CN103248068B - 具备多种供电方式的电能路由器 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能电网及智能家居中的分布式电源利用及智能用电管理领域，涉及一种具备多种供电方式的电能路由器，包括控制单元、通信模块、双向交流/直流逆变器、开关阵列、一条直流母线、两条交流母线、母线检测模块和路由器端口，其中，所述的路由器端口包括多个电源端口和多个负载端口；开关阵列包括一个单向并网开关和若干双向开关，均由控制单元控制；路由器端口中的直流电源端口连接到直流母线，直流母线通过双向交流/直流逆变器与第二交流母线连接；交流电源端口和负载端口通过开关阵列与两条交流母线连接。本发明能够根据电源的供电状况、负载的用电特性和用电需求，对各种电源和负载实施高效、智能的管理。

Description

具备多种供电方式的电能路由器

技术领域

本发明涉及一种具备多种供电方式的电能路由器，属于智能电网及智能家居中的分布式电源利用及智能用电管理领域。

背景技术

在能源需求受到日益关注的今天，大量的分布式能源（DG）可起到节能减排、缓解用电高峰的作用，具有广泛的应用前景。但是目前分布式能源（特别是各种分散的、小容量DG）还不能得到充分合理利用，更不能适应大量DG与配电网协调运行的要求，其主要原因在于，现有的配套设备具有明显的局限性，缺乏符合IEEE1547和IEC61850标准的智能化电气连接装置，尤其是适合普通用户的低压电能接入装置。这里所说的“电气连接装置”，其功能并不只是实现单纯的物理连接，而是能够对各种电气连接（包括电源与负载连接、电力设备与微网或配电网的连接、以及各微网之间的连接等）进行有效的监控和管理。而现有的配套电力设备无法保证大量就地接入的分布式能源得到统一有效的监控和管理。此外，由于现有条件下的分布式电源与负载的智能化程度较低，通信与控制功能相对薄弱，相互之间缺乏“信息交互”也导致分布式能源得不到充分利用。

分布式能源的多样性导致了分布式发电技术的千差万别，而现有技术无法保证分布式能源在微网和配电网中实现“无缝连接”和“即插即用”，电网管理系统也很难实施全局监控。因此，有必要研制一种能够集成并充分利用各种分布式能源、而且适合普通用户使用的智能化低压电能接入装置，以适应智能配电网和智能家居对于分布式能源接入以及智能用电管理的要求。

发明人的之前申请的专利CN201210261558.6公开的电气连接装置（称之为电能路由器），提出了一种通过开关阵列进行电路连接及切换的方案，用于实现分布式能源的充分利用以及电源与负载的匹配运行。该方案中，开关阵列中的开关数量较多，因此电能路由器的结构较复杂，而且不适合大功率的“电能路由”。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足，提供一种结构简单，不仅适用于小型用户的电能管理，还可作为社区、楼宇级别的微网与配电网之间的电气连接装置。本发明能够集成并充分利用各种分布式能源、而且适合普通用户使用的智能化低压电能接入装置，根据电源的供电状况、负载的用电特性和用电需求，对各种电源和负载实施高效、智能的管理，以实现节能减排、缓解用电高峰的目标。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

一种具备多种供电方式的电能路由器，包括控制单元、通信模块、双向交流/直流逆变器、开关阵列、一条直流母线、两条交流母线、母线检测模块和路由器端口，其中，

所述的路由器端口包括多个电源端口和多个负载端口，每一个端口具有唯一的端口号，所述的电源端口包括直流端口和交流端口，交流端口包括市电专用端口和用于连接除市电以外的交流电源的普通交流端口；

所述的开关阵列包括一个单向并网开关和若干双向开关，均由控制单元控制；

所述的路由器端口中的直流电源端口连接到直流母线，直流母线通过双向交流/直流逆变器与第二交流母线连接；交流电源端口和负载端口通过开关阵列与两条交流母线连接，具体连接方式为，市电专用接口连接到第一交流母线，普通交流电源端口可通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线或第二交流母线，负载端口可通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线或第二交流母线，第二交流母线可通过开关阵列中的单向并网开关连接到第一交流母线；通过开关阵列中双向开关的切换可实现各个负载端口与两条交流母线中的任意一条相连，通过开关阵列中双向开关的切换可实现各个普通交流电源端口与两条交流母线中的任意一条相连；

所述的路由器端口包括电流检测单元、电压检测单元和电能信息处理单元，电流检测单元与该端口串联，电压检测单元与该端口并联，电流检测单元和电压检测单元的输出端与电能信息电能信息处理单元的输入端连接，电能信息处理单元的输出端连接到控制单元；

所述的电流检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电流，电压检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电压，两个单元的检测信号被送入电能信息处理单元，电源端口的电能信息处理单元根据输入的检测信号计算出与其相连的电源的电能质量和供电量信息，以及该端口在单位时间内所输入的电能，并将上述信息实时传输给控制单元，负载端口的电能信息处理单元根据电压检测单元和电流检测单元输入的信号计算出与其相连的负载的用电特性和耗电量，以及该端口在单位时间内所输出的电能，并将上述信息传输给控制单元；

所述的交流电源端口可以是单相或三相的，用于连接单相或三相的市电和除市电以外的交流电源，所述的负载端口可以是单相或三相的，用于连接单相或三相的负载；

所述的母线检测模块，用于实时检测直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率和相位，并将上述信息实时传输给交流/直流逆变器和控制单元；

所述的控制单元分别与双向交流/直流逆变器、开关阵列、路由器端口、母线检测模块和通信模块连接，控制单元的工作方式为：1）通过通信模块与连接到电能路由器的电源和负载、其他电能路由器以及微网或配电网的管理系统通信；2）根据各个电源提供的供电信息和负载提供的工作特性与用电需求，或根据路由器端口中的信号检测与电能计量模块所检测到的电源供电状况和负载用电特性，来进行电源的供电能力与负载的工作特性与用电需求的匹配；3）通过控制开关阵列中单向并网开关的切换可实现第二交流母线与第一交流母线的连接；4）通过控制开关阵列中双向开关的切换可实现各个负载端口与两条交流母线中的任意一条相连；5）通过控制开关阵列中双向开关的切换可实现各个普通交流电源端口与两条交流母线中的任意一条相连；6）在电源通过电能路由器向负载供电的过程中对电源的总供电量和负载的总用电量进行计量；7）根据母线检测模块检测得到的直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率及相位，控制双向交流/直流逆变器工作。

作为优选实施方式，连接到所述的具备多种供电方式的电能路由器的除市电以外的电源可具有三种运行状态：并网运行、孤岛运行和并行运行：1）当连接到电能路由器的所有负载均通过直流母线和第二交流母线供电，且除市电以外的电源的供电能力仍有余时，第二交流母线可通过单向并网开关与第一交流母线接通，以实现并网供电；2）当市电断开时，所有负载接入直流母线或通过开关矩阵中的双向开关连接到第二交流母线，此时连接到电能路由器的所有负载均通过连接到电能路由器的除市电以外的电源及储能元件实现供电，即为孤岛运行；3）当市电接入且单向并网开关断开时，第二交流母线与第一交流母线不连接，但两条交流母线均可通过开关阵列中的双向开关向负载供电，此时除市电以外的电源及储能元件与市电同时通过电能路由器向不同的负载供电，即为并行运行。上述过程中，开关阵列中各开关的连接、断开及切换均由控制单元控制。

本发明提出的具备多种供电方式的电能路由器，用于实现适合普通用户的智能化电能管理。其优点在于：1）可实现分布式能源的充分合理利用，缓解市电的用电高峰；2）具备交、直流两种供电方式，适合不同类型的分布式能源和储能装置接入。

附图说明

附图1是具备多种供电方式的电能路由器的硬件结构；

附图2是电能路由器端口的硬件结构；

附图3是具备多种供电方式的电能路由器的典型应用方案；

附图4是表示具备多种供电方式的电能路由器的三种运行状态的状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图作详细说明本发明的工作原理。

本发明提供了一种具备多种供电方式的电能路由器，可实现分布式电源与负载优化匹配运行，以及分布式电源的并网管理。

参见图1，本发明提出的具备多种供电方式的电能路由器包括控制单元、通信模块、双向交流/直流逆变器、开关阵列、一条直流母线、两条交流母线、母线检测模块和路由器端口。路由器端口包括若干电源端口和负载端口，每个端口具有唯一的端口号。电源端口用于连接市电（微网或配电网）、以及将各种分布式能源和储能装置连接到电能路由器，负载端口用于将各种负载连接到电能路由器。在电能路由器内部，路由器端口分别与第一交流母线、第二交流母线、直流母线、开关阵列和控制单元连接；双向交流/直流逆变器分别与直流母线、第二交流母线、母线检测模块和控制单元连接，用于在第二交流母线和直流母线之间实现交—直流电能转换；开关阵列分别与路由器端口、第一交流母线、第二交流母线和控制单元连接，开关阵列包括一个单向并网开关和若干双向开关，均由控制单元控制，单向并网开关可使两条交流母线连接，以实现并网供电，双向开关可在两条交流母线之间切换，以实现不同交流母线向负载的供电，以及普通交流电源向不同交流母线的供电；母线检测模块分别与直流母线、第二交流母线、双向交流/直流逆变器和控制单元连接，用于实时检测直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率和相位，并将上述信息实时传输给交流/直流逆变器和控制单元；控制单元分别与通信模块、母线检测模块、双向交流/直流逆变器、开关阵列和路由器端口连接。

参见图2，路由器端口包括电流检测单元、电压检测单元和电能信息处理单元，电能信息处理单元的主要部件为功率测量电路（注,包含了芯片及其外围电路）。电流检测单元与该端口串联，电压检测单元与该端口并联，电流检测单元和电压检测单元的输出端与电能信息电能信息处理单元的输入端连接，电能信息处理单元的输出端连接到控制单元；每个端口的电流检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电流，电压检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电压，两个单元的检测信号被送入电能信息处理单元，电源端口的电能信息处理单元根据输入的检测信号计算出与其相连的电源的电能质量和供电量信息，以及该端口在单位时间内所输入的电能，并将上述信息实时传输给控制单元，负载端口的电能信息处理单元根据电压检测单元和电流检测单元输入的信号计算出与其相连的负载的用电特性和耗电量，以及该端口在单位时间内所输出的电能，并将上述信息传输给控制单元；

参见图3，路由器端口的电源端口包括若干交流电源端口和直流电源端口，交流电源端口包括市电专用端口和普通端口，市电专用端口用于连接市电（配电网或微网），普通电源端口用于连接除市电以外的交流电源，直流电源端口用于连接各种直流电源和储能装置。交流电源端口可以是单相或三相的，用于连接单相或三相的市电和除市电以外的交流电源。负载端口可以是单相或三相的，用于连接单相或三相的负载。开关阵列包括一个单相并网开关和若干双向开关，均由控制单元控制，交流/直流逆变器是连接直流母线和第二交流母线的电力电子装置，用于实现两条母线之间的交流—直流电能转换。控制单元分别与双向交流/直流逆变器、开关阵列、路由器端口、检测模块和通信模块连接，用于对上述模块的工作、以及电能路由器软硬件系统的整体运行实施监控。

路由器端口、开关阵列、双向交流/直流逆变器、直流母线和两条交流母线之间的具体连接方式为，直流电源端口连接到直流母线，直流母线通过双向交流/直流逆变器与第二交流母线连接；市电专用端口连接到第一交流母线，普通交流电源端口可通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线，以实现并网供电，也可通过开关阵列中的双向开关连接到第二交流母线，用于向连接到第二交流母线的负载供电；第二交流母线可通过开关阵列中的单相并网开关连接到第一交流母线，用于并网供电；负载端口可通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线，由市电向负载供电，也可通过双向开关连接到第二交流母线，由除市电以外的电源（分布式电源或储能元件）向负载供电；开关阵列中的双向开关可使用单刀双掷继电器或电力电子开关等器件，单相并网开关可使用智能断路器或固态继电器等器件，这些器件的工作状态（接通或断开、从常开端切换到常闭端）均由控制单元来控制。

母线检测模块分别与直流母线、第二交流母线、双向交流/直流逆变器和控制单元连接，用于实时检测直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率和相位，并将上述信息实时传输给交流/直流逆变器和控制单元，这些信息用于监控直流母线和第二交流母线的运行状态，以及控制双向交流/直流逆变器工作。

控制单元的功能为：1）通过通信模块与连接到电能路由器的电源和负载、其他电能路由器以及微网或配电网的管理系统通信；2）根据各个电源提供的供电信息和负载提供的工作特性与用电需求，或根据路由器端口中的信号检测与电能计量模块所检测到的电源供电状况和负载用电特性，来进行电源的供电能力与负载的工作特性与用电需求的匹配；3）通过控制开关阵列中单向并网开关的切换可实现第二交流母线与第一交流母线的连接，以实现并网输出；4）通过控制开关阵列中双向开关的切换可实现各个负载端口与两条交流母线中的任意一条相连，以实现其中一条母线（市电或出市电以外的电源）向负载供电；5）通过控制开关阵列中双向开关的切换可实现各个普通交流电源端口与两条交流母线中的任意一条相连，以实现除市电以外的交流电源向第二交流母线供电，或并网输出；6）在电源通过电能路由器向负载供电的过程中对电源的总供电量和负载的总用电量进行计量，以实现电能生产、消耗统计以及电能计费；7）根据检测单元检测得到的直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率及相位，控制双向交流/直流逆变器工作。

参见图4，连接到本发明提出的具备多种供电方式的电能路由器的除市电以外的电源可具有三种运行状态：并网运行、孤岛运行和并行运行。上述三种运行状态的转换过程中，开关阵列中各开关的连接、断开及切换均由控制单元控制。

1）并网运行状态

当连接到电能路由器的所有负载均通过直流母线和第二交流母线供电，且除市电以外的电源的供电能力仍有余时，第二交流母线可通过单向并网开关与第一交流母线接通，以实现并网供电。

2）孤岛运行状态

当市电断开时，所有负载接入直流母线或通过开关矩阵中的双向开关连接到第二交流母线，此时连接到电能路由器的所有负载均由连接到电能路由器的除市电以外的电源及储能元件供电。

3）并行运行状态

市电接入且单向并网开关断开时，第二交流母线与第一交流母线不连接，但两条交流母线均可通过开关阵列中的双向开关向负载供电，此时除市电以外的电源及储能元件与市电同时通过电能路由器向不同的负载供电。

控制单元对市电和除市电以外的电源的供电、各种储能元件的工作以及各种负载用电的管理方式为：

1）优先使用分布式可再生能源。根据除市电以外的电源的供电信息和负载提供的工作特性与用电需求，来进行电源的供电能力与负载的工作特性与用电需求的匹配。

2）当除市电以外的电源的供电能力不足时，可由储能元件作为辅助电源向负载供电；当连接到电能路由器的除市电以外的电源及储能元件供电能力不足或不能与某些负载的用电相匹配时，部分负载需要通过开关阵列连接到第一交流母线，即通过市电供电。这种情况下，除市电以外的电源及储能元件与市电同时通过电能路由器向不同的负载供电，即处于并行运行状态。

3）当处于市电用电高峰时，由储能元件作为辅助电源向负载供电；当除市电以外的电源供电能力过剩时，可通过直流母线向储能元件充电。

Claims (2)

1.一种具备多种供电方式的电能路由器，包括控制单元、通信模块、双向交流/直流逆变器、开关阵列、

一条直流母线、两条交流母线、母线检测模块和路由器端口，其中，

所述的路由器端口包括多个电源端口和多个负载端口，每一个端口具有唯一的端口号，所述的电源端口包括直流端口和交流端口，交流端口包括市电专用端口和用于连接除市电以外的交流电源的普通交流端口；

所述的开关阵列包括一个单向并网开关和若干双向开关，均由控制单元控制；

所述的路由器端口中的直流电源端口连接到直流母线，直流母线通过双向交流/直流逆变器与第二交流母线连接；交流电源端口和负载端口通过开关阵列与两条交流母线连接，具体连接方式为，市电专用接口连接到第一交流母线，普通交流电源端口通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线或第二交流母线，负载端口通过开关阵列中的双向开关连接到第一交流母线或第二交流母线，第二交流母线通过开关阵列中的单向并网开关连接到第一交流母线；通过开关阵列中双向开关的切换实现各个负载端口与两条交流母线中的任意一条相连，通过开关阵列中双向开关的切换实现各个普通交流电源端口与两条交流母线中的任意一条相连；

所述的路由器端口包括电流检测单元、电压检测单元和电能信息处理单元，电流检测单元与所述的路由器端口串联，电压检测单元与所述的路由器端口并联，电流检测单元和电压检测单元的输出端与电能信息电能信息处理单元的输入端连接，电能信息处理单元的输出端连接到控制单元；

所述的电流检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电流，电压检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电压，两个单元的检测信号被送入电能信息处理单元，电源端口的电能信息处理单元根据输入的检测信号计算出与其相连的电源的电能质量和供电量信息，以及所述的路由器端口在单位时间内所输入的电能，并将上述信息实时传输给控制单元，负载端口的电能信息处理单元根据电压检测单元和电流检测单元输入的信号计算出与其相连的负载的用电特性和耗电量，以及所述的路由器端口在单位时间内所输出的电能，并将上述信息传输给控制单元；

所述的交流电源端口是单相或三相的，用于连接单相或三相的市电和除市电以外的交流电源，所述的负载端口是单相或三相的，用于连接单相或三相的负载；

所述的母线检测模块，用于实时检测直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率和相位，并将上述信息实时传输给交流/直流逆变器和控制单元；

所述的控制单元分别与双向交流/直流逆变器、开关阵列、路由器端口、母线检测模块和通信模块连接，控制单元的工作方式为：1)通过通信模块与连接到电能路由器的电源和负载、其他电能路由器以及微网或配电网的管理系统通信；2)根据各个电源提供的供电信息和负载提供的工作特性与用电需求，或根据路由器端口中的信号检测与电能计量模块所检测到的电源供电状况和负载用电特性，来进行电源的供电能力与负载的工作特性与用电需求的匹配；3)通过控制开关阵列中单向并网开关的切换实现第二交流母线与第一交流母线的连接；4)通过控制开关阵列中双向开关的切换实现各个负载端口与两条交流母线中的任意一条相连；5)通过控制开关阵列中双向开关的切换实现各个普通交流电源端口与两条交流母线中的任意一条相连；6)在电源通过电能路由器向负载供电的过程中对电源的总供电量和负载的总用电量进行计量；7)根据母线检测模块检测得到的直流母线的电压和电流、第二交流母线的电压、电流、频率及相位，控制双向交流/直流逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，连接到所述的具备多种供电方式的电能路由器的除市电以外的电源具有三种运行状态：并网运行、孤岛运行和并行运行：1)当连接到电能路由器的所有负载均通过直流母线和第二交流母线供电，且除市电以外的电源的供电能力仍有余时，第二交流母线通过单向并网开关与第一交流母线接通，以实现并网供电；2)当市电断开时，所有负载接入直流母线或通过开关矩阵中的双向开关连接到第二交流母线，此时连接到电能路由器的所有负载均通过连接到电能路由器的除市电以外的电源及储能元件实现供电，即为孤岛运行；3)当市电接入且单向并网开关断开时，第二交流母线与第一交流母线不连接，但两条交流母线均通过开关阵列中的双向开关向负载供电，此时除市电以外的电源及储能元件与市电同时通过电能路由器向不同的负载供电，即为并行运行；上述过程中，开关阵列中各开关的连接、断开及切换均由控制单元控制。