CN106208121A - 能源路由器及基于能源路由器的储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能源路由器及基于能源路由器的储能系统。能源路由器包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置，其中所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态。通过上述技术方案，提供的能源路由器能够根据能源请求决定电能的输送状态，实现对储能装置的能源的调度和管理。

Description

能源路由器及基于能源路由器的储能系统

技术领域

本发明涉及微电网储能领域，具体地，涉及能源路由器及基于能源路由器的储能系统。

背景技术

分布式发电是近年来发展较快的一种新型供电模式，大多利用可再生能源发电，发出的电能可以就近分配，减少对环境的污染，得到了越来越多的关注，分布式发电能就地消化能源，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗，与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，可以减少对环境的污染等优点受到了广泛关注，尤其是光伏和风力发电系统近年来得到了快速发展。

可再生能源发电系统发出的电能需要首先通过储能系统(例如蓄电池)进行存储，然后由储能系统输出。然而，现有能源储能系统没有标准化标准化，并且不存在网络连接，使得储能系统之间缺少统一的调度和管理，无法实现能源的有效利用。

针对上述问题，现有技术中尚无良好解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备，该设备能够实现对储能系统的能源进行调度和管理。

为了实现上述目的，本发明提供一种能源路由器，该能源路由器包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置，其中所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态。

进一步地，所述能源路由器还包括储能装置功率管理系统，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。

进一步地，所述电能功率变换级包括：输出直流变换器、直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，所述输出直流变换器被配置成执行AC/DC以向所述储能装置充电；所述直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及所述交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。

进一步地，所述直流并网逆变器包括连接在直流并网电路之间的第一晶体管S1、第二晶体管S2，第一晶体管S1的集电极与第二晶体管S2的发射极连接，第一晶体管S1与第二晶体管S2的发射级和集电极之间分别连接有第一二极管D1、第二二极管D2，该串接的第一二极管D1、第二二极管D2之间并接有电容C2，第一晶体管S1的发射极与集电极之间还串接有电感L和电容C1，其中，第一晶体管S1的发射极为直流并网电路的负极，第二晶体管S2的集电极为直流并网电路的正极。

进一步地，所述交流并网逆变器包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。

进一步地，所述控制单元还被配置成从以太网接收所述能源请求。

本发明的另一个方面，提供了一种基于能源路由器的储能系统，该储能系统包括：以上所述的能源路由器；能源服务器，被配置成响应于用户使用请求生成能源请求，以及通过以太网将所述能源请求发送至所述能源路由器。

进一步地，所述能源服务器被配置成在接收到所述用户使用请求后，对用户的能源需求进行统计，以及根据统计结果对至少一个所述能源路由器进行能源调配。

进一步地，由最先接收到所述能源请求的能源路由器响应所述能源请求提供用户所需能源；以及当最先接收到所述能源请求的能源路由器不能满足所接收到的能源请求时，将所述能源请求向其他能源路由器转发。

进一步地，所述能源服务器还被配置成对在供能的能源路由器所提供的能源质量进行监测；以及在所述供能的能源路由器所提供的能源质量小于预定值时，切换其他能源路由器继续供能。

通过上述技术方案，提供的能源路由器能够根据能源请求决定电能的输送状态，实现对储能装置的能源的调度和管理。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的能源路由器组成结构示意图；

图2是根据本发明实施方式的能源路由器的并网逆变器原理示意图；

图3A-图3C是根据本发明实施方式的能源路由器的操作模式示意图；

图4是根据本发明实施方式的基于能源路由器的储能系统结构示意图；

图5是根据本发明实施方式的基于能源路由器的储能系统的各部分的功能结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的能源路由器组成结构示意图。如图1所示，本发明提供的能源路由器可以包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置。本领域技术人员可以了解，在图中示出的单个电池可以是由若干个小的可充电电池单元组成的电池，例如可以是铅酸素电池或锂电池(48V100Ah)。即便如此，经过串联之后的可充电电池单元组成的电池的电压也比较小，可能只有几十伏的电压，例如36V或48V。电能功率变换级可以将直流(DC)转换成交流(AC)，也可以将交流转换成直流，从而使储能装置能够向电网输电，也可以存储电网多余的能量。其中所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态(或输送方向)，例如，储能或放电。电能功率变换级可以包括输出直流变换器和并网逆变器两个部分，分别负责执行AC/DC以向储能装置充电以及将储能装置的电能并网。

在实施方式中，能源路由器还可以包括储能装置功率管理系统(或电池功率管理系统)，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。储能装置接受能源路由器的控制单元的指令，对储能装置中的锂电池充放电的状态进行管理，当控制单元指示需要给电池充电或放电时，由电池功率管理系统执行电池管理功能。例如，当判断电池已经充满时，控制输出直流变换器停止充电。

控制单元是能源路由器中的核心部分，其功能涉及通信、需求分析、潮流控制等。以下对控制单元的具体组成进行示例性描述。

在本发明的实施方式中，控制单元可以包括电源电路、复位电路、时钟信号单元、CPU、FLASH闪存、SDRAM、以太网控制器以及潮流控制单元。

电源电路部分用于对能源路由器中的各部分供电。在本发明的实施方式中，能源路由器可以采用内置锂电池取电，通过CFD5系列DC/DC模块，输入48V的直流电压，输出12V和5V的直流电压给能源路由器供电。输出5V直流经过电感滤波，分两路给整个电路供电。一路直接供给工作电压为5V的电路，另一路通过集成电路PJ1084进行电压变换，得到部分芯片电路工作所需要的3.3V电压。

复位电路包括两个部分：CPU复位电路部分是在系统上电或电源异常又恢复时使CPU自动复位；另一部分是在软件运行异常出现系统死机的情况下，用户可通过按外接复位开关来使CPU复位。复位信号是由一个十分简单的RC电路、按钮开关来产生。当系统上电或人为按下复位开关，会产生一个低电平脉冲，该脉冲经过数字门电路整形后使CPU复位，进行初始化。

时钟信号单元：采用4个晶体振荡器，分别提供各部分IC工作所需的时钟信号。50M―CPU电路S3C4510B01主时钟，25M―交换控制器RTL8305S时钟，20M―以太网控制器RTL8019AS时钟，7.372M―异步串口通信芯片TG16C550CJ时钟。

CPU是能源路由器的核心芯片，在实施方式中可以选择BF506微控制器。该微控制器可实现以太网通信系统，具有低成本和高性能的特点。

FLASH闪存可以使用8/16/32位的外部总线，可支持ROM、SRAM、闪存、DRAM。在实施方式中可以使用EON公司的闪存EN29-F040-70J存储数据。

在实施方式中，SDRAM使用了2颗ESMT公司的M12L16161C―512K字节、16位、2Banks同步SDRAM。该SDRAM采用3.3V供电，自动自主刷新，刷新周期为32毫秒，接口为LVTTL电平，采用CMOS工艺制程，50TSOP封装。

以太网控制器用于实现能源路由器与以太网的通信，使得控制单元能够从以太网接收能源请求。以太网控制器电路通过系统总线连接微控制器，通过RJ45和双绞线连接广域网(WAN)，该部分电路还提供RS-232串口连接广域网，电路的核心可以是以太网控制芯片RTL8019AS和异步通信控制芯片TG16C550CJ。以太网采用IEEE802.3协议，该IEEE802.3协议中规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。

潮流控制单元用于对电能的潮流进行控制。在实施方式中选择的潮流控制单元可以是集成的算法单元，该单元通过潮流控制方法，对电能功率变化部分进行控制。使能源路由器作为包含能量存储设备的能量转换的工具使用。

图2是根据本发明实施方式的能源路由器的并网逆变器原理示意图。电能变换功率级中的并网逆变器可以包括：直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。如图2所示，直流并网逆变器可以包括连接在直流并网电路之间的晶体管S1、晶体管S2，晶体管S1的集电极与晶体管S2的发射极连接，晶体管S1与晶体管S2的发射级和集电极之间分别连接有二极管D1、二极管D2，该串接的二极管D1、二极管D2之间并接有电容C2，晶体管S1的发射极与集电极之间还串接有电感L和电容C1，其中，晶体管S1的发射极为直流并网电路的负极，晶体管S2的集电极为直流并网电路的正极。交流并网逆变器可以包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。

上述并网逆变器，包括8个带有体二极管的IGBT，如图2所示，二极管序号分别为D1～D8，IGBT序号分别为S1～S8。其中直流并网部分，由开关K1和开关K2控制整个电路的通断，两个开关由能源路由器的控制单元控制。电容C1可以是电解电容与电感L串联之后一起与S1并联，此并联后的部分与S2串联并输出U0到直流微电网，通过电解电容C2可以对并网波形滤波。交流并网部分由S3～S8组成三相全桥电路，通过能源路由器的控制单元控制K3的通断进行控制，三相逆变后的交流电通过Ua、Ub、Uc端口输出到交流微电网。

在实施方式中，能源路由器在控制并网时，可以先判断要并入的电网类型。根据所并入的微电网是交流电网或是直流电网，通过对拓扑的切换和选择进行控制。

当能源路由器的控制单元判断需要进行并入直流微电网时，使得K1、K2闭合和K3断开，电池组通过直流并网逆变器工作，当直流半桥逆变器向电网送电工作时，开关管Sl在设定频率下开关工作，S2截止，此时电路即为升压变换电路；当需要控制直流微电网向锂电池充电时，开关管S2在设定频率下开关工作，Sl截止，此时电路即为降压变换电路，实现电池在直流微电网下充电，通过电感L实现能量的储存和传输。

当能源路由器判断需要进行并入交流微电网时，使得K1、K2断开和K3闭合，电池组通过开关管S3～S8三相全桥逆变电路进行交流并网单元工作，采用SVPWM调制将电池组端的直流电转换成工频交流电源，通过三相全桥逆变电路实现交流并网。

上述直流变换器和交流并网逆变器的电路结构具有较好的兼容性，同一个设备可以用在直流微电网系统也可以用在交流微电网中，通过检测微电网的性质选择采用并入直流微电网或并入交流微电网。这种兼容两种并网模式的拓扑是使用器件最少的方式，节约了成本。并且，通过开关切换，共用锂电池的直流输入，易于逻辑控制。

图3A-图3C是根据本发明实施方式的能源路由器的操作模式示意图，其中示出了能源路由器潮流控制方法。能源路由器可以控制输出直流变换器并网逆变器的工作状态，当需要进行锂电池储能充电模式时，控制输出直流变换器和控制并网逆变器同时工作或分别单独工作，使得分布式能源与微网总线电源向锂电池充电，能源路由器根据实际工况选择输出直流变换器并网逆变器二者分别单独充电或同时充电。

当能源路由器判断需要进行储能放电时，控制并网逆变器工作，使得并网逆变器实现锂电池向交流微网总线或直流微网总线放电。

当能源路由器判断需要进行储能交互模式时，控制输出直流变换器工作，控制并网逆变器工作，使得输出直流变换器给电池充电的同时输出电压经过并网逆变器向微电网送电。此时，通过电池功率管理系统控制电池的充电状态。

在实施方式中，分布式能源输入的电能可以是直流电(例如光伏发电)，也可以是交流电(例如风力发电)，首先通过输入直流变换器进行变换，统一输出48V直流对锂电池充电。

本发明的另一个方面，提供了一种基于能源路由器的储能系统。图4是根据本发明实施方式的基于能源路由器的储能系统结构示意图。如图4所示，基于能源路由器的储能系统可以包括：本发明实施方式提供的能源路由器，这样的能源路由器可以为多个。能源服务器，被配置成响应于用户使用请求生成能源请求，以及通过以太网将所述能源请求发送至所述能源路由器。在上述储能结构中，能源路由器和能源服务器可以通过电网和以太网连接以实现通信。

图5是根据本发明实施方式的基于能源路由器的储能系统的各部分的功能结构示意图。在实施方式中，上述储能系统可以包括用户管理系统以作为能源服务器与用户之间的接口。该用户管理系统可以对来自能源服务器的能源相关成本以及需求数据进行统计分析并反映给用户，同时可以接收用户的使用请求进行转发。在实施方式中，能源服务器在接收到用户使用请求后可以对用户的能源需求进行统计，以及根据统计结果对至少一个所述能源路由器进行能源调配。为了将满足用户使用要求的能源提供给用户，能源服务器将根据用户使用请求判断与其通信的能源路由器的能源质量、能源流向，并根据判断结果控制能源流向以将能源向用户输送。在实施方式中，能源服务器可以向能源路由器发送能源请求。当能源路由器接收到能源请求时，可以由最先接收到能源请求的能源路由器响应能源请求提供用户所需能源。当最先接收到能源请求的能源路由器不能满足所接收到的能源请求时，将能源请求向其他能源路由器转发。

在实施方式中，可以由接收到能源请求的第一台能源路由器进行响应操作；当该台能源路由器不能(含不能全部)满足来自能源服务器的能源请求时，该能源路由器会将指令发送给与之直接相连的其它能源路由器，以由其他能源路由器根据自己的状态进行响应“抢答”并最终操作能量的交互。每台能源路由器的响应“抢答”速度由该能源路由器的能量处理能力和状态直接决定。举例来说，如果该能源路由器与一套充满电的储能装置相连，那么，该能源路由器对于对外放电的能源请求响应是最高速的、对于消耗其他来源的能量(即充电)的能源请求响应是最低速的。由此可知，在本发明提供的基于能源路由器的储能系统当中，能源服务器的能源请求一直会被处在相对“最佳状态”的能源路由器响应。

优选地，为了保持能源输送质量，能源服务器还被配置成对在供能的能源路由器所提供的能源质量进行监测。在供能的能源路由器所提供的能源质量小于预定值时，切换其他能源路由器继续供能。当有多个能源路由器在系统中时，需要能源服务器进行管理和控制，可以对每个能源路由器设定一个序号或地址，便于调用。

本发明实施方式提供的基于能源路由器的储能系统，可以实现基于以太网的通信，让多个储能单元(或能源路由器)得到更好的调度，相比传统的储能系统不能兼容交流并网和直流并网，本发明实施方式提供的储能系统可以实现交、直流同时并网。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种能源路由器，其特征在于，该能源路由器包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置，其中

所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及

所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态。

2.根据权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，所述能源路由器还包括储能装置功率管理系统，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。

3.根据权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，所述电能功率变换级包括：输出直流变换器、直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，

所述输出直流变换器被配置成执行AC/DC以向所述储能装置充电；

所述直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及

所述交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。

4.根据权利要求3所述的能源路由器，其特征在于，所述直流并网逆变器包括连接在直流并网电路之间的第一晶体管(S1)、第二晶体管(S2)，第一晶体管(S1)的集电极与第二晶体管(S2)的发射极连接，第一晶体管(S1)与第二晶体管(S2)的发射级和集电极之间分别连接有第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，该串接的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)之间并接有电容(C2)，第一晶体管(S1)的发射极与集电极之间还串接有电感(L)和电容(C1)，其中，第一晶体管(S1)的发射极为直流并网电路的负极，第二晶体管(S2)的集电极为直流并网电路的正极。

5.根据权利要求3所述的能源路由器，其特征在于，所述交流并网逆变器包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。

6.根据权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，所述控制单元还被配置成从以太网接收所述能源请求。

7.一种基于能源路由器的储能系统，其特征在于，该储能系统包括：

多个根据权利要求1-6所述的能源路由器；

能源服务器，被配置成响应于用户使用请求生成能源请求，以及通过以太网将所述能源请求发送至所述能源路由器。

8.根据权利要求7所述的储能系统，其特征在于，所述能源服务器被配置成在接收到所述用户使用请求后，对用户的能源需求进行统计，以及根据统计结果对至少一个所述能源路由器进行能源调配。

9.根据权利要求8所述的储能系统，其特征在于，由最先接收到所述能源请求的能源路由器响应所述能源请求提供用户所需能源；以及

当最先接收到所述能源请求的能源路由器不能满足所接收到的能源请求时，将所述能源请求向其他能源路由器转发。

10.根据权利要求8所述的储能系统，其特征在于，所述能源服务器还被配置成对在供能的能源路由器所提供的能源质量进行监测；以及

在所述供能的能源路由器所提供的能源质量小于预定值时，切换其他能源路由器继续供能。