CN106786771A - 一种能源互联网用能源路由器及能源处理方法 - Google Patents

一种能源互联网用能源路由器及能源处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种能源互联网用能源路由器及能源处理方法，该路由器包括能源输入接口,用于接入本地设备电能、可再生能源以及由燃气和一次能源转换而成的高压交流电；以高压直流母线和/或低压直流母线作为联接点的交直流转换模块，用于对所述能源输入接口接入的能源进行转换；能源输出接口，用于输出转换后的能源；该方法将由燃气和热能转化、并入电网的高压交流电、可再生能源和本地设备电能转换为电能。本发明提供的技术方案满足多种能源接入需求，既能满足用户供电、供热需求，也能与其他局域网实现能源互联。

Description

一种能源互联网用能源路由器及能源处理方法
技术领域
本发明涉及能源互联网领域，具体讲涉及一种能源互联网用能源路由器及能源处理方法。
背景技术
综合运用先进的电力电子技术,信息技术和智能管理技术的能源互联网是将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来,实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。从政府管理者视角来看，能源互联网是兼容传统电网的，可以充分、广泛和有效地利用分布式可再生能源的、满足用户多样化电力需求的一种新型能源体系结构；从运营者视角来看，能源互联网是能够与消费者互动的、存在竞争的一个能源消费市场，只有提高能源服务质量，才能赢得市场竞争；从消费者视角来看，能源互联网不仅具备传统电网所具备的供电功能，还为各类消费者提供了一个公共的能源交换与共享平台。
为适应能源发展面临的资源紧张、环境污染、气候变化的严峻挑战，世界各国能源发展的重点将逐步转向构建能源互联网，建立以清洁能源为主导的新型全球能源开发、配置和利用体系，以实现能源安全、清洁、高效和可持续发展。能源互联网的实现面临以下两方面的挑战：一是，能源互联网的成功很大程度上取决于高效利用分布式可再生能源，提供稳定的能源供给，但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；另一方面，能源互联网是多能交互的能源综合互联体系，除电能之外，热能、气能等不同方式的能源也参与其中，因此实现多能交互，提高综合能源利用效率成为能源互联网必须解决的重要问题。
针对以上两方面的挑战，为实现能源互联网分布式能源高效接入、多种能量高效利用，需要提供一种基于电力电子变换技术的能源路由器。
发明内容
为满足现有技术发展的需要，本发明提供了一种用于能源互联网的能源路由器。
本发明提供的用于能源互联网的能源路由器，其改进之处在于，所述能源路由器包括：
能源输入接口,用于接入本地设备电能、可再生能源以及由燃气和一次能源转换而成的高压交流电；
以高压直流母线和/或低压直流母线作为联接点的交直流转换模块，用于对所述能源输入接口接入的能源进行转换；
能源输出接口，用于输出转换后的能源。
优选的，所述交直流转换模块包括：
第一转换模块，用于对由燃气和热能转化、并入电网的高压交流电进行电能转换；
第二转换模块，用于对可再生能源进行电能转换；
第三转换模块，用于对本地设备电能进行电能转换。
优选的，所述第一转换模块包括DC/DC直流转换模块以及至少两个AC/DC交直流转换模块，或者所述第一转换模块包括AC/DC交直流转换模块以及至少两个DC/DC直流转换模块；
其中，AC/DC交直流转换模块一端与用于接入高压交流电的能源输入接口相连、另一端与高压直流母线相连，DC/DC直流转换模块一端与所述高压直流母线相连、另一端与低压直流母线相连，所述低压直流母线经另一AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流转换模块与所述能源输出接口相连。
优选的，所述第二转换模块至少包括两个DC/DC直流转换模块，其中，一个DC/DC直流转换模块一端与用于接入风能和/或太阳能的能源输入接口相连、另一端与低压直流母线相连，另一个DC/DC直流转换模块一端与所述低压直流母线相连、另一端与能源输出接口相连。
优选的，所述第三转换模块包括AC/DC交直流转换模块以及至少两个DC/DC直流转换模块，或者，所述第三转换模块包括DC/DC交直流转换模块以及至少两个AC/DC直流转换模块；
其中，一个AC/DC交直流转换模块和一个DC/DC直流转换单元一端与用于接入本地设备电能的能源输入接口相连、另一端与低压直流母线相连，另一个AC/DC交直流转换单元和/或DC/DC直流转换单元的一端与所述低压直流母线相连、另一端与能源输出接口相连。
优选的，所述AC/DC交直流转换模块为单相全桥双向逆变单元，或三相半桥PWM整流器；
所述DC/DC直流变换模块为双向Buck-Boost电路。
优选的，进一步包括：储能模块，一端与能源路由器的能源输出接口相连、另一端连接其他能源路由器的能源输出接口，用于平衡能源路由器间的电压，以实现不同局域网间的能量互通。
优选的，所述低压直流母线和/或所述高压直流母线为所述交直流转换模块分别提供低压平衡点和高压平衡点，平衡母线两侧的电压。
一种能源处理方法，所述能源处理方法包括：
燃气和一次能源经发电厂转换为电能并入电网，将高压交流电接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块的变换，为后续的电转热或电转气提供电能；
可再生能源经DC/DC直流变换模块接入能源路由器，依次经过DC/DC直流变换模块、低压直流母线、以及AC/DC或DC/DC交直流转换模块，将可再生能源转换为低压交流电；
本地设备能源接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块、低压直流母线以及AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块，转化为电能输出。
优选的，所述AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块间的能量是双向流动能量。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的能源路由器支持可再生能源输入，该能源路由器与发电厂连接，能满足一次能源和燃气能源通过发电厂转换为电能输入能源路由器，并通过交直流转换模块将新能源和电能高效持续转换为低压的交直流电，并为后续转为热能和天然气提供基础电能，有效解决了新能源发电方式的间歇性；且该路由器可由储能模块连接位于不同区域的能源转换层，实现将不同区域的新能源输入和能量的集中输出，提高可再生能源利用率；
2、本发明提供的能源路由器以电力电子变换技术为核心，用于能源互联网中，满足了能源互联网高效利用分布式可再生能源的需求，为能源互联网多能交互、低碳环保优化的能源体系架构提供良好支撑，能提供稳定能源供给，充分满足了多能交互需求。
3、本发明提供的技术方案中的能源路由器模型能用于整体考虑未来能源系统全部功能需求的能源互联网中，可满足多种能源的接入与输出的需求，也能满足用户供电、供热、并与其他局域网实现能源互联的需求。
附图说明
图1为本发明提供的能源路由器整体框架图；
图2为本发明提供的能源路由器中能量流动方式示意图；
具体实施方式
以下将结合说明书附图，以具体实施例的方式详细介绍本发明提供的技术方案。
本发明提供了一种适用于能源互联网的能源路由器，该能源路由器采用电力电子变换技术，一方面利用能源路由器的能量高效、持续的转换，以及该能源路由器中储能模块连接位于不同区域的能源路由器，有助于解决新能源发电方式存在的间歇性、随机性和不可控性问题，另一方面解决能源互联网中除电能之外的其他能源接入方式的多能交互问题，满足了能源互联网高效利用分布式可再生能源，提供稳定能源供给，以及多能交互的需求。
本发明的能源路由器可用于能源互联网，能源路由器是能源互联网的核心环节，使用电力电子变换技术，内部包含以高压直流母线、低压直流母线为联接点的交直流转换模块，支撑多种能量的高效转换与利用。本发明能够用于能源互联网中，多个能源路由器可以相互连接，实现不同地区能源网的互联，具有能量流动多样性的特点。
如图1所示的能源路由器框架图，展示了不同能源从能源输入侧到能量供给侧之间的能量转换过程。能源路由器1在一个地区局域网中，能源路由器2位于其他地区微网中，由于能源互联网的广泛性、互联性特点，能源路由器2可以与能源路由器1之间相互连接，从而使能量在不同的地区局域网中相互流动，从而实现能源的高效利用。
能源路由器包含如下要素：
1)能源输入接口
燃气和热能经过发电厂转换为电能并入电网中的高压交流电，可通过AC/DC交直流转换模块接入能源路由器；风能、太阳能经过DC/DC直流转换模块接入能源路由器；本地设备通过AC/DC交直流转换模块及DC/DC直流转换模块接入能源路由器。
2)能源输出接口
AC/DC交直流转换模块将能量以低压交流电的形式输出；DC/DC直流转换模块将能量以低压直流电的形式输出；能量也可以通过AC/DC交直流转换模块及DC/DC直流转换模块输出，提供了后续电转热或电转气所需要的电能等功能。
3)AC/DC交直流转换模块
AC/DC交直流转换模块采用单相全桥双向逆变单元，也可采用三相半桥(VSR拓扑)PWM整流器，均支持能量的双向流动。
4)DC-DC直流变换模块
DC-DC直流变换模块采用双向Buck-Boost电路，能够支持能量的双向流动。
5)储能模块
储能模块能够用来连接不同的能源路由器，平衡能源路由器母线之间的电压，实现不同地区局域网之间的能量互通，提高能量综合利用效率。
6)低压直流母线
AC/DC交直流转换模块和DC-DC直流变换模块的直流端可接入低压直流母线，提供电力电子变换过程中的低压平衡点。
7)高压直流母线
AC/DC交直流转换模块和DC-DC直流变换模块的直流端可接入高压直流母线，提供电力电子变换过程中的高压平衡点。
实施例
如图1所述，整体框架图从右至左分别为：能源输入侧、能源路由器以及能源输出侧三个部分。
最右边的能源输入侧包含了可再生能源输入、一次能源输入和燃气输入。可再生能源直接进入能源路由器进行交直流电能转换；燃气输入与一次能源输入有两条途径，一条经过发电厂转换成电能，并入电网，然后接入能源路由器进行交直流电能转换；另外一条途径则直接经过热能转换，输出热能，满足用户热能供应需求。
能源路由器是能源互联网的核心环节，内部包含以高压直流母线、低压直流母线为联接点的交直流转换模块，支撑多种能量的高效转换与利用。本发明可用于能源互联网中，多个能源路由器相连接，从而实现能源互联网中不同地区局域网之间的互联性以及能量流动的多样性。
以两个能源路由器为例，能源路由器1位于一个地区局域能源网中，能源路由器2则位于另一个地区微网中，能源路由器2与能源路由器1之间通过储能模块相互连接，使能量在不同的地区局域网中相互流动，最终实现能源的高效利用。
如图2所示，框图1中为能源路由器1中各个单元能量流动方式；燃气与一次能源经过发电厂转换为电能，并入电网之后以高压交流电方式接入能源路由器1，然后经过交直流转换模块与高压直流母线相连，并支持能量双向流动。高压直流母线又经过直流转换模块与低压直流母线相连，能量双向流动。可再生能源由于其能量间歇性、随机性的特点，经过双向直流变换模块接入能源路由器1中的低压直流母线。低压直流母线经过交直流转换得到低压交流电与低压直流电，满足用户侧供电需求，此外一部分电能转化为热、气能，实现多能交互，提高能量利用效率。
框图2为能源路由器2中各个单位能量流动方式，微网中本地设备采用交直流转换接入低压直流母线，之后再经过交直流转化实现电能输出。储能模块被用来联接能源路由器1与2，从而实现不同局域网之间的能量互通，提高能源综合利用效率。
图2中的DC-DC直流变换模块可采用双向Buck-Boost电路；AC-DC交直流变换模块可采用单相全桥双向逆变单元，也可采用三相半桥(VSR拓扑)PWM整流器，以上所有变换模块均支持能量双向流动。
如图1中的能源输出侧包含供热和供电两个方面。其中供热来自两条途径：燃气与一次能源直接进行热能转换所供应；另一途径则来自能源路由器所输出的电能经过电转热、电转气，最终间接得到的热能供应。供电则主要由能源路由器(这里包括能源路由器1和2)经过电压变换与能量传输分配所得。
一种能源处理方法，所述能源处理方法包括：
燃气和一次能源经发电厂转换为电能并入电网，将高压交流电接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块的变换，为后续的电转热或电转气提供电能；
可再生能源经DC/DC直流变换模块接入能源路由器，依次经过DC/DC直流变换模块、低压直流母线、以及AC/DC或DC/DC交直流转换模块，将可再生能源转换为低压交流电；
本地设备能源接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块、低压直流母线以及AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块，转化为电能输出。
优选的，所述AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块间的能量是双向流动能量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能源互联网用能源路由器，其特征在于，所述能源路由器包括：
能源输入接口,用于接入本地设备电能、可再生能源以及由燃气和一次能源转换而成的高压交流电；
以高压直流母线和/或低压直流母线作为联接点的交直流转换模块，用于对所述能源输入接口接入的能源进行转换；
能源输出接口，用于输出转换后的能源。
2.如权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，所述交直流转换模块包括：
第一转换模块，用于对由燃气和热能转化、并入电网的高压交流电进行电能转换；
第二转换模块，用于对可再生能源进行电能转换；
第三转换模块，用于对本地设备电能进行电能转换。
3.如权利要求2所述的能源路由器，其特征在于，所述第一转换模块包括DC/DC直流转换模块以及至少两个AC/DC交直流转换模块，或者,所述第一转换模块包括AC/DC交直流转换模块以及至少两个DC/DC直流转换模块；
其中，AC/DC交直流转换模块一端与用于接入高压交流电的能源输入接口相连、另一端与高压直流母线相连，DC/DC直流转换模块一端与所述高压直流母线相连、另一端与低压直流母线相连，所述低压直流母线经另一AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流转换模块与所述能源输出接口相连。
4.如权利要求2所述的能源路由器，其特征在于，所述第二转换模块至少包括两个DC/DC直流转换模块，其中，一个DC/DC直流转换模块一端与用于接入风能和/或太阳能的能源输入接口相连、另一端与低压直流母线相连，另一个DC/DC直流转换模块一端与所述低压直流母线相连、另一端与能源输出接口相连。
5.如权利要求2所述的能源路由器，其特征在于，所述第三转换模块包括AC/DC交直流转换模块以及至少两个DC/DC直流转换模块，或者，所述第三转换模块包括DC/DC交直流转换模块以及至少两个AC/DC直流转换模块；
其中，一个AC/DC交直流转换模块和一个DC/DC直流转换单元一端与用于接入本地设备电能的能源输入接口相连、另一端与低压直流母线相连，另一个AC/DC交直流转换单元和/或DC/DC直流转换单元的一端与所述低压直流母线相连、另一端与能源输出接口相连。
6.如权利要求3至5任一所述的能源路由器，其特征在于，所述AC/DC交直流转换模块为单相全桥双向逆变单元，或三相半桥PWM整流器；
所述DC/DC直流变换模块为双向Buck-Boost电路。
7.如权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，进一步包括：
储能模块，一端与能源路由器的能源输出接口相连、另一端连接其他能源路由器的能源输出接口，用于平衡能源路由器间的电压，以实现不同局域网间的能量互通。
8.如权利要求1所述的能源路由器，其特征在于，所述低压直流母线和/或所述高压直流母线为所述交直流转换模块分别提供低压平衡点和高压平衡点，平衡母线两侧的电压。
9.一种能源处理方法，其特征在于，所述能源处理方法包括：
燃气和一次能源经发电厂转换为电能并入电网，将高压交流电接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块的变换，为后续的电转热或电转气提供电能；
可再生能源经DC/DC直流变换模块接入能源路由器，依次经过DC/DC直流变换模块、低压直流母线、以及AC/DC或DC/DC交直流转换模块，将可再生能源转换为低压交流电；
本地设备能源接入能源路由器，依次经过AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块、低压直流母线以及AC/DC交直流转换模块和/或DC/DC直流变换模块，转化为电能输出。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述AC/DC交直流转换模块、高压直流母线、DC/DC直流变换模块、低压直流母线、AC/DC交直流转换模块和DC/DC直流变换模块间的能量是双向流动能量。
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