CN105324904B - 具有改进网关模块的电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电力网的网关模块，该网关模块能够接收包括调制分量的电信号以便从产生电的电模块传送信息，并且能够处理电力信号从而向电力网提供兼容信号，网关模块包括主单元，主单元包括控制接口部件以管理来自电力信号的调制分量的信息的控制电路，以及用于过滤调制分量的滤波电路。

Description

具有改进网关模块的电设备
技术领域
本发明涉及用于电力网或设备的网关模块。网关模块能够接收包括调制分量的电力信号以便从产生电的电模块中传送信息，并且能够处理电力信号以便为电力网提供兼容信号，该网关模块包括主单元，该主单元包括控制用于读取调制分量信息的读取电路的控制电路，以及用于过滤该调制分量以向电力网提供兼容信号的滤波电路。
背景技术
本发明涉及用于家庭电网的电设备的领域，并且特别涉及使用可再生能源的电设备的领域。
在图1中可见的这种设备1一般包括连接到主电力网并且连接到从诸如风力涡轮机或太阳能面板的可再生能源发电的系统2的家庭电网。这些系统可包括太阳能组件或风力涡轮机模块。从可再生能源发电的这些系统设置有一个或多个微逆变器，以便提供与家庭电网兼容的输出信号。该信号S1被发送到网关单元3。该系统S1包括允许在从可再生能源发电的系统和网关单元之间信息交换的调制分量。
网关单元3用于从调制分量中读取信息，并且然后将其过滤，以使得在被注入到家庭电网之前将任何缺陷从输出信号中移除。因此该单元包括滤波器6、读取电路5以及用于控制整个单元的控制电路4。
在现有技术中，其中从可再生能源发电的系统包括多个模块，则每一个模块提供电力信号S1、S2、S3并且与网关单元3相关联。
这种配置的缺点是，它要求每个模块有一个网关单元。由于每个网关单元包括过滤器6、读取电路5和控制电路4，乘以模块的数量，并且因此网关单元的数量导致更高的成本。
此外，根据E.Roman等人的文章2006年1月6日第4期第53卷的IEEE《工业电子装置的交易》的“并网光伏系统的智能光伏模块”(《Intelligent PV module for Grid-Connected PV systems》,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,vol.53,no4,1/6/2006)，存在已知的包括多个太阳能模块的系统，其中每个太阳能模块包括太阳能面板。每个太阳能面板与具有检测最大电力点跟踪点或“MPPT”的功能的DC-DC转换器相关联。整个组件然后连接到DC-AC转换器以对电力网供电。
这些太阳能面板被连接到从面板中检索信息的控制电路。
然而这些系统被设计用于单相电网，并且当施加到多相电网时，它们需要用于每个附加相的一个网关单元。
此外，根据美国专利No.2011/0031814，还存在已知的包括若干光伏面板的系统，光伏面板被布置成组并经由连接盒连接到逆变器电路。该连接盒使得可以从太阳能面板中提供信息。在此的目的是仅具有一个网关单元用于所有光伏面板，对于多相电网的应用似乎并非有意。
Kurokawa K等人的文献，荷兰阿姆斯特丹的Elsevier科学出版社的太阳能材料和太阳能电池的《AC模块组成的光伏发电系统的概念考虑》(by Kurokawa K et al:《Conceptual considerations on PV systems composed of AC modules》,Solar energymaterials and solar cells,Elsevier Science Publishers,Amsterdam,NL)是描述包括AC模块的光伏系统的文献，一个该AC模块被定义为包括一个光伏模块和一个逆变器。
然而，在上述文献中描述的系统没有描述网关模块的存在，并且因此不能用于本发明的应用。
发明内容
本发明的目的是提供用于电力网的便宜、模块化并且更紧凑的网关模块。
为此，本发明涉及一种用于电设备的网关模块，网关模块能够通过相线和中性线接收电信号、电力信号，电力信号包括用于从产生电的电模块中传送信息的调制分量，并且网关模块能够处理电力信号以向电力网提供兼容信号，网关模块包括主单元，主单元包括控制接口部件以管理电力信号的调制分量的信息的控制电路，以及用于过滤调制分量并且使电力信号与电网兼容的滤波电路，该网关模块特征在于网关模块进一步包括至少一个次级单元，该至少一个次级单元设置有用于过滤由附加电模块的相线和中性线提供的电力信号的滤波电路，并且该至少一个次级单元被布置以使得接口部件可管理由附加电模块提供的电力信号的调制分量的信息，由主单元的控制电路控制该至少一个次级单元。
该配置具有在大大降低成本并且提供更紧凑的网关模块的同时允许单相电网和三相电网的简单控制的优点。
在第一优选实施例中，每个次级单元处理来自附加电模块的电力信号，每个次级单元由主单元的控制电路控制。
在第二优选实施例中，电模块由供给电的至少一个元件组成。
在第三优选实施例中，每个电模块进一步包括用于提供电力信号的至少一个微逆变器。
在另一优选实施例中，接口部件包括主单元中的一个通信电路和每个次级单元的一个通信单元。
在另一优选实施例中，接口部件包括无源耦接元件，用于形成在控制电路与连接到主单元或到次级单元的电模块的至少相线和中性线之间的连接。
在另一优选实施例中，接口部件包括无源电感耦接元件或无源电容耦接元件，或无源电感耦接元件和无源电容耦接元件的组合。
在优选实施例中，接口部件包括多个电感耦接元件，每个电感耦接元件包括初级线圈，该初级线圈通过感应耦接到第一次级线圈和第二次级线圈，第一次级线圈与电模块的相线和中性线电连接，初级线圈连接到主单元或在前次级单元的第二初级线圈，而第二次级线圈连接到在后次级单元的初级线圈，电感耦接元件被布置以使得初级线圈连接到控制单元。
在优选实施例中，接口部件包括在每个次级单元中布置的多个电容耦接元件，每个电容耦接元件包括在第一连接端子和连接到次级单元的附加电模块的相线之间连接的第一电容器，以及在第二连接端子和附加电模块的中性线之间连接的第二电容器，次级单元的第一连接端子彼此连接并且连接到与主单元连接的电模块的相线，次级单元的第二连接端子彼此连接并且连接到与主单元连接的电模块的中性线，控制电路包括相耦接器，通过该控制电路端子中的第一端子连接到次级单元的第一连接端子，并且通过其端子中的第二端子连接到次级单元的第二连接端子。
在优选实施例中，在主单元和次级单元的输出处，使电模块的被过滤的相互相连接以便产生用于电力网的三相信号。
在优选实施例中，将每个次级单元电连接到主单元。
在优选实施例中，电模块是太阳能模块，并且每个供给电的元件是太阳能面板。
在优选实施例中，电模块是风力涡轮机模块，并且每个供给电的元件是风力涡轮机。
附图说明
根据本发明用于设备的网关模块的目的、优点和特征将仅借助于非限制性示例单独给出，并且由附图示出的本发明的至少一个实施例的以下详细描述中更加显而易见，在附图中：
-图1示出具有根据现有技术的网关模块的设备的示意图。
-图2示出具有根据本发明的网关模块的设备的第一实施例的示意图。
-图3示出具有根据本发明的网关模块的设备的特定布置的示意图。
-图4示出具有根据本发明的网关模块的设备的第二实施例的第一变型的示意图。
-图5示出具有根据本发明的网关模块的设备的第二实施例的第二变型的示意图。
具体实施方式
本发明从在于具有由电模块供电的电力网的一般发明构思开始进行，整个系统由便宜且更紧凑的模块化网关模块管理。
图2示出设备100。该设备100包括诸如家庭电网107的电力网。该家庭电网107首先连接到主电力网108。该家庭电网107同样连接到至少一个电模块101。电模块101是发电模块，诸如例如太阳能或风力涡轮机或电化学或水力发电模块。电模块101由供给电能的至少一个元件101b组成。例如，如果电模块是太阳能模块，它将假定供给电能的元件是太阳能面板，每个太阳能面板由大量光伏电池形成。当然，可以设想包括并行安装的若干太阳能面板或风力涡轮机的电模块101，这取决于电模块101的电力处理能力。
每个电模块101进一步包括一个或多个微逆变器101a，每个微逆变器101a与电力供给元件101b相关联。微逆变器101a用于使由电力供给元件101b所提供的信号兼容。该微逆变器101a用于通过相线Li和中性线N在电模块101的输出处提供电力信号Si。该电力信号Si包括调制分量。该分量是根据电力线通信技术调制的频率。然后使用调制分量传送信息。
实际上，设备100同样包括网关模块102。网关模块103是用于使电力信号Si及其调制分量适应于家庭电网的模块。
为了实现该目的，网关模块102包括第一网关单元或主单元103。该主单元103包括控制电路1030，其控制接口部件1031管理来自调制分量的信息；以及滤波电路1032，用于过滤调制分量以便为电力网提供兼容的过滤的信号。主单元103进一步包括使用例如以太网格式的并且用于收获信息或远程诊断数据的传输电路1033。数据传输电路1033例如与诸如用作远程控制器的平板或电话的便携式装置109通信。主单元103同样包括用于信息读出的接口电路1034，在家庭电网107和主电力网108之间放置的能量计数器111连接到该接口电路1034，以确定当前家庭电力消耗，即由家庭电网107所消耗的电力。这使得可以调节由电模块101产生的电力。
所发送的信息分为两种信息类型：从电模块101发送到网关模块102的主单元103的信息，以及通过电模块101从网关模块102的主单元103接收的信息。
从电模块101发送到主单元103的信息为涉及例如光伏电池状态的信息，以使得如果一个或多个电池变得不太有效，则信息将被发送到网关模块103，或将生成数据报告并在模块101中可用。相反，由电模块101从网关模块103的主单元接收的信息是配置或控制类型信息。事实上，根据来自通过编程的电模块101的信息或根据诸如天气的外部信息，控制电路1030可以向电模块101发送控制信息。该信息可能导致某些电池被切断或在它们的性能上下降。信息示例是模块101的输出电力设定点。
优选地，当设备100包括其它电模块101时，本发明提供包括次级单元104的网关模块102。实际上，主单元103被布置成连接到单个电模块101，其提供由相线L1携载的电力信号S1。然而，一些设备需要更大的电力。因此，这些设备可以采用三相电网操作。这种电网则具有多个相。可以设想使用若干电模块101对家庭电网107供电。这些其它电模块提供由相线Li携载的电力信号Si，例如第二电模块101提供由相线L2携载的电力信号S2，而第三电模块101提供由相线L3携载的电力信号S3，如在图3中可见的。这些相线L2和L3因此用于通过共享三个单元中的每个单元的中性线来形成三相电网。
网关模块102的这些次级单元104每个连接到电模块101，即次级单元104仅从一个电模块101接收电力信号。布置这些次级单元104中的每一个次级单元104以使得接口部件1031关注于一个相线Li，并且可从相关联的电模块101中读取来自电力信号Si的调制分量的信息。这些次级单元104包括滤波电路1032，用于从相关联的电模块101过滤电力信号的调制分量。因此，如果设备100包括三个电模块101，则网关模块102包括主单元103和两个次级单元104。次级单元104不具有数据传输电路1033或信息读出接口电路1034。
因此应注意的是，这些次级单元104不具有控制电路1030。事实上，根据本发明有利地是，次级单元104由主单元103的控制单元1030控制。主单元103的该控制单元1030控制接口部件1031以及每个次级单元104的滤波电路1032。
该配置具有如下优点，其允许单相电网和三相电网的简单控制，同时大大降低成本和设备100的复杂性，并且提供更紧凑的网关模块102。事实上，根据本发明的网关模块102仅包括用于多个电模块101的一个主单元103，以使得每个网关模块102仅存在一个控制电路1030。进一步，具有仅采用一个控制单元1030的一个单元的控制所有单元的配置，使得可以获得更紧凑的次级单元104。
在主单元103和次级单元104的输出处，连接信号以便从每个电模块101的相形成用于家庭和/或主电网的三相系统的三相信号。
本发明因此使得可以管理一个或多个单相电网或三相电网，或管理三相电网和一个或多个单相电网。
参见图3的第一实施例，接口部件1031包括每个主单元103或次级单元104的一个通信电路1035。这意味着主单元103包括一个通信电路1035，并且每个次级单元104同样包括一个通信电路1035。这些通信电路1035向主单元103的控制电路1030发送它们的信息。每一个通信电路1035包括变压器，即初级线圈和次级线圈，初级线圈被连接到控制元件，而次级线圈被连接到相线Li和中性线N。
在第二实施例中，接口部件1031使用无源耦接并且特别是无源耦接元件1031a。
参见图4的第一变型，无源耦接是电感式的。在主单元103中，控制电路1030被连接到第一电感耦接元件1036。该第一电感耦接元件包括初级线圈1036a，该初级线圈1036a设置有两个接触端子并且通过感应耦接到第一次级线圈1036b和第二次级线圈1036c。第一次级线圈1036b设置有用于电连接到相线L1和到中性线N的两个接触端子。第二次级线圈1036c设置有用于电连接到位于第一次级单元104中的第二感应耦接元件1036的两个接触端子。
第一次级单元104的该第二感应耦接元件1036包括连接到第一电感耦接元件1036的第二次级线圈1036c的初级线圈1036a。第一次级单元104的第二电感耦接元件1036进一步包括通过感应耦接到初级线圈1036a的第一次级线圈1036b和第二次级线圈1036c。
每个次级单元104因此设置有电感耦接元件1036，其包括通过感应耦接到第一次级线圈1036b和第二次级线圈1036c的初级线圈1036a，初级线圈1036a被连接到主单元103或在前次级单元104的第二初级线圈1036c，而第二次级线圈1036c连接到在后次级单元104的初级线圈1036。
这种无源耦接变型使得可以限制成本并且获得紧凑的次级单元104，因为仅存在主单元103的控制电路1030来控制各个电感耦接元件1036。
参见图5的第二变型，无源耦接是电感式的。在主单元103中，控制电路1030电连接到与主单元103连接的电模块101的相线L1和中性线N。
次级单元104中每者包括电容耦接元件1037。该电容耦接元件1037包括在第一连接端子1037a和相线Li之间连接的第一电容器1038，以及在第二连接端子1037b和中性线N之间连接的第二电容器1039。布置整个组件以使得次级单元104的第一连接端子1037a彼此连接并且被连接到主单元103的相线L1，并且以使得次级单元104的第二连接端子1037b彼此连接并且被连接到主单元103的中性线N。
为了实现不同相之间的耦接，控制电路1030包括由变压器形成的相耦接器1040，该变压器即彼此相互作用的初级线圈和次级线圈。
为使主单元103的控制单元通信并控制次级单元104，提供被布置在主单元和次级单元之间的通信部件105。
在第一示例中，通信部件105包括诸如wifi系统或或WiMax系统的无线通信部件。如果设备100需要，这些无线通信系统使次级单元104和主单元10可以被布置在不同的部分中。进一步，这些无线通信部件可以用于将信息发送到用户的控制端。然后，用户可以远程控制或监测系统。
在第二示例中，通信部件105包括有线或物理通信部件106，即存在主单元103和次级单元104之间的物理连接。该解决方案使得可以实现改进的次级单元104的紧凑性，因为它不要求必须被供电的无线通信的特定电路。
巧妙地根据本发明，主单元103和次级单元104可被布置成彼此内部的巢。为了实现这一点，将单元集成在壳体103a中。优选由塑料制成的该壳体是平行六面体的，优选使各种壳体能够彼此边缘到边缘装配，如在图3中可见的。这种布置使得可以为该壳体提供卡扣配合系统110。生产该卡扣配合系统110以实现两种功能。第一功能是彼此固定壳体，而第二功能确保电连接。为了该目的，卡扣配合系统110包括至少一个阳元件(M)和至少一个阴元件(F)，每一个位于单元的一个边缘上。在特定示例中，卡扣配合系统包括两个阳元件(M)和两个阴元件(F)，以改善如在图3中可见的两个单元到彼此的附接。
这将清楚的是，对本领域那些技术人员明显的是，各种替代和/或改进和/或组合可以对以上所列的本发明的各种实施例作出，而不脱离由所附权利要求限定的本发明主旨的范围。

Claims (17)

1.一种网关模块(102)，用于电设备(100)，所述网关模块能够通过相线(Li)和中性线(N)从电模块(101)接收电力信号(Si)，所述电力信号包括用于从产生电的所述电模块(101)中传送信息的调制分量，并且所述网关模块能够处理电力信号以向电力网(107)提供兼容信号，所述网关模块包括主单元(103)，所述主单元(103)包括控制接口部件(1031)以管理来自电力信号(Si)的调制分量的信息的控制电路(1030)，以及用于过滤调制分量并且使电力信号与电力网(107)兼容的滤波电路(1032)，所述网关模块(102)特征在于所述网关模块(102)进一步包括至少一个次级单元(104)，所述至少一个次级单元(104)设置有用于过滤由附加电模块(101)的相线(Li)和中性线(N)提供的电力信号(Si)的滤波电路(1032)，并且所述至少一个次级单元(104)被布置为使得接口部件(1031)可管理来自由附加电模块(101)提供的电力信号(Si)的调制分量的信息，所述至少一个次级单元由主单元(103)的控制电路(1030)控制。
2.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，每个次级单元(104)处理附加电模块(101)的电力信号(Si)，每个次级单元由主单元(103)的控制电路(1030)控制。
3.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，所述电模块(101)由供给电的至少一个元件(101b)组成。
4.根据权利要求2所述的网关模块，其特征在于，所述电模块(101)由供给电的至少一个元件(101b)组成。
5.根据权利要求3所述的网关模块，其特征在于，每个电模块(101)进一步包括用于提供电力信号(Si)的至少一个微逆变器(101a)。
6.根据权利要求4所述的网关模块，其特征在于，每个电模块(101)进一步包括用于提供电力信号(Si)的至少一个微逆变器(101a)。
7.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括主单元(103)中的一个通信电路(1035)和每个次级单元(104)的一个通信电路(1035)。
8.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，所述接口部件(1031)包括无源耦接元件，用于形成在控制电路(1030)与连接到主单元或连接到次级单元的电模块(101)的至少相线(Li)和中性线(N)之间的连接。
9.根据权利要求8所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括无源电感耦接元件(1036)或无源电容耦接元件(1037)，或无源电感耦接元件(1036)和无源电容耦接元件(1037)的组合。
10.根据权利要求8所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括多个电感耦接元件(1036)，每个电感耦接元件(1036)包括通过感应耦接到与电模块(101)的相线(Li)和中性线(N)电连接的第一次级线圈(1036b)以及通过感应耦接到第二次级线圈(1036c)的初级线圈(1036a)，初级线圈被连接到主单元或在前次级单元的第二次级线圈，而第二次级线圈连接到在后次级单元的初级线圈，电感耦接元件被布置以使得初级线圈连接到控制电路(1030)。
11.根据权利要求9所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括多个电感耦接元件(1036)，每个电感耦接元件(1036)包括通过感应耦接到与电模块(101)的相线(Li)和中性线(N)电连接的第一次级线圈(1036b)以及通过感应耦接到第二次级线圈(1036c)的初级线圈(1036a)，初级线圈被连接到主单元或在前次级单元的第二次级线圈，而第二次级线圈连接到在后次级单元的初级线圈，电感耦接元件被布置以使得初级线圈连接到控制电路(1030)。
12.根据权利要求8所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括在每个次级单元(104)中布置的多个电容耦接元件(1037)，每个电容耦接元件包括在第一连接端子(1037a)与被连接到所述次级单元(104)的附加电模块(101)的相线(Li)之间连接的第一电容器(1038)，以及在第二连接端子(1037b)与附加电模块(101)的中性线(N)之间连接的第二电容器(1039)，次级单元的第一连接端子(1037a)彼此连接，并且连接到与主单元(104)连接的电模块(101)的相线，次级单元(104)的第二连接端子(1037b)彼此连接并且连接到与主单元(103)连接的电模块(101)的中性线(N)，控制电路(1030)包括相耦接器(1040)，所述控制电路(1030)通过第一端子连接到次级单元的第一连接端子(1037a)，并且通过第二端子连接到次级单元的第二连接端子(1037b)。
13.根据权利要求9所述的网关模块，其特征在于，接口部件(1031)包括在每个次级单元(104)中布置的多个电容耦接元件(1037)，每个电容耦接元件包括在第一连接端子(1037a)与被连接到所述次级单元(104)的附加电模块(101)的相线(Li)之间连接的第一电容器(1038)，以及在第二连接端子(1037b)与附加电模块(101)的中性线(N)之间连接的第二电容器(1039)，次级单元的第一连接端子(1037a)彼此连接，并且连接到与主单元(104)连接的电模块(101)的相线，次级单元(104)的第二连接端子(1037b)彼此连接并且连接到与主单元(103)连接的电模块(101)的中性线(N)，控制电路(1030)包括相耦接器(1040)，所述控制电路(1030)通过第一端子连接到次级单元的第一连接端子(1037a)，并且通过第二端子连接到次级单元的第二连接端子(1037b)。
14.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，在主单元(101)和次级单元(104)的输出处，使电模块(101)的被过滤的相(Li)互相连接以便产生用于电力网(107)的三相信号。
15.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，每个次级单元通过有线通信部件(106)连接到主单元。
16.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，电模块是太阳能模块，每个供给电的元件(101b)是太阳能面板。
17.根据权利要求1所述的网关模块，其特征在于，电模块是风力涡轮机模块，每个供给电的元件(101b)是涡轮机面板。
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