎn)接電感l(wèi)1的一端，q點(diǎn)接電感l(wèi)2的一端。a,b點(diǎn)及電感l(wèi)1，l2的另一端分別通過雙向開關(guān)與每一條內(nèi)部功率總線相連。當(dāng)h橋作為dc-dc升壓電路時(shí)，電感l(wèi)1，l2的另一端為輸入端口，l1的另一端為高電位，l2的另一端為低電位，電容兩端為輸出端口，a點(diǎn)為高電位，b點(diǎn)為低電位。此時(shí)，電路等效為兩個(gè)并聯(lián)的boost電路。當(dāng)h橋作為dc-dc降壓電路時(shí)，電容兩端為輸入端口，a點(diǎn)為高電位，b點(diǎn)為低電位，電感l(wèi)1，l2的另一端為輸出端口，l1的另一端為高電位，l2的另一端為低電位。此時(shí)，電路等效為兩個(gè)并聯(lián)的buck電路。當(dāng)h橋作為dc-ac逆變電路時(shí)，電容兩端為直流側(cè)輸入端口，a點(diǎn)為高電位，b點(diǎn)為低電位，電感l(wèi)1，l2的另一端為交流輸出端口。當(dāng)h橋作為ac-dc整流電路時(shí)，電感l(wèi)1，l2的另一端為交流輸入端口，電容兩端為直流輸出端口，a點(diǎn)為高電位，b點(diǎn)為低電位。

每個(gè)設(shè)備接口均有兩根功率線和一個(gè)以太網(wǎng)接口，如圖3所示，兩根功率線分別通過雙向開關(guān)與每一條內(nèi)部功率總線相連。設(shè)備通過以太網(wǎng)接口與電能路由器相連，并與電能路由器內(nèi)部的控制單元進(jìn)行雙向通信。當(dāng)設(shè)備接入，設(shè)備與路由器通過以太網(wǎng)建立通信，設(shè)備向路由器控制單元發(fā)送所需或所提供的電能信息，包括直流/交流、電壓、功率等。正常工作時(shí)，設(shè)備需要以一定的周期向電能路由器發(fā)送正常工作的確認(rèn)信號(hào)。路由器控制單元通過控制內(nèi)部重構(gòu)和h橋的工作(如果需要)，接收/提供設(shè)備電能。當(dāng)設(shè)備需要拔出，設(shè)備通過以太網(wǎng)向路由器控制單元發(fā)出請(qǐng)求，繼而安全拔出。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，確認(rèn)信號(hào)不能正常發(fā)送，路由器控制單元即認(rèn)為該設(shè)備已斷開，不再與該設(shè)備進(jìn)行能量交換。

控制單元包括1個(gè)主控制器和max{n,k}個(gè)從控制器，均為cortexm4控制器。每一個(gè)從控制器均與主控制器通過通信總線相連，與主控制器進(jìn)行雙向通信。其中，取n個(gè)從控制器分別控制n個(gè)h橋電路。每一個(gè)從控制器通過驅(qū)動(dòng)電路與各h橋電路的四個(gè)mos管的柵極相連，為其提供功率控制信號(hào)。取k個(gè)(可以與n個(gè)橋式電路控制器重疊)從控制器，將其以太網(wǎng)接口用作與外接設(shè)備的通信接口。各從控制器向主控制器發(fā)送相關(guān)信息，由主控制器進(jìn)行統(tǒng)一的功率調(diào)度。路由器內(nèi)部的雙向開關(guān)控制端通過驅(qū)動(dòng)電路與主控制器的i/o口相連，接受主控制器的控制信號(hào)，進(jìn)行線路重構(gòu)。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。