CN106385024B - 一种模块化电能路由器装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化电能路由器装置及其实现方法，该装置包括根据用户需求进行搭积木式组装的多个模块，即电能适配器本体、交流电网母线、直流电网母线、通讯控制母线；所述电能适配器本体被划分为系统控制单元预安装位、功率变换单元预安装位、可控开关预安装位、功率接口预安装位、通讯接口预安装位各个模块至少其中之一；将电能路由器装置在硬件功能和形式上进行模块化划分，将功率接口和通讯接口按照国家标准进行标准化设计；根据用户需求进行搭积木式组装，以实现用户功能订制要求。与现有技术相比，本发明满足了用户的多样化功能需求；实现方法科学，实现成本低，尤其可用于对成本和开发周期非常敏感的中小功率电能路由器装置的设计中。

Description

一种模块化电能路由器装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及电网技术领域，特别是涉及一种模块化电能路由器装置的实现方法。
背景技术
近年来，为了缓解能源危机、减小工业排放污染，大量的分布式可再生能源发电装置并入大电网中。但这些新能源发电方式往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性。为了减轻电网压力、提高可再生能源利用率，大量储能设备随之加入电网为波动的能量流提供缓冲。因此，传统的单一集中式发电正逐渐向集中式、分布式并存的发电方式转变，电能的单向流动正变为多向流动方式。同时，以电动汽车为代表的新型不确定性的负载加入，使电能的流动和管理变得更加复杂。传统电力系统的配电运行方式很难胜任这样复杂的要求。
电能路由器(Electrical Energy Router)基于电力电子变换技术，不但可为不同的可再生能源发电装置和不同类型的负载提供灵活的标准化功率或通讯接口形式，还可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制。与信息技术的融合使得电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络或储能电池运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对功率流的主动控制。
但是，现有的电能路由器装置一般没有标准化的功率计通讯接口，只能支持一种或两种可再生能源的接入，并且其接入发电单元和储能单元的容量固定，难以满足电能路由器复杂多变的应用场景及用户需求，因此为满足用户多样化需求，本发明提出了一种具有可扩展性并适合多种可再生能源接入的电能路由器模块化的实现方法。
发明内容
基于现有技术，本发明提出了一种模块化电能路由器装置及其实现方法，对多种分布式电源进行协调和控制以及与储能或负载优化匹配控制装置的硬件模块化的实现方法。
本发明的一种模块化电能路由器装置，该装置包括根据用户需求进行搭积木式组装的多个模块，包括电能适配器本体、交流电网母线、直流电网母线、通讯控制母线；所述电能适配器本体被划分为系统控制单元预安装位、功率变换单元预安装位、可控开关预安装位、功率接口预安装位、通讯接口预安装位各个模块至少其中之一；所述直流电网母线连接至发电单元，发电单元选择光伏MPPT控制硬件功能模块或风电MPPT控制硬件功能模块，且所述光伏MPPT控制硬件功能模块或风电MPPT控制硬件功能模块分别通过所述通讯控制母线与所述电能适配器本体进行通讯；所述交流电网母线连接至负载单元，负载单元为交流可控负载硬件功能模块或不可控负载软件功能模块；
可控开关阵列内部均集成电能计量装置，该装置采集开关前后两侧电压及流经开关的电流电能信息，并通过标准化通讯接口传递给系统控制单元；
负载单元兼容传统家电和智能家电需求，传统家电的控制通过用户指定或者系统控制单元根据电网电价制定的启动或停止时刻，然后通过系统控制单元监测负载工作状态，闭合或切断可控开关阵列中对应的开关来实现；智能家电，根据用户设定好的工作曲线或系统默认的工作曲线，通过标准化通讯接口进行该负载工作状态的监测以及启动、停止、负载工作状态的实时控制。
该装置还包括储能单元。
所述系统控制单元为可编程数字控制器、微处理器或计算机系统。
所述功率变换单元为DC/DC、DC/AC、AC/DC单向或双向的高频电力电子变换器。
所述储能单元为锂电池或铅酸电池。
所述可控开关阵列为可控机械开关或可控电力电子开关，且每个可控开关内部均集成电能计量装置，该装置采集开关前后两侧电压及流经开关的电流等电能信息，并通过标准化通讯接口传递给系统控制单元。
功率接口为满足国标的交流或直流功率接口。
所述标准化通讯接口为满足国标的LAN或CAN总线接口，通讯接口不仅需要完成通讯控制功能还需要将系统采集到的电能信息输送给系统控制单元
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、采用了硬件分类模块化的方法，能够对电能路由器装置进行硬件上的模块化划分；
2、能根据用户需求配置相应的功率变换模块及系统控制模块，满足了用户的多样化功能需求；
3、实现方法科学，实现成本较低，尤其可用于对成本和开发周期非常敏感的中小功率电能路由器装置的设计中。
附图说明
图1为本发明的一种模块化电能路由器装置结构示意图；
图2为本发明的硬件模块化分类结构示意图；
图3为本发明的具体实施方案示意图一；
附图标记：1、电能路由器装置本体，2、功率变换单元，3、系统控制单元，4、可控开关阵列及扩展预留位，5、标准化功率接口及扩展预留位，6、标准化通讯接口及扩展预留位，7、发电单元，8、储能单元，9、负载单元，10、交流电网。
图4为本发明的具体实施方案示意图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，为本发明的一种模块化电能路由器装置结构示意图。其包括电能适配器本体、交流电网母线、直流电网母线、通讯控制母线。如图2所示的硬件模块化分类结构示意图，是各种模块的硬件结构示意图。
本发明的模块化电能路由器主要是为了满足户用或者建筑用户的多样化需求及多样化应用场景，保证分布式小型风力发电系统或光伏发电系统等可再生能源系统的灵活接入，交流和直流负载特别是可控负载的灵活接入与管理，储能电池的灵活扩容或更换等。为此，就需要该电能路由器本体具有足够的扩展预留安装位，在实际装置实现时，可以根据不同用户类型和功率等级分别设计本体尺寸和预留安装位数量。
如图3或图4所示，为本发明的具体实施方案示意图一或二。具体实施方案具体包括：
发电单元7，通常是光伏或小风机，其中考虑到屋顶光伏或者建筑光伏板朝向的不一致性，以及安装面积的多变性，该电能路由器1具有可扩展的多路直流汇流与保护模块安装位，在实际使用时，可根据用户需求或应用场景需求配置相应数量和功率的光伏电池最大功率跟踪(MPPT)控制模块；另外，由于风力发电机输出多为三相交流电，因此还需要配置可扩展的多路AC/DC整流汇流与保护模块安装位，从而可根据用户需求或应用场景需求配置相应数量和功率的风机最大功率跟踪(MPPT)控制模块。
负载单元9，可兼容传统家电和智能家电需求，其中传统家电的控制可以通过用户指定或者系统控制单元根据电网电价制定的启动或停止时刻，然后通过系统控制单元3监测负载状态，闭合或切断可控开关阵列4中对应的开关来实现；而对于智能家电而言，可以根据用户设定好的工作曲线或系统默认的工作曲线，通过相应的标准化通讯接口及扩展预留位6进行该负载工作状态的监测以及启动、停止甚至工作状态的实时控制。对于可控负荷的控制主要目标是实现用能的经济性最优，用户用能舒适性最优的目标，当然也可以根据用户自行设定的优化目标进行可控负荷的管理，比如发电系统售电收益最优，或者自发自用比例最优等。
在本发明中，主要考虑满足不同用户对该路由器用电经济性或用电可靠性等方面不同的需求，储能单元8而言，储能电池能够平抑可再生能源发电的波动，减小对电网的冲击，同时实现对关键负荷的不间断供电，对整个电能路由器的发电、用电及并网特性具有较关键的作用，但是现阶段其安装和使用成本较高，对于贫困地区或者用电量非常小的地区，储能容量将严重降低系统经济性。因此，本发明所涉及电能路由器的储能单元将是主要的模块化可配置部分，用户可根据需求进行储能单元容量和类型的灵活选取，然后电能路由器再根据储能电池类型和容量进行功率变换单元2类型和数量的选择。
对于交流电网10而言，本发明所涉及的电能路由器可以根据电网状态和用户设定自动选择并网或孤岛运行，例如无电地区，由于没有交流电网的接入，因此该电能路由器将根据用户设定的电网电压及频率自动建立相应的交流电输出；对于像海岛等少电地区，则可以根据用户设定，例如尽量满足自发自用的设定，将可再生能源发电系统产生的能量尽量多地存储至储能电池或输送给可控负荷，如洗衣机、空调、冰箱等；而对于城市等具有坚强交流配电网地区，则可根据用户设定，如尽可能多售电的设定，将可再生能源发电系统产生的能量尽量多地向电网售电。
系统控制单元3，所涉及的电能路由器1要实现诸多硬件可扩展能力，因此系统控制单元的软件系统也应该是模块化设计，根据不同的硬件模块及功能，选择不同的软件模块，从而保证该电能路由器装置的模块化可扩展特性。
本发明的一种模块化电能路由器装置可以广泛应用于商业建筑、别墅、农舍等建筑节能，特别是偏远无电地区、少电地区以及海岛、林区等独立供电地区。
应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，但不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种模块化电能路由器装置，其特征在于，该装置包括根据用户需求进行搭积木式组装的多个模块，即电能适配器本体、交流电网母线、直流电网母线、通讯控制母线；所述电能适配器本体被划分为系统控制单元预安装位、功率变换单元预安装位、可控开关预安装位、功率接口预安装位、通讯接口预安装位各个模块至少其中之一；所述直流电网母线连接至发电单元，发电单元选择光伏MPPT控制硬件功能模块或风电MPPT控制硬件功能模块，且所述光伏MPPT控制硬件功能模块或风电MPPT控制硬件功能模块分别通过所述通讯控制母线与所述电能适配器本体进行通讯；所述交流电网母线连接至负载单元，负载单元为交流可控负载硬件功能模块或不可控负载软件功能模块；
可控开关阵列内部均集成电能计量装置，该装置采集开关前后两侧电压及流经开关的电流电能信息，并通过标准化通讯接口传递给系统控制单元；
负载单元兼容传统家电和智能家电需求，传统家电的控制通过用户指定或者系统控制单元根据电网电价制定的启动或停止时刻，然后通过系统控制单元监测负载工作状态，闭合或切断可控开关阵列中对应的开关来实现；智能家电，根据用户设定好的工作曲线或系统默认的工作曲线，通过标准化通讯接口进行该负载工作状态的监测以及启动、停止、负载工作状态的实时控制。
2.如权利要求1所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，该装置还包括储能单元。
3.如权利要求1所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，所述系统控制单元为可编程数字控制器、微处理器或计算机系统。
4.如权利要求1所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，所述功率变换单元为DC/DC、DC/AC、AC/DC单向或双向的高频电力电子变换器。
5.如权利要求2所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，所述储能单元为锂电池或铅酸电池。
6.如权利要求1所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，功率接口为满足国标的交流或直流功率接口。
7.如权利要求1所述的一种模块化电能路由器装置，其特征在于，所述标准化通讯接口为满足国标的LAN或CAN总线接口，通讯接口不仅需要完成通讯控制功能还需要将系统采集到的电能信息输送给系统控制单元。
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