CN107134914B - 一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器，包括变换器组、内部功率总线、设备接口、功率开关阵列和控制单元，变换器组的每个单体变换器的输入/输出均可通过功率开关切换到不同的内部功率总线，设备接口也可通过功率开关与内部功率总线相连。本发明电能路由器采用通用的H桥拓扑作为变换器的基本结构，通过开关阵列的动作，对路由器内部进行重构，实现功率电路和设备接口的复用。该电能路由器设备接口兼容目前常用的各类发电设备和用电设备，各类发电设备可在不外接并网变流器的基础上直接与电能路由器相连，从而降低了系统的总成本，并实现设备的“即插即用”。

Description

一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器

技术领域

本发明属于电力电子和信息技术领域，具体涉及一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器。

背景技术

近年来，大量分布式可再生能源发电装置接入电网，这些新能源发电装置通常具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性，为了减轻电网压力、增加可再生能源利用率，大量储能设备也随之加入电网为波动的能量流提供缓冲。因此，传统的集中发电方式正逐渐向分布式发电方式转变，能量的单向流动正变为多向流动方式。同时，以电动车为代表的新型不确定性的大功率负载加入，使电能的流动和管理变得更加复杂。传统电力系统的运行方式难以胜任复杂的能量管理要求。

此外，随着电力改革和市场化的推进，未来电能交易将越来越自由灵活。电能的供给者不再只有原有的国有发电厂，民营小型发电厂、分布式能源发电站等新的电能提供者将逐渐出现；同时，由于新能源发电渗入配电终端，以往的终端用户可能在负载和源之间切换。因此对于每个电网终端，电能的流动将从传统的单向流动变为双向流动，甚至多向流动。未来的电力系统将从现在的“一对多”架构转变为“多对多”的形式，电能流动的多样化大大增加。为了将电能定量、定点、定时地准确调度，电网的各个终端和节点均需要实现能量的主动调度管理，实现能量流的精确可控。而传统的电力系统和电力设备往往只能被动地调节功率平衡，无法实现对功率流的主动控制与分配。

基于电力电子变换的电能路由器满足了未来电网对电能控制的复杂性和多样性要求。在集成了先进信息技术的基础上，电能路由器能够实现能量的高效接入和准确传输，将成为未来电网的核心部件。首先，电力电子变换技术可为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流的直流形式或交流形式等。其次，由于电力电子装置的高可控性，网络内各节点的能量流方向和大小可实现精确控制，为电力市场化的实现提供技术基础。此外，传统电力调度中心很难管理如此数量庞大的分布式发电、储能设备。在电能路由器的控制下，电力局域网可实行自律运行，而上层电力调度中心只需通过电能路由器向局域网发送较长时间尺度的优化运行参数，调度管理的负担大幅降低。

公开号为CN 102315645A的中国专利公开了一种用于分布式发电的能量路由器，该发明针对分布式发电尤其是可再生能源分布式发电的间歇性等问题，提出了一种用于分布式发电的能量路由器。该发明所提出的能量路由器包括可控开关、变流器、工频交流母线、能量管理系统和静态开关。变流器的输入侧接储能单元，变流器的输出侧接到可控开关上。静态开关的一端接到工频交流母线上，另一端连接到公共电网。能量管理系统通过以太网与可控开关、变流器和静态开关相连。该能量路由器提供“即插即用”接口，对分布式发电电源的接入无需特殊工程要求。各分布式发电电源、储能单元均接到能量路由器的工频交流母线上，不仅可以供电给本地的普通负荷和重要负荷，而且还能够像公共电网输送电能。然而，该路由器接口均需统一制式的工频交流，对于光伏、风机等分布式电源，要求首先通过变换器变换得到该统一制式的工频交流形式。此外，各类设备接口无法实现复用，因而端口利用率偏低。

公开号为CN 103973559A的中国专利公开了一种基于信息物理系统融合的能量路由器，该路由器包括监测模块、通讯模块、信息处理模块、智能控制模块、电力电子固态模块、电能接口模块和储能模块。监测模块将监测信息通过通讯模块传输给信息处理模块，信息处理模块将运算处理后的数据通过通讯模块传输给智能控制模块，智能控制模块将控制信息通过通讯模块传输给电力电子固态模块，同时传输给监测模块、信息处理模块和储能模块，从而控制能量路由器的运行，储能模块为所述能量路由器提供电能存储。该路由器具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能。然而该路由器的设备接口具有如10kV交流、380V交流、直流等固定的电能形式要求。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器，该路由器具有可复用功率电路、稳定性好和容错性好的特点，能够实现能量流的精确控制，且设备接口可“即插即用”。

一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器，包括多个设备接口、多条功率总线、多台功率变换器、功率开关阵列以及控制单元；所述设备接口通过功率开关阵列与各条功率总线相连，并通过信号线与控制单元相连；所述功率变换器的输入和输出端口同样通过功率开关阵列与各条功率总线相连，所述功率开关阵列和功率变换器均受控于控制单元；

当有外部设备接入任一设备接口时，该设备接口通过信号线与控制单元进行通信，控制单元确定外部设备的功率类型后为该设备接口分配一台功率变换器，即通过对功率开关进行控制使该设备接口通过功率总线与该功率变换器一侧端口连通，并使该功率变换器另一侧端口通过功率总线与其他某一设备接口连通，从而实现线路重构；同时控制单元通过对该功率变换器进行控制以实现功能重构，使该外部设备进行供电或受电。

进一步地，多个所述电能路由器通过设备接口互连，能够扩展为电能路由器组以增大系统容量。

进一步地，所述功率变换器用于实现DC-DC、DC-AC或AC-DC功率变换，其采用H桥电路拓扑结构。

进一步地，所述设备接口用于兼容连接不同电压等级的直流设备和交流设备，且设备接口只能外接一个设备或外接多个同类可并联的设备或与其他电能路由器的设备接口相连，当设备接口与其他电能路由器的设备接口相连时，则该设备接口所连线路就成为主干线路，不能再接入其它设备。

进一步地，所述功率开关阵列由多个双向可控开关呈阵列分布形式组成，每一个设备接口的功率线与每一条功率总线之间均通过一个双向可控开关控制通断；每一个变换器的输入或输出端口与每一条功率总线均通过一个双向可控开关控制通断。

进一步地，所述设备接口的通信方式可以但不局限于基于TCP/IP的以太网通信，接入设备需要具备相同类型的通信接口。

本发明电能路由器借鉴网络和通信技术，将电能变换、通信技术和网络技术相结合，类比通信路由器，将功率总线和所有设备的变换器集成一个装置，从而实现各类设备的“即插即用”。本发明将路由器内部的功率总线通过功率开关阵列和设备接口、变换器相连，实现点对点的功率流灵活控制；各变换器均采用通用的H桥电路拓扑，其通用性便于变换器进行功能重构；控制单元与接入的设备进行通信，从而确定设备所需或所供电能类型，进而安排内部变换器和开关阵列进行重构。本发明电能路由器高度集成了变换器和功率总线，具有设备即插即用、功率电路可复用、设备接口可复用，及稳定性好、可靠性好、容错性好等优点。

本发明主要应用于低压配电终端，学校、商场、民用住宅等，其设备接口兼容目前常用的各类发电设备、储能设备和用电设备；各类发电设备可在不外接并网变流器的基础上直接与电能路由器相连，而内部变流器和功率总线具有重构功能，从而提高了系统的灵活性和鲁棒性，降低了系统的总成本；设备端口可以“即插即用”，进一步提高了该电能路由器的智能化水平。

附图说明

图1为本发明电能路由器的结构示意图。

图2为基于H桥电路拓扑结构的功率变换器连接示意图。

图3为本发明电能路由器的设备端口示意图

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明应用于低压配电终端的自组织电能路由器，包括内部功率总线、功率变换器组、功率开关阵列、设备接口和控制单元；内部功率总线包括多个不同电压等级的直流电源总线和220V交流电源总线；变换器组包括多个H桥电路，通过功能重构可以实现DC-DC，DC-AC和AC-DC变换功能；变换器通过功率开关阵列切换到不同的直流或交流总线，同时设备接口也通过功率开关切换到不同的内部功率总线，实现线路重构；设备接口兼容不同电压等级的直流设备和220V交流设备。多个电能路由器之间通过设备接口互连，扩展为电能路由器组以增大系统容量，所有功率开关切换受控制单元控制。

当外部智能设备接入电能路由器的设备接口，设备首先与电能路由器的控制单元进行通信，确定设备的功率类型，然后控制单元根据内部算法控制功率开关阵列对电能路由器进行线路和功能重构，向设备供电/受电。

每个设备接口只能接一个设备，或接多个同类可并联设备，或与其他电能路由器相连。当电能路由器的一个设备接口与其他电能路由器相连时，这段线路就成为主干线路，不能再接入其它设备。功率开关阵列采用横纵连接方式，每一个设备接口的功率线与内部的每一根功率总线均由一个双向可控开关控制通断；每一个变换器的输入、输出端口与内部的每一根功率总线均由一个双向可控开关控制通断。电能路由器设备接口的通信方式可以但不局限于基于TCP/IP的以太网通信，接入设备需要具备相同类型的通信接口。

图1所示了本发明电能路由器的一种具体实施方式，其包括m条内部功率总线、n个功率变换器、k个设备接口、(max{n,k}+1)个Cortex控制器和若干可控双向开关，其中：

每一个功率变换器均为H桥结构，包括四个MOS管w1，w2，w3和w4，电容C和电感L1，L2，连接方式如图2所示。上管w1和w3的d端相连于a点，下管w2和w4的s端相连于b点。w1的s端与w2的d端相连于p点，w3的s端与w4的d端相连于q点。a点和b点之间接滤波电容C，p点接电感L1的一端，q点接电感L2的一端。a,b点及电感L1，L2的另一端分别通过双向开关与每一条内部功率总线相连。当H桥作为DC-DC升压电路时，电感L1，L2的另一端为输入端口，L1的另一端为高电位，L2的另一端为低电位，电容两端为输出端口，a点为高电位，b点为低电位。此时，电路等效为两个并联的Boost电路。当H桥作为DC-DC降压电路时，电容两端为输入端口，a点为高电位，b点为低电位，电感L1，L2的另一端为输出端口，L1的另一端为高电位，L2的另一端为低电位。此时，电路等效为两个并联的Buck电路。当H桥作为DC-AC逆变电路时，电容两端为直流侧输入端口，a点为高电位，b点为低电位，电感L1，L2的另一端为交流输出端口。当H桥作为AC-DC整流电路时，电感L1，L2的另一端为交流输入端口，电容两端为直流输出端口，a点为高电位，b点为低电位。

每个设备接口均有两根功率线和一个以太网接口，如图3所示，两根功率线分别通过双向开关与每一条内部功率总线相连。设备通过以太网接口与电能路由器相连，并与电能路由器内部的控制单元进行双向通信。当设备接入，设备与路由器通过以太网建立通信，设备向路由器控制单元发送所需或所提供的电能信息，包括直流/交流、电压、功率等。正常工作时，设备需要以一定的周期向电能路由器发送正常工作的确认信号。路由器控制单元通过控制内部重构和H桥的工作(如果需要)，接收/提供设备电能。当设备需要拔出，设备通过以太网向路由器控制单元发出请求，继而安全拔出。当设备出现故障，确认信号不能正常发送，路由器控制单元即认为该设备已断开，不再与该设备进行能量交换。

控制单元包括1个主控制器和max{n,k}个从控制器，均为Cortex M4控制器。每一个从控制器均与主控制器通过通信总线相连，与主控制器进行双向通信。其中，取n个从控制器分别控制n个H桥电路。每一个从控制器通过驱动电路与各H桥电路的四个MOS管的栅极相连，为其提供功率控制信号。取k个(可以与n个桥式电路控制器重叠)从控制器，将其以太网接口用作与外接设备的通信接口。各从控制器向主控制器发送相关信息，由主控制器进行统一的功率调度。路由器内部的双向开关控制端通过驱动电路与主控制器的I/O口相连，接受主控制器的控制信号，进行线路重构。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器，其特征在于：包括多个设备接口、多条功率总线、多台功率变换器、功率开关阵列以及控制单元；所述设备接口通过功率开关阵列与各条功率总线相连，并通过信号线与控制单元相连；所述功率变换器的输入和输出端口同样通过功率开关阵列与各条功率总线相连，所述功率开关阵列和功率变换器均受控于控制单元；

当有外部设备接入任一设备接口时，该设备接口通过信号线与控制单元进行通信，控制单元确定外部设备的功率类型后为该设备接口分配一台功率变换器，即通过对功率开关进行控制使该设备接口通过功率总线与该功率变换器一侧端口连通，并使该功率变换器另一侧端口通过功率总线与其他某一设备接口连通，从而实现线路重构；同时控制单元通过对该功率变换器进行控制以实现功能重构，使该外部设备进行供电或受电。

2.根据权利要求1所述的自组织电能路由器，其特征在于：多个所述电能路由器通过设备接口互连，能够扩展为电能路由器组以增大系统容量。

3.根据权利要求1所述的自组织电能路由器，其特征在于：所述功率变换器用于实现DC-DC、DC-AC或AC-DC功率变换，其采用H桥电路拓扑结构。

4.根据权利要求1所述的自组织电能路由器，其特征在于：所述设备接口用于兼容连接不同电压等级的直流设备和交流设备，且每个设备接口只能外接一个设备或外接多个同类可并联的设备或与其他电能路由器的设备接口相连，当设备接口与其他电能路由器的设备接口相连时，则该设备接口所连线路就成为主干线路，不能再接入其它设备。

5.根据权利要求1所述的自组织电能路由器，其特征在于：所述功率开关阵列由多个双向可控开关呈阵列分布形式组成，每一个设备接口的功率线与每一条功率总线之间均通过一个双向可控开关控制通断；每一个变换器的输入或输出端口与每一条功率总线均通过一个双向可控开关控制通断。