CN108886258B - 电能管理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种电能管理装置。该装置包括：用于与电能源和/或电能负载和/或电能储存装置建立电气连接的多个接口端；多个电力转换器，每个电力转换器均具有输入端和输出端；包括多个继电器单元的继电器阵列，所述继电器单元设置为可在与所述多个电力转换器的输入端的连接和与该多个电力转换器的输出端的连接之间切换；控制器，该控制器用于生成所述继电器阵列中的继电器单元的控制信号，并从而对所述电力转换器形成的各组合的输入端和输出端之间的连接进行设置。

Description

电能管理装置及方法
技术领域
本发明实施方式涉及电能管理，尤其涉及微电网应用中不同电能源与负载间电能转换的管理。
背景技术
如今，太阳能光伏(PV)及风力涡轮机等可再生能源(RES)正越来越普及。其中的部分原因在于人们对以化石能源为基础的不可再生能源的耗竭以及对与不可再生能源的使用相关联的碳排放的关注度越来越高。可再生能源的发电取决于风速、太阳辐照量及温度等实际天气条件。此类条件可发生剧烈而快速的经时变化。为了确保可再生能源的稳定供能，通常使用电池组和超级电容等直流(DC)储能装置对可再生能源的输出功率变化进行补偿。此外，发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、通信装置、计算装置及采用变速驱动器的电动机等直流负载在电能负载中占有很大比例。直流系统装置的高市占率使得在很多情况下需要在直流和交流(AC)电力之间进行转换。对于现有交流系统而言，此类直流-交流-直流转换可导致较低的能量利用率和系统可靠性。
在交流和直流类系统部件的集成方面，一种已证明的有效方案为使用由交流子网和直流子网构成的交直流混合微电网。该方案有助于减少需要进行的能量转换次数。
图1为交直流混合微电网系统的例示布局示意图。交直流混合微电网系统100包括交流总线110和直流总线120。交流总线110上连有交流负载116和柴油发电机114。直流总线120上连有储能系统(ESS)124，太阳能光伏板126和轻型风力涡轮机128，而且这些部件通过相应的电力电子转换器纳入电网。其中，储能系统124通过双向直流/直流转换器132连于直流总线120，太阳能光伏板126通过单向直流/直流转换器134连于直流总线120，轻型风力涡轮机128通过三相交流/直流整流器136连于直流总线。交流总线110与直流总线120之间安装有双向互连转换器(BIC)130。该系统可视为以下两个子网：交流子网和直流子网。双向互连转换器(BIC)130用于保持此两子网的功率平衡。如图1所示，交流总线110可连于公用电网112。因此，根据是否有可供使用的公用电网，该交直流混合微电网可以并网和孤网两种模式运行。
交直流混合微电网可作为固定设施安装于建筑物中，并与公用电网连接。此外，其还可在飞机、海上平台等孤网情形中使用。交直流混合微电网的主要考虑因素为安装和操作的简便性，而且对于防灾和军事用途中的电力供应而言尤其如此。
图2为交直流混合微电网的例示模块化设计图。如图2所示，混合电网模块200具有多个电力转换器。混合电网模块200具有交流总线220和直流总线，该交流总线具有A、B、C三条火线、零线N及地线Gnd，该直流总线具有正线+、负线–及地线Gnd。交流总线210上连有柴油发电模块212和双馈感应发电机(DFIG)风力发电模块214。直流总线220上连有飞轮交流/直流转换器222，燃料电池直流/直流转换器224，电池直流/直流转换器226以及光伏直流/直流转换器228。交流总线210与直流总线220由双向交流/直流转换器230连接。混合电网模块200由能量管理系统(EMS)232控制。图2所示模块化设计提供了一种将所有类型的电力电子转换器集成于交直流混合微电网模块200内的方案。
模块化交直流混合微电网的优点包括：易于部署和安装；易于维护；高便携性；该系统具有高度的可扩展性，而且易于操作和控制。
当前的微电网设计均根据可用电能源、储能及负载情况，具体问题具体处理。其中，相应的电力转换模块和系统结构必须专门设计。由于微电网的大多数部件由采用不同技术的不同供应商提供，因此系统集成成为一项复杂而耗时的任务，前后项目之间难以直接移植或相互借鉴。
不同类型电能源的电源电压/电流范围差异巨大。举例而言，在现有的集中式或串联式光伏阵列中，多个光伏模块相互串联，从而产生高电源电压/低电源电流。为了在遮光条件下能实现更好的性能，光伏模块也可并联连接，以产生低电源电压/高电源电流。与此类似，工业领域中广泛使用的锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池及超级电容等不同类型储能装置具有不同的能量密度和功率密度特性。高功率密度储能装置用于在短时间内产生或吸收高瞬态功率，而高能量密度储能装置用于在足够长的时间内连续供能。超级电容等高功率密度储能装置一般为低电压高电流储能装置。此外，其他电池的电源电压虽然随电池类型、具体制造商、电池模块的连接方式等因素的差异而有所不同，但均具有较大的变动范围。
另一方面，为了满足以下条件的要求，直流电网的电压范围也较大：(一)不同直流负载的要求，其中包括高电压直流负载(800V/400V/200V)和低电压负载(48V/24V)；(二)不同交流电网电压。举例而言，230V/400V的交流电网要求直流电网的电压高于650V，而对于110V/200V的交流电网而言，400V左右的直流电网电压便已足够。不同国家和地区的交流电网并无统一的标准。因此，不同交流电网的电压和频率以及相应的主要设备和交流电源之间存在着巨大的差异。虽然此类电压差异可通过低频率变压器进行弥补，但是低频率变压器具有体积大、重量重、不实惠的缺点。
鉴于上述原因，微电网领域在专业知识和定制化方面存在巨大需求。因此，本领域需要设计一种能够适应不同国家和地区的不同供应商所提供的各种电能源、储能及负载装置的综合型混合微电网模块。
公开号为US2013/0099581的美国专利申请描述了一种储能系统，该系统包括：多种储能介质，这些储能介质的能量密度和功率密度存在实质性差异，而且每种储能介质均通过相应的隔离式双向直流/直流转换器连于直流总线上；控制器，该控制器用于根据控制模式分别确定每种储能介质的电流需求。其中，各转换器允许通过外部端子及可拆卸的跨接电缆或绝缘母线重新连接成不同构型。
公开号为US2012/0175955的美国专利申请描述了一种用于为交流电力系统提供可重构交流接口的系统和方法。
专利号为US9373965的美国专利描述了一种具有多种供电模式的电力路由器。其中，可再生能源需通过定制的电力转换器与该电力路由器相连。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种电能管理装置包括：用于与电能源和/或电能负载和/或电能储存装置建立电气连接的多个接口端；多个电力转换器，每个电力转换器均具有输入端和输出端；包括多个继电器单元的继电器阵列，所述继电器单元设置为可在与所述多个电力转换器的输入端的连接和与该多个电力转换器的输出端的连接之间切换；以及控制器，该控制器用于生成所述继电器阵列中的继电器单元的控制信号，并从而对所述电力转换器形成的各组合的输入端和输出端之间的连接进行设置。
本发明的实施方式便于最终用户的即插即用操作。即插即用是指，可在无需用户干预的情况下对包括不同可再生能源(光伏、风力涡轮机、燃料电池等)，化石能源(柴油发电机)，储能装置及负载在内的外部设备进行自动检测和管理。即插即用概念旨在简化交直流混合微电网的集成方式，加速其部署，并降低其成本。
在一种实施方式中，所述控制器可通过对所述继电器阵列中的继电器单元进行设置而在所述电力转换器的输入端和输出端之间建立串联和/或并联连接。
所述装置可进一步包括一条或多条直流和/或交流总线。其中，所述继电器阵列中的继电器单元设置为在所述电力转换器的输入端和/或输出端与该直流总线和/或交流总线之间建立连接。
在一种实施方式中，提供另一继电器阵列，以实现对所述接口端和所述多个电力转换器的输入端之间的连接的设置。
在一种实施方式中，所述多个电力转换器包括双向直流/直流转换器和/或双向交流/直流转换器。
所述继电器单元可实施为单刀双掷开关。
为了实现高适用性，所述多个电力转换器可以可拆卸方式与所述电能管理装置相连。
为了便于即插即用操作，在一些实施方式中，所述装置还包括与所述控制器相连的通信总线，所述接口端包括与该通信总线的连接，该连接用于在所述控制器与所述电能源和/或电能负载和/或电能储存装置的接口之间提供通信链路。
在一种实施方式中，所述控制器设置为利用经所述通信链路接收的信息选择所述继电器单元的构型。所述电力转换器可与所述通信总线相连，所述控制器可用于生成该电力转换器的控制信号，并经所述通信总线发送该控制信号。在一种实施方式中，上述特征通过如下方式实现：每一所述电力转换器均包括接口部件，该接口组件具有存储设置信息的存储器，所述控制器用于生成对该设置信息进行更新的控制信号。
根据本发明的第二方面，提供一种电能管理装置的控制器中采用的方法。该方法包括：接收表示与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置的信号；为与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置确定微电网结构；以及根据所述微电网结构，生成所述电能管理装置内继电器单元的控制信号，以对与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置和电力转换器之间的连接进行设置。
附图说明
以下参考附图，以非限制性示例方式对本发明实施方式进行描述，附图中：
图1为交直流混合微电网系统的例示布局示意图；
图2为交直流混合微电网的例示模块化设计图；
图3所示为本发明实施方式的电能管理系统；
图4为本发明实施方式继电器单元结构图；
图5a至图5d所示为通过本发明继电器单元实现两个转换器输入端的可电子式重构连接的基本原理；
图6至图8所示为根据本发明实施方式通过相应的两级继电器单元实现的四个转换器输入端的两级可电子式重构连接；
图9所示为本发明实施方式可采取的各电力转换器模块构型的额定电压、额定电流及额定功率表；
图10a至图10c所示为具有可重构连接的四个隔离式双向直流/直流转换器的输出端；
图11所示为根据本发明实施方式具有多条交流总线和多条交直流总线的可重构结构；
图12所示为具有外部电源/储能装置/负载的本发明混合微电网模块的一种实施方式的可重构接口；
图13为本发明实施方式的交直流混合微电网模块的可电子式重构结构概略图；
图14所示为根据本发明实施方式与多个设备相连的交直流混合微电网模块；
图15所示为本发明实施方式交直流混合微电网模块的本地通信网络；
图16所示为电力转换器的数字信号处理器的各种可选闪存编程方式；
图17所示为本发明实施方式中含实时识别和实时重新编程的即插即用过程；
图18为本发明实施方式综合交直流混合微电网模块机械结构图。
具体实施方式
图3所示为本发明实施方式的电能管理系统。该能量管理系统形成一种能够以电子方式重构的交直流混合微电网。
如图3所示，所述电能管理系统包括：与多种电能源(既有交流，也有直流)相连的高适用性即插即用综合交直流混合微电网模块300；多个储能装置；以及多个负载(既有交流，也有直流)。
如图3所示，风力涡轮机(或多个风力涡轮机)310通过智能接口312与交直流微电网模块300相连。智能接口312包括：本地控制器312a；本地通信总线接口312b，该接口可实施为控制器局域网(CAN)总线接口；存储器312c，该存储器可实施为闪存；电力接口312d；以及通信装置312e，该通信装置可实施为无线天线。通信装置312e允许智能接口312与交直流微电网模块300的控制模块350通信。在一些实施方式中，风力涡轮机310等电能源可与交流/交流微电网模块300相距一定距离，以实现灵活的无线通信。
光伏(PV)电池阵列314通过智能接口316与交直流微电网模块300相连。储能装置318通过智能接口320与交直流微电网模块300相连。柴油发电机322通过智能接口324与交直流微电网模块300相连。多个电气负载326通过智能接口328与交直流微电网模块300相连。智能接口316、320、324、328与将风力涡轮机310连于交直流微电网模块300上的智能接口312具有类似构造。
交直流微电网模块300上还连有多个电力转换器。如图3所示，第一直流/直流转换器330通过智能接口332与交直流微电网模块300相连。智能接口332包括：本地控制器332a；本地通信总线接口332b，该接口可实施为控制器局域网(CAN)总线接口；存储器332c，该存储器可实施为闪存；以及电力接口332d。
第二直流/直流转换器334通过智能接口336与交直流微电网模块300相连。第一交流/直流转换器338通过智能接口340与交直流微电网模块300相连。第二交流/直流转换器342通过智能接口344与交直流微电网模块300相连。智能接口336、340、344与将第一直流/直流转换器330连于交直流微电网模块300上的智能接口332具有类似构造。
交直流微电网模块300包括控制模块350，该控制模块具有本地中央控制器352。本地中央控制器352可采用ARM精简指令集计算(RISC)架构。本地中央控制器352与本地通信总线534相连，该总线可实施为控制器局域网(CAN)总线。如图3所示，本地通信总线534具有允许本地中央控制器352与智能接口312、316、320、324、328、332、336、340、344之间进行数据传输的连接355。
如上所述，现今已提出了以包括电力接口、通信接口(如通信总线接口)和本地控制器的智能接口实现交直流微电网模块300主体与外部设备之间的连接。其中，所述外部设备的智能接口内存储的信息可经本地通信总线354传输至交直流微电网模块300的本地中央控制器352，以便于设备的实时识别。
各连入设备的电力接口(如风力涡轮机310的智能接口312的电力接口312d)与交直流微电网模块300的电源端子356相连。
电源端子356上还连有传感装置392和保护/故障隔离装置394。保护/故障隔离装置394包括继电器和接触器。传感装置392对电源/负载/总线/环境电压和电流进行监测。传感装置392向本地控制器350发送模拟信号。
交直流微电网模块300还包括：第一继电器阵列360，该第一继电器阵列包括多个继电器单元362；第二继电器阵列365，该第二继电器阵列包括多个继电器单元367；第三继电器阵列370，该第三继电器阵列包括多个继电器单元372；第四继电器阵列375，该第四继电器阵列包括多个继电器单元377。
交直流微电网模块300还包括第一直流总线380、第二直流总线382、第一交流总线385以及第二交流总线387。通过对所述各继电器阵列中的继电器进行选择性切换，可通过所述交流和/或直流总线在电能源、电力转换器和电能负载之间建立连接。在一些实施方式中，可通过连接384，在电能源和电能负载之间建立直接连接。
本文中，将电能源、储能装置、负载及电力转换器定义为外部设备。上述模块结构可通过对继电器阵列中被选继电器单元的开关状态进行控制而以电子方式重构，从而满足各种电能源和负载要求。相应地，所述电力转换器中内嵌的控制固件允许以在线方式重新编程。本发明微电网模块通过上述可实时重构结构、实时设备识别功能及实时重新编程功能，实现即插即用特性。
电力电子构建模块(PEBB)是模块化电力电子系统设计领域中的一种宽泛概念，其涉及将功率器件、栅极驱动器及其他部件集成为功能模块。通过采用功能构建模块，可以简化各种具体微电网应用中的设计、测试、现场安装及维护工作。而且，通过构建模块接口、控制要求及保护要求的标准化，可以提高PEBB的价值。
本发明实施方式中可采用两种标准PEBB，即双向直流/直流转换器和双向交流/直流转换器。如上所述，为了满足不同的额定电源电压/电流要求及交流/直流负载要求，本发明PEBB中的连接需要具有可重构性。
图4为本发明实施方式继电器单元结构图。继电器单元400包括两个单刀双掷(SPDT)继电器等电磁开关器件：第一继电器410和第二继电器420。该电器单元还包括线圈430。如图4所示，第一继电器410和第二继电器420共享同一线圈430，因此该两个单刀双掷继电器同步动作。图4所示为两个状态：处于“开”状态的继电器400；以及处于“关”状态的继电器400'。所述“关”状态为默认状态，在该状态下，所述继电器单元内的两个单刀双掷继电器分别与B和B'末端相连。在所述“开”状态下，所述两个单刀双掷继电器分别与A和A'末端相连。
图5a至图5d所示为通过本发明继电器单元实现两个转换器输入端的可电子式重构连接的基本原理。在本发明实施方式中，采用双有源电桥(DAB)转换器等隔离式双向直流/直流转换器。该转换器通过高频变压器实现隔离，该高频变压器可实现转换器两侧的串联或并联连接。
如图5a和图5c所示，继电器单元500'、500与两个双向直流/直流转换器502、504的输入端相连。在图5a所示构型中，继电器单元500'处于“关”状态。这一状态通过如下方式实现：通过施加控制信号532'，使得继电器单元500'的线圈530进入“关”状态。图5b所示为双向直流/直流转换器502、504之间的等效电路。如图5a和图5b所示，当所述继电器单元处于“关”状态时，所述两个转换器的输入端串联连接。
在图5c所示构型中，继电器单元500处于“开”状态。这一状态通过如下方式实现：通过施加控制信号532，使得继电器单元500的线圈530进入“开”状态。图5d所示为双向直流/直流转换器502、504之间的等效电路。如图5c和图5d所示，当所述继电器单元处于“开”状态时，所述两个转换器的输入端并联连接。
上述原理可扩展至更高的继电器单元级别，以实现更多转换器的可重构连接。
图6至图8所示为根据本发明实施方式通过相应的两级继电器单元实现的四个转换器输入端的两级可电子式重构连接。
如图6至图8所示，可通过三个继电器装置对第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608的连接进行设置。所述各继电器装置可视为：包括第一继电器装置612和第二继电器装置614的第一级继电器单元610；包括第三继电器装置622的第二级继电器单元。每一继电器装置均包括两个以上结合图4所述的单刀双掷继电器。
在图6a所示构型中，第一继电器装置612接收控制信号613'，该信号使得第一继电器装置612处于“关”状态。在图6a中，处于“关”状态的所述第一继电器装置标注为612'。类似地，第二继电器装置614接收控制信号615'，该信号使得第二继电器装置614处于“关”状态(标注为614')；而第三继电器装置622接收控制信号623'，该信号使得该第三继电器装置处于“关”状态(标注为622')。
图6b所示为第一继电器单元610和所述第二继电器单元中的继电器装置处于“关”状态下时第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608的等效电路。如图6b所示，在此状态下，第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608串联连接。
在图7a所示构型中，上述所有继电器装置均处于“开”状态。如图7a所示，第一继电器装置612接收控制信号613，该信号使得第一继电器装置612处于“开”状态(标注为613)。类似地，第二继电器装置614接收控制信号615，该信号使得第二继电器装置614处于“开”状态(标注为614)；而第三继电器装置622接收控制信号623，该信号使得该第三继电器装置处于“开”状态(标注为622)。
图7b所示为第一继电器单元610和所述第二继电器单元中的继电器装置处于“开”状态下时第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608的等效电路。如图7b所示，在此状态下，第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608并联连接。
在图8a所示构型中，所述第一级继电器单元中的第一继电器装置612和第二继电器装置614处于“开”状态，而所述第二级继电器单元中的第三继电器装置622处于“关”状态。在图8a所示构型中，第一继电器装置612接收控制信号613，该信号使得该继电器装置处于“开”状态；第二继电器装置614接收控制信号615，该信号使得该继电器装置处于“开”状态；第三继电器装置622'接收控制信号623'，该信号使得该继电器装置处于“关”状态。
图8b所示为所述各继电器装置处于图8a所示构型时第一隔离式双向直流/直流转换器602，第二隔离式双向直流/直流转换器604，第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608的等效电路。如图8b所示，第一隔离式双向直流/直流转换器602和第二隔离式双向直流/直流转换器604并联连接，而第三隔离式双向直流/直流转换器606和第四隔离式双向直流/直流转换器608串联连接。
如以上结合图6至图8所述，每一第一级继电器单元均将两个转换器的输入端选择性地并联或串联连接。所述第二级继电器单元控制第一级继电器之间的路由，从而实现四个隔离式双向直流/直流转换器的串联(图6)、并联(图7)及串并混联(图8)。
如以上结合图5至图8所述，所述继电器阵列中的继电器可对各电力转换器之间的连接进行设置。本领域技术人员可理解的是，虽然附图中将各继电器装置示为连接偶数个转换器，但是在本发明的其他实施方式中，所述继电器装置也可连接任何数目的转换器。例如，可以以如下方式连接三个转换器：两个转换器并联；而第三个转换器串联。
此外，虽然以上以例示方式将所述直流/直流转换器示为具有200V的额定输出功率电压，但是应该理解的是，还可使用具有其他额定输出功率电压(如100V)的直流/直流转换器。此外，还可结合使用具有不同额定输出功率电压的直流/直流转换器。
图9所示表中给出了本发明实施方式可采取的各电力转换器模块构型的额定电压、额定电流及额定功率。如图9所示，通过上述可重构结构，可根据具体电源的表中所示额定电压、额定电流及额定功率等要求，对模块化电力转换器(PEBB)进行动态重组。对于超级电容等低电压高电流用途，可将其构造为并联连接。对于现有集中式或串联式阵列等高电压低电流用途，可将其构造为串联连接。
在以上图5至图8中，对双向直流/直流转换器输入端一侧的可重构布线方式进行了描述。相同原理也可应用于其输出端一侧，从而可使直流电网具有可变电压。例如，就额定输出电压为200V的直流/直流转换器而言，可通过此类直流/直流转换器输出端的各种串联/并联/串并混联组合，使得直流电网具有不同的典型电压值。
图10a至图10c所示为具有可重构连接的四个隔离式双向直流/直流转换器的输出端。如上所述，在该例中，每一直流/直流转换器的额定输出电压为200V。
在图10a所示构型中，第一隔离式双向直流/直流转换器1002，第二隔离式双向直流/直流转换器1004，第三隔离式双向直流/直流转换器1006和第四隔离式双向直流/直流转换器1004串联连接，从而可使直流电网产生800V的电压。
在图10b所示构型中，第一隔离式双向直流/直流转换器1002与第二隔离式双向直流/直流转换器1004并联连接。第三隔离式双向直流/直流转换器1006与第四隔离式双向直流/直流转换器1008也并联连接。并联的两对转换器进一步相互串联，从而可使直流电网产生400V的电压。
在图10c所示构型中，第一隔离式双向直流/直流转换器1002，第二隔离式双向直流/直流转换器1004，第三隔离式双向直流/直流转换器1006和第四隔离式双向直流/直流转换器1008均并联连接，从而可使直流电网产生200V的电压。
相应地，也可使交流电网产生不同的输出，以满足各种交流电源或交流负载的规格要求。
图11所示为根据本发明实施方式具有多条交直流总线的可重构结构。图11所示结构具有两条交流总线和两条直流总线。
图11所示结构包括第一交流/直流转换器1102和第二交流/直流转换器1104。第一直流总线1110和第二直流总线1112可通过第一继电器阵列1120与第一交流/直流转换器1102和第二交流/直流转换器1104的直流端选择性连接。第一继电器阵列1120包括第一继电器装置1222和第二继电器装置1224。
第一交流总线1130和第二交流总线1132可通过第二继电器阵列1140和第三继电器阵列1150与第一交流/直流转换器1102和第二交流/直流转换器1104的交流端选择性连接。所述第二继电器阵列包括第一继电器装置1142和第二继电器装置1144。所述第三继电器阵列包括第一继电器装置1152和第二继电器装置1154。
如以上参考图11所述，第一交流总线1130和第二交流总线1132通过具有两个继电器装置的继电器阵列与所述交流/直流转换器的交流端选择性连接。本领域技术人员可理解的是，还可添加其他交流总线，并在所述继电器阵列中相应地添加其他继电器装置。在此类实施方式中，所述继电器阵列内的继电器装置数可取决于交流总线的数目。举例而言，如果交流总线的数目为三，则每一继电器阵列可包括三个继电器装置。
所述直流总线和交流总线之间可采用双向交流/直流转换器实现互连。根据电源和负载要求，双总线的规格参数(总线电压、频率)可分别设为不同值，或者设置为相同值。如上所述，可利用本发明继电器单元，实现直流总线和交流总线之间互连方式的重构。
本文中描述的多总线设计概念提高了系统的整体冗余度、兼容性及可靠性。当系统的一部分发生故障时，本发明混合微电网模块可在对结构进行重构后继续运行。本发明混合微电网模块可向不同标准的负载供电，并同时与不同标准的直流电网互连。本发明混合微电网模块可向不同标准的交流负载供电，与不同标准的交流电源连接，并同时与不同标准的交流电网互连。此外，其还可以解决交流电源/电网同步化及孤网/并网运行模式间转换当中的技术问题。
图12所示为具有外部电源/储能装置/负载的本发明混合微电网模块的一种实施方式的可重构接口。
如图12所示，接口部件1210包括三个直流接口：第一直流接口1212；第二直流接口1214；以及第三直流接口1216。每一直流接口例如采用与负载和电源均兼容的电源插座。在图12所示例中，第一直流接口1212连接低电压直流负载1213，第二直流接口1214连接高电压直流负载1215，第三直流接口1216连接直流电源1217。
接口部件1210包括多个继电器单元。第一继电器单元1222与第一直流接口1212相连，第二继电器单元1224与第二直流接口1214相连，第三继电器单元1226与第三直流接口1216相连。
如图12所示，所述微电网模块包括：直流总线1230；第一直流/直流转换器1250；第二直流/直流转换器1252；以及第三直流/直流转换器1254。第一继电器阵列1240与各直流/直流转换器的输出端相连，并设置为按如上方式将该输出端与所述直流总线相连接，以在所述直流/直流转换器的输出端之间建立串联或并联连接。
第二继电器阵列1242与各直流/直流转换器的输入端相连，并设置为选择性地将该直流/直流转换器的输入端串联或并联连接。
如图12所示，接口部件1210的第一继电器单元1222、第二继电器单元1224和第三继电器单元1226可选择性地将各直流接口与直流总线1230或各直流/直流转换器的输入端相连。当所述高电压直流负载插入插座时，相应继电器切换为将其与所述直流总线相连接。当直流电源1217(如光伏或电池)插入插座(第三直流接口1216)时，相应的第三继电器单元1226切换为将其与第二直流/直流转换器1252的输入端相连接。当低电压直流负载1213(48V/24V)插入插座(第一直流接口1212)时，第一继电器单元1222切换为将其与第一直流/直流转换器1250的输入端相连接。由于上述所有转换器均为双向转换器，因此可实现从高电压直流电网至所述低电压直流负载的电力传输。
接口部件1210的交流端包括交流接口1262。在该交流端，电源和负载均可插入接口1262的同一插座内，即图12所示的交流电源/负载1264。所述微电网模块包括第一交流总线1280和第二交流总线1282。接口部件1210包括一对交流继电器单元1270，此两继电器单元可将交流电源或负载1264在第一交流总线1280和所述第二交流总线1282之间选择性地切换。如此，继电器单元1270即可根据交流电源或交流负载1264的要求选择所述双交流总线之间的布线方式。
图13为本发明实施方式的交直流混合微电网模块的可电子式重构结构概略图。如图13所示，交直流混合微电网模块1300包括与本地通信总线1312相连的控制器1310。控制器1310通过本地通信总线1312对四个继电器阵列进行控制。第一继电器阵列1320包括对直流/直流转换器1360输入端的连接方式进行控制的继电器单元。该继电器单元可视为如以上结合图6至图8所述的第一级继电器单元1322和第二级继电器单元1324。第二继电器阵列1330包括：对直流/直流转换器1360输出端的连接方式进行控制的继电器单元；以及对交流/交流转换器1370直流端的连接方式进行控制的继电器单元1336。对直流/直流转换器1360输出端的连接方式进行控制的继电器单元可视为第一级继电器单元1332和第二级继电器单元1334。第三继电器阵列1340包括多对继电器单元1342，这些继电器单元可将交流/直流转换器1370的交流端选择性地与第一交流总线1396和第二交流总线1398相连。所述多对继电器单元包括用于四线交流接口的双继电器单元组合。此类继电器单元包括四个继电器阵列。
第四继电器阵列1350包括：可将直流接口1382选择性地与第一直流总线1392、第二直流总线1394和直流/直流转换器1360输入端相连的直流继电器单元1352。第四继电器阵列1350还包括多对交流继电器单元1354，每一对继电器单元均可将交流接口选择性地与第一交流总线1396和第二交流总线1398相连。
控制器1310生成上述各继电器阵列的控制信号。第一继电器阵列1320通过控制直流/直流PEBB 1360输入端的连接方式而满足各种电源电压范围/电流范围的要求。第二继电器阵列1330通过控制直流/直流PEBB 1360输出端和交流/直流PEBB 1370输入端的连接方式而实现各种直流电网电压/电流范围。第三继电器阵列1340对交流/直流PEBB 1370输出端与双交流总线之间的连接方式进行控制。通过对第四继电器阵列1350的布线方式进行选择性控制，可以实现与负载和电源均兼容的接口。如此，即可实现根据四个继电器阵列的实际状态，对微电网模块的整体结构以电子方式进行重构。
如图13所示，交流/直流转换器1370和直流/直流转换器1360中的每一个均可包括经本地通信总线1312与控制器1310通信的数字信号处理器(DSP)。
对于本发明交直流混合微电网模块而言，所述外部设备包括电能源、储能装置、负载及电力转换器。为了实现所述“即插即用”功能，第一步即为外部设备的实时识别。如以上结合图3所述，现今已提出了以包括电力接口、通信接口及本地控制器的智能接口将微电网的主体与外部设备相连。其中，此类外部设备的信息建模对于能否实现快速识别至关重要。国际标准IEC 61850中定义了多个用于分布式能源(DER)信息交换的信息模型。IEC 61850-7-420中规定了用于一般分布式能源的信息模型和逻辑节点(LN)，其包括电气连接点(ECP)、控制器、发电机、电力转换器及辅助系统(如测量设备、保护设备)。包括IEC 618507-1、7-2、7-3和7-4在内的其他标准规定了物理设备的模型原理。总体而言，作为此类IEC61850模型定义依据的微电网结构较为初始且缺乏灵活性。对于本发明的可重构结构微电网而言，可在上述各标准的基础上对外部设备的信息建模进行改进。
以下参考图14，对本发明交直流混合微电网模块的信息处理方式进行描述。
图14所示为根据本发明实施方式与多个设备相连的交直流混合微电网模块。这些外部设备可分为以下两类：(一)核心设备：电能源、储能装置及负载；(二)辅助设备：电力转换器。
交直流微电网模块300的结构如以上结合图3所述。
在一些实施方式中，由交直流微电网模块300的控制模块350向各继电器阵列中的继电器直接发送控制信号(开/关命令)。
如图14所示，核心设备312、316、320、324、328的智能接口所处理的数据可分为以下四类：控制信号；状态信息；设置信息；以及测量值。各辅助设备的智能接口还包括固件控制部件。所述测量值可包括计量信息。各继电器的控制器可向控制模块350发送继电器控制相对状态信息(CREL、RSTA)。
表1和表2给出了核心设备(电池储能装置)和辅助设备(电力转换器)信息模型的两种具体实例。
表1：电池储能装置的信息建模实例：
Figure BDA0001778992560000181
Figure BDA0001778992560000191
表2：电力转换器的信息建模实例
Figure BDA0001778992560000192
外部设备的信息模型可分为以下四类：测量值；控制信号；状态信息；以及设置信息。测量值是指处理过程中的实测模拟数据，电流、电压、功率等函数的计算数据，以及温度、辐照度等的物理测量值。核心设备的控制信号主要用于开/关状态和操作模式的控制，而辅助设备的控制信号用于开/关命令、操作模式命令、运行参考、运行特性等更多功能。状态信息反映了运行状态和关键指标及关键要素的状态。对于测量值、控制信号和状态信息而言，需要与本地中央控制器进行定期的实时数据交换。
设置信息为信息模型赖以进行外部设备识别的最重要部分。核心设备的设置信息应包括制造商提供的设备类型、操作权限、设备的详细额定值以及具体特性。类似地，通过电力转换器的设置信息，本地中央控制器可识别该转换器的类型以及该转换器的详细额定值。设备的额定值信息可用于在新增设备时，对系统结构进行电子式重构，以符合该新增设备的要求。操作权限和设备特性用于本地中央控制器能量管理系统(EMS)的在线管理和优化。
由上可知，本发明PEBB通过可以电子方式重构的结构，适用于各种可再生能源、化石能源、储能装置及负载。因此，每一PEBB中的内嵌控制固件应能够相应地允许重新编程。此外，当所述混合微电网模块的能量管理系统算法更新时，该控制固件也需要进行相应的更新。在本发明实施方式中，提出了一种实时重编程技术，该技术基于本地通信总线(CAN总线)，无需人工干预。
图15所示为本发明实施方式交直流混合微电网模块的本地通信网络。用于不同电能源/负载的预设计控制固件1512存储于本地中央控制器1510的存储装置中。如图15所示，通信总线1520上连有智能接口1530设备(电能源、储能装置及负载)。此外，通信总线1520上还连有PEBB(转换器)的智能接口1540。一旦识别出新增设备，即通过通信总线1520对该设备进行信息收集，所收集的信息可包括公司特征、操作权限、运行特性、操作模式、经济调度参数等。在本地中央控制器1510的控制下，对系统结构进行电子式重构，以使其适用于所述新增设备。所收集的设备信息合并于已有程序中，并以在线方式写入每一PEBB的数字信号处理器1542的闪存中。
图16所示为电力转换器的数字信号处理器的各种可选闪存编程方式。如图16所示，数字信号处理器(DSP)1600可采用F2810、F2811或F2812数字信号处理器。该数字信号处理器包括：中央处理单元(CPU)1602；单寻址随机存取存储器(SARAM)1604；以及引导只读存储器(Boot ROM)1606。一般情况下，对于数字信号处理器控制的定制电源模块而言，可预先设计用户应用程序代码，并通过JTAG通信接口1608(图16所示方式A)或Boot ROM1606的串行类(SCI/SPI)闪存编程接口(图16所示方式B)编程至所述数字信号处理器的闪存阵列内。JTAG通信接口1608采用遵循联合测试工作组(JTAG)标准的串行通信。
与上述方法相比，CAN总线闪存编程法更为快速和普及，该方法对设备进行在线编程，并且与本发明混合微电网模块的本地可通信总线相兼容。
CAN总线实时闪存编程法的基本步骤如下：
1)通过JTAG模拟器，将通信内核和闪存应用程序接口(CKFA)写入一次性可编程(OTP)存储器1610或数字信号处理器的闪存保护扇区；
2)在Boot ROM控制下复位时，CKFA自动加载到数字信号处理器的随机存取存储器(RAM)中；
3)通过CAN总线将应用程序代码1612传输至所述RAM中，并在CKFA控制下将其编码至闪存内。
图17为本发明实施方式中含实时识别和实时重新编程的即插即用过程图。
该过程由中央控制器1710实施，该中央控制器包括本地能量管理系统(EMS)1720，CAN总线处理模块以及数据库模块1740。数据库模块1740存有与所述交直流混合微电网模块的连入设备相对应的逻辑节点1742。CAN总线处理模块1130从本地通信总线1750的连入设备的智能接口1760接收测量值、状态信息和设置信息，并经本地通信总线1750向此类连入设备的智能接口1760发送控制信号。
该过程具体如下：
步骤1：当外部核心设备插入时，建立辅助电源。
步骤2：在所述外部设备和本地中央控制器之间建立CAN总线通信链路。
步骤3：该外部设备通过CAN总线1750上传其信息模型。根据所检测到的设备类型，在数据库1740中遵循已建立的标准创建逻辑节点1742，并分配相应的存储器资源。逻辑节点1742从CAN处理模块获得所述测量值、状态信息和设置信息。
各逻辑节点的规模可根据实际可用的微电网资源动态扩展。这些逻辑节点还用作能量管理系统与本地数据库之间的应用程序编程接口(API)。
步骤4：能量管理系统的操作数据处理模块1722获取/更新来自各逻辑节点的数据。
步骤5：根据对可用电源和负载要求的分析，以电子方式对所述微电网结构进行重构1724。其中，各继电器阵列节点的状态将发生变化，并通过CAN总线1750向辅助系统发送控制信号，以相应地改变物理继电器阵列的状态。与此同时，各个转换器节点可相互合并以满足新增设备的要求，而且可通过CAN总线1750将源敏感应用程序代码重新编程至相应的转换器。
步骤6：能量管理系统的在线管理和优化模块1726生成针对处于相关优化目标和约束下的外部设备的控制信号。
步骤7：实时控制信号1728传输至相应逻辑节点并对其控制信号的设置进行更新。最后，更新后的控制信号在通过CAN总线通信发送给外部设备后生效。
图18为本发明实施方式综合交直流混合微电网模块机械结构图。如图18所示，模块化直流/直流转换器1802和模块化直流/交流转换器1804可添加至微电网模块1800的前面板，并可从其上拆除。当转换器时插入后，其与所述模块的主体同时建立电气连接和通信连接。所安装的人机接口(HMI)1810用于实时显示微电网模块的运行状态。此外，该人机接口还用于配置用户命令或操作首选项。所述前面板和后面板上均安装有带防水溅功能的交流和直流插座1820，以连接包括电能源、储能设备、负载等在内的外部设备。此外，为了提高系统的灵活性，还设有其他插座，这些插座允许不同微电网模块之间的互连，以形成可扩展电力区。
上述本发明即插即用设计可提高微电网模块的灵活性、可扩展性和适用性。本发明微电网模块的用途包括偏远村庄、岛屿、孤立气象站、信号塔、海上平台等的供电。此外，军事及地震、洪水等的防灾等对系统可靠性和灵活性要求较高的用途也是潜在的应用领域。
虽然以上对例示实施方式进行了描述，但是本领域技术人员可理解的是，在本发明的精神和范围内，这些实施方式还可做出多种变化。

Claims (12)

1.一种电能管理装置，其特征在于，包括：
多个接口端，用于与电能源和/或电能负载和/或电能储存装置建立电气连接；
多个电力转换器，每个所述电力转换器具有输入端和输出端；
继电器阵列，包括多个继电器单元，所述继电器单元设置为可在与所述多个电力转换器的输入端的连接和与所述多个电力转换器的输出端的连接之间切换，所述继电器阵列可操作为在所述电力转换器的多个构型之间切换，所述电力转换器的多个构型包括串联构型以及并联构型，所述串联构型中两个以上所述电力转换器串联连接，所述并联构型中两个以上所述电力转换器并联连接；以及
控制器，用于生成所述继电器阵列中的所述继电器单元的控制信号，从而对所述电力转换器形成的各组合的所述输入端和所述输出端之间的连接进行设置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括直流总线，其中，所述继电器阵列中的所述继电器单元设置为在所述电力转换器的所述输入端和/或所述输出端与所述直流总线之间建立连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括交流总线，其中，所述继电器阵列中的所述继电器单元设置为在所述电力转换器的所述输入端和/或所述输出端与所述交流总线之间建立连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括第二继电器阵列，所述第二继电器阵列包括多个继电器单元，所述第二继电器阵列中的所述继电器单元与所述接口端相连，并且以可切换方式与所述多个电力转换器的所述输入端相连。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个电力转换器包括双向直流/直流转换器和/或双向交流/直流转换器。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述继电器单元包括单刀双掷开关。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个电力转换器以可拆卸方式与所述电能管理装置相连。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括与所述控制器相连的通信总线，所述接口端包括与所述通信总线的连接，以在所述控制器与所述电能源和/或电能负载和/或电能储存装置的接口之间提供通信链路。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器设置为利用经所述通信链路接收的信息选择所述继电器单元的构型。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述电力转换器与所述通信总线相连，所述控制器用于生成所述电力转换器的控制信号，并经所述通信总线发送所述控制信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，每一所述电力转换器均包括接口部件，所述接口部件具有存储设置信息的存储器，所述控制器用于生成对所述设置信息进行更新的控制信号。
12.一种电能管理装置的控制器中采用的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收表示与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置的信号；
确定与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置的微电网结构；以及
根据所述微电网结构，生成所述电能管理装置内继电器单元的控制信号，以对与所述电能管理装置相连的电能源和/或电能负载和/或电能储存装置与电力转换器之间的连接进行设置，其中，所述电能管理装置的多个继电器单元形成一继电器阵列，所述继电器阵列可操作为在所述电力转换器的多个构型之间切换，所述电力转换器的多个构型包括串联构型以及并联构型，所述串联构型中两个以上所述电力转换器串联连接，所述并联构型中两个以上所述电力转换器并联连接。
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