CN109193803B - 多能源智能控制一体化系统及多能源智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能源智能控制一体化单元，包括多能控制模块和受控于多能控制模块的多能输入模块、功率模块、多能切换开关模块和多能输出模块，多能输入模块电连接多能切换开关模块，多能控制模块电连接功率模块，功率模块电连接多能切换开关模块，多能切换开关模块电连接多能输出模块，与现有技术相比，本发明的有益效果是，构成本发明的各功能模块可以根据实际需求进行自由配置，组合周期及规划设计周期短，而且多能控制模块可以实现对各功能模块的集中控制，提高了系统的控制效率；本发明可接受多种能源形式的输入并可根据负载使用需求切换多种能源输出模式，实现了能源利用的最优化，本发明还提供一种多能源智能控制方法。

Description

多能源智能控制一体化系统及多能源智能控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制领域，尤其涉及一种多能源智能控制一体化系统及多能源智能控制方法。

背景技术

能源问题是人类对能源需求的增长和现有能源资源日趋减少的矛盾。能源问题目前已成为衡量人民生活水平的标准，而随着各国工业化进程的不断发展，地球上可供人类利用的石油、煤炭、天然气等燃料资源日益枯竭，全球的能源危机已迫在眉睫。

为了减少能源的消耗，世界各国出台了大量的举措，在大力发展风能、太阳能等新能源发电的同时，还积极研究和提高电池储能等的功率密度与转换效率，结合不同的能源供需应用场景，开展分布式多能源微网建设，以达到就地发、用、充储相对平衡、更经济的网荷互动系统。比如在一定的区域范围内建设能源站，并通过能源管理系统对该区域内能源的输入输出进行有效管控。然而传统的能源管理系统需要配置如双向储能逆变器、充电机、BMS 电池管理系统、柴油控制器、风力控制器等多类型的设备，这些设备需要统一的接口以受控于能源管理系统，而且每一个地区对于能源的需求往往并不相同，所以能源站的设备构成往往也不尽相同，所以难免会出现整套系统安装难度大、系统功能过于复杂、系统规划设计周期长以及系统运行效率低下等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多能源智能控制一体化系统，以解决上述技术问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案为，提供一种多能源智能控制一体化系统，包括一多能源智能控制一体化单元，所述多能源智能控制一体化单元包括一多能控制模块和受控于所述多能控制模块的一多能输入模块、一功率模块、一多能切换开关模块和一多能输出模块；

所述多能输入模块电连接所述多能切换开关模块，所述多能输入模块用于将外部电力系统输入的电能传输至所述多能源智能控制一体化单元；

所述多能控制模块电连接所述功率模块，所述多能控制模块用于根据所述多能输入模块传输的电能信号生成一脉宽调制信号；

所述功率模块电连接所述多能切换开关模块，所述功率模块根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将电能转换为可供负载使用的电能；

所述多能切换开关模块电连接所述多能输出模块和所述多能控制模块，所述多能切换开关模块在所述多能控制模块作用下控制经所述功率模块转换输出的电能在交流电和直流电、负载之间切换；

所述多能输出模块用于将经所述多能切换开关模块切换输出的电能输出给各负载；

所述多能输出模块还电连接所述多能控制模块，用于采集各负载的状态信息并将状态信息反馈给所述多能控制模块；

所述外部电力系统包括风力发电源、光伏发电源、柴油发电源、储能电池以及电力电网。

作为本发明的一种优选方案，所述功率模块包括：

一第一功率转换单元，用于根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将输入的电能转换为可供负载使用的直流电；

一第二功率转换单元，用于根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将输入的电能转换为可供负载使用的交流电。

作为本发明的一种优选方案，所述功率模块为IGBT功率模块。

作为本发明的一种优选方案，所述多能切换开关模块包括，

一第一开关切换单元，用以在所述多能控制模块的作用下控制输出交流电；

一第二开关切换单元，用以在所述多能控制模块的作用下控制输出直流电。

作为本发明的一种优选方案，所述多能控制模块包括一DSP数字信号处理模块和与所述DSP数字信号处理模块建立通信连接的用于实现人机交互的人机界面HMI。

作为本发明的一种优选方案，所述多能源智能控制一体化系统还包括一与所述多能源智能控制一体化单元建立通信连接的用于控制所述多能源智能控制一体化单元工作的远程控制平台。

作为本发明的一种优选方案，所述风力发电机、所述光伏组件、所述柴油发电机组和所述储能电池产生的多余电能经所述智能控制一体化单元逆变传输到所述电网上。

本发明还提供一种多能源智能控制方法，该多能源智能控制方法通过应用所述的多能源智能控制一体化系统实现，该多能源智能控制方法包括经济最优控制方法、能源最高利用率控制方法和负载能源需求跟踪控制方法，其中，所述经济最优控制方法包括如下步骤：

步骤S1，通过预测或实测方式得出各负载的用电需求；

步骤S2，通过预设于所述多能控制模块中的计算软件计算得出在满足各负载用电需求情况下，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网提供能源的比重；并按以下优先级进行经济控制：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源；

步骤S3，所述多能源智能控制一体化单元根据所述步骤S2计算得到的各能源提供比重控制对应的所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网向各负载供电。

作为本发明的一种优选方案，所述的能源最高利用率控制方法，包括如下步骤：

步骤A1，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网按照既定的能源提供方案向各负载供电；

步骤A2，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能智能控制模块根据各负载的实际用电需求和各负载的总用电需求，计算得出各负载占各负载总用电需求的比重；

步骤A3，所述多能智能控制模块控制输入能源按照步骤A2中得到的各负载占各负载总用电需求的比重向对应的负载供电。

作为本发明的一种优选方案，所述的负载能源需求跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤B1，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能智能控制模块实时监测各负载的用电需求变化情况；

步骤B2，所述多能智能控制模块根据各负载的用电需求变化情况控制所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网不断调整各自的输出功率；各发电源输出电能的优先级为：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，组成所述多能智能控制一体化单元的各功能模块可以根据实际需求进行配置，组合周期短，系统整体运行效率和资源利用率得到有效提升；所述的多能控制模块实现了对各功能模块的集中控制，提高了系统的控制效率；所述的多能智能控制一体化系统可接受多种能源形式的输入，比如可同时接受风力发电机、光伏组件、柴油发电机组及储能电池产生的或电网传输的电能，从而实现了在电网离网状态下，同样可满足负载使用需求，增强了实用性；同时系统通过经济最优控制方法优先使用风力发电源、太阳能光伏发电源等可再生能源的能量，达到能源的最经济利用。

附图说明

图1是本发明提供的多能智能控制一体化系统的整体结构图；

图2是本发明提供的多能智能控制一体化单元的结构示意图；

图3是应用本发明提供的多能源智能控制一体化系统实现经济最优控制模式的方法流程图；

图4是应用本发明提供的多能源智能控制一体化系统实现能源最高利用率控制模式的方法流程图；

图5是应用本发明提供的多能源智能控制一体化系统实现负载能源需求跟踪控制模式的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一：

请参照图1和图2，本实施例一提供的一种多能源智能控制一体化系统，包括一多能源智能控制一体化单元1，所述多能源智能控制一体化单元1包括一多能控制模块2和受控于所述多能控制模块2的一多能输入模块3、一功率模块4、一多能切换开关模块5和一多能输出模块6；

所述多能输入模块3电连接所述多能切换开关模块5，所述多能输入模块3用于将风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9及储能电池10产生的或通过电网11传输的电能传输至所述多能源智能控制一体化单元1；

所述多能控制模块2电连接所述功率模块4，所述多能控制模块2用于根据所述多能输入模块3传输的电能信号生成一脉宽调制信号；

所述功率模块4电连接所述多能切换开关模块5，所述功率模块4根据所述多能控制模块2生成的所述脉宽调制信号将电能转换为可供负载使用的交流电和/或交流电，具体而言，所述功率模块4包括一第一功率转换单元 12和一第二功率转换单元13，所述A第一功率转换单元12用于根据所述多能控制模块2生成的所述脉宽调制信号将输入电能中的交流电转换为直流电输出，以满足负载对于直流电的使用需求。而第二功率转换单元13则用于根据所述多能控制模块2生成的所述脉宽调制信号将输入电能中的直流电转换为交流电输出，以满足负载对于交流电的使用需求。本发明中，所述的功率模块4可以是IGBT功率模块或者其他模块为核心的先进混合集成功率部件。

所述多能切换开关模块5电连接所述多能输出模块6，所述多能切换开关模块5在所述多能控制模块2的作用下控制经所述功率模块4转换输出的电能在交流电和直流电、负载之间切换。具体的，所述多能切换开关5包括一第一开关切换单元14和一第二开关切换单元15，所述的第一开关切换单元14用于在所述多能控制模块2的作用下控制输出交流电。第二开关切换单元15则用于在所述多能控制模块2的作用下控制输出直流电。

所述的多能输出模块6用于将经所述多能切换开关模块5切换输出的交流电和/或直流电输出给各负载如电动汽车、储能电池、家居照明等使用，而且所述的多能输出模块6还可用于采集各负载的运行状态等信息，并将采集到的信息反馈给所述多能控制模块2，以供其作进一步分析处理，从而调整多能源智能控制一体化系统的控制模式，比如以并网模式或离网模式等模式给负载提供电能。

所述的多能源智能控制一体化系统还具备一重要功能，即可将风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9、储能电池10等产生的多余的电能经逆变传输到电网11上。具体而言，所述的风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9或储能电池10产生的电能经所述多能源智能控制一体化单元1逆变产生交流电，并通过所述多能源智能控制一体化单元1将多余的电能传输到电网11上。所述的逆变过程通过一离并网逆变单元(图中未示出)实现，所述的离并网逆变单元受控于所述多能控制模块2。所述离并网逆变单元在所述多能控制模块2的作用下将于所述多能输出模块6中接收到的多余的电能经逆变传输到电网11上。

所述多能源智能控制一体化系统的运行模式主要分为两种：并网模式和离网模式。所谓的并网模式即各负载既可通过所述多能源智能控制一体化系统从电网11获得电能，也可以通过该多能源智能控制一体化系统从风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9、储能电池10等设备获得电能。并网模式下，风力发电源、光伏发电源生成的电能会最优先被就地负荷所消纳。

离网模式即当电网11发生故障断开时或负载仅依靠所述的风力发电机 7、光伏组件8、柴油发电机9或储能电池10提供的电能即可满足使用需求时采取的电能获取模式。离网模式下，电力电网不能给负载供电，各发电源输出电能的优先级使用风力发电源、光伏发电源、储能电池或它们的组合给重要负载供电，不能满足时同时启动柴油发电源供电，保证负载的正常供电。

本实施例一中，所述的多能源智能控制一体化系统采用并网模式或离网模式给负载供电主要是基于各负载对实际的能源使用需求的考量。

一般而言，所述的多能源智能控制一体化系统的多能源控制模式分为三种，即经济最优模式、能源最高利用率模式和负载能源需求跟踪模式。本发明实施例一针对上述三种多能源控制模式对应提供三种多能源控制方法，分别是经济最优控制方法、能源最高利用率控制方法和负载能源需求跟踪控制方法。

所谓的经济最优模式，是系统运行成本最低的控制模式。该种控制模式首先通过预测或实测得出各负载的用电需求，然后利用相关软件程序或应用算法计算出风力发电机7、柴油发电机组9、储能电池10、光伏组件8或电网11提供能源的比重；同时各发电源输出电能风力发电源≥光伏发电源>电力电网>储能电池>柴油发电源的优先级进行供能，以达到风力与光伏等新能源就地消纳利用率最高、系统运行成本最低的目的。

请参照图3，所述经济最优控制方法包括如下步骤：

步骤S1，通过预测或实测方式得出各负载的用电需求；

步骤S2，通过预设于所述多能控制模块中的计算软件计算得出在满足各负载用电需求情况下，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网提供能源的比重，并按以下优先级进行经济控制：

所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源；

步骤S3，所述多能源智能控制一体化单元根据所述步骤S2计算得到的各能源提供比重控制对应的所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网向各负载供电。

所谓的能源最高利用率模式，即以输出能源的综合利用效率最高为控制目标的控制模式。

所述的能源最高利用率控制方法，包括如下步骤：

步骤A1，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网按照既定的能源提供方案向各负载供电；

步骤A2，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能智能控制模块根据各负载的实际用电需求和各负载的总用电需求，计算得出各负载占各负载总用电需求的比重；

步骤A3，所述多能智能控制模块控制输入能源按照步骤A2中得到的各负载占各负载总用电需求的比重向对应的负载供电。

所谓的负载能源需求跟踪模式，即根据负载对于能源需求的变化，通过所述的多能源智能控制一体化系统不断调整能源并优先提供设备如风力发电机7、光伏组件8、储能电池10等的输出功率，以达到节能减排的目的。

所述的负载能源需求跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤B1，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能智能控制模块实时监测各负载的用电需求变化情况；

步骤B2，所述多能智能控制模块根据各负载的用电需求变化情况控制所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网不断调整各自的输出功率；各发电源输出电能的优先级为：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源。

本实施例一中所述的多能源智能控制一体化系统还可以从控制策略上采用主从控制模式或对等控制模式对各负载提供电能。

主从控制模式，即以风力发电机7、光伏组件8提供能源为主，以电网 11、储能电池10、柴油发电机组9等设备提供能源为辅，或以风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9、储能电池10等设备提供能源为主，以电网11 提供能源为辅给负载供电的能源控制模式。

对等控制模式，即电网11、风力发电机7、光伏组8件、柴油发电机组 9和储能电池10等设备或他们的组合，以同样的能源提供比例给负载供电的控制模式。

需要说明的是，所述的多能源智能控制一体化系统的多种控制模式均通过相关软件程序或应用算法计算完成，相关的软件程序或应用算法可以预设在所述的多能控制模块2中，也可以通过与所述多能源智能控制一体化系统建立通讯连接的远程控制终端计算完成。

实施例二：

请参照图2，实施例二与实施例一的区别在于，于实施例二中，所述的多能控制模块2还包括一用于实现人机交互的人机界面16，所述的人机界面 16与所述多能控制模块2内部设置的DSP数字信号处理模块17电连接，用户可以通过该人机界面HMI16向DSP数字信号处理模块17发送各类操作指令，以实现对多能源智能控制一体化系统整体的有效控制。

实施例三：

请参照图1，实施例三与实施例一或实施例二的区别在于，实施例三中所述的多能源智能控制一体化系统还包括一与所述多能源智能控制一体化单元1建立通信连接的并用于控制所述多能源智能控制一体化单元1工作的远程控制平台18，所述的远程控制平台18可以是常规的计算机、手机等终端设备。用户可以通过该远程控制平台18对多能源智能控制一体化系统实现有效控制，也可以实时获取各负载的运行情况等信息。

综上所述，本发明实现了对风力发电机7、光伏组件8、柴油发电机组9、储能电池10产生的或电网11传输的电能的智能控制；本发明提供的多能源智能控制一体化单元的构成模块可以根据需求进行自由配置，方便优化组合，规划设计周期短，市场接受度高；本发明的多能源智能控制一体化单元1实现了对各构成模块的集中控制，提高了系统整体的运行效率，进一步提升了能源的利用率；本发明的多能源智能一体化系统具备并离网控制模式、主从控制模式、对等控制模式、经济最优控制模式、能源最高利用率控制模式、负载能源需求跟踪模式等多种控制模式，可以满足不同用户和不同应用场合的使用需求，具备较强的实用性。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，包括一多能源智能控制一体化单元，所述多能源智能控制一体化单元包括一多能控制模块和受控于所述多能控制模块的一多能输入模块、一功率模块、一多能切换开关模块和一多能输出模块；

所述多能输入模块电连接所述多能切换开关模块，所述多能输入模块用于将外部电力系统输入的电能传输至所述多能源智能控制一体化单元；

所述多能控制模块电连接所述功率模块，所述多能控制模块用于根据所述多能输入模块传输的电能信号生成一脉宽调制信号；

所述功率模块电连接所述多能切换开关模块，所述功率模块根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将电能转换为可供负载使用的电能；

所述多能切换开关模块电连接所述多能输出模块和所述多能控制模块，所述多能切换开关模块在所述多能控制模块作用下控制经所述功率模块转换输出的电能在交流电和直流电、负载之间切换；

所述多能输出模块用于将经所述多能切换开关模块切换输出的电能输出给各负载；

所述多能输出模块还电连接所述多能控制模块，用于采集各负载的状态信息并将状态信息反馈给所述多能控制模块；

所述外部电力系统包括风力发电源、光伏发电源、柴油发电源、储能电池以及电力电网；

所述多能源智能控制一体化系统包括三种多能源控制模式，其中：

经济最优模式，通过预测或实测方式得出各负载的用电需求；然后通过预设于所述多能控制模块中的计算软件计算得出在满足各负载用电需求情况下，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网提供能源的比重；并按以下优先级进行经济控制：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源；最后所述多能源智能控制一体化单元根据计算得到的各能源提供比重控制对应的所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网向各负载供电；

能源最高利用率模式，以输出能源的综合利用效率最高为控制目标的控制模式，首先所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网按照既定的能源提供方案向各负载供电；随后所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能控制模块根据各负载的实际用电需求和各负载的总用电需求，计算得出各负载占各负载总用电需求的比重；最后所述多能控制模块控制输入能源按照得到的各负载占各负载总用电需求的比重向对应的负载供电；

负载能源需求跟踪模式，用于根据负载对于能源需求的变化，通过所的多能源智能控制一体化系统不断调整能源并优先提供设备如风力发电机、光伏组件、储能电池等的输出功率，以达到节能减排的目的；首先，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能控制模块实时监测各负载的用电需求变化情况；随后，所述多能控制模块根据各负载的用电需求变化情况控制所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网不断调整各自的输出功率；各发电源输出电能的优先级为：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源。

2.如权利要求1所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述功率模块包括：

一第一功率转换单元，用于根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将输入的电能转换为可供负载使用的直流电；

一第二功率转换单元，用于根据所述多能控制模块生成的所述脉宽调制信号将输入的电能转换为可供负载使用的交流电。

3.如权利要求2所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述功率模块为IGBT 功率模块。

4.如权利要求1所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述多能切换开关模块包括，

一第一开关切换单元，用以在所述多能控制模块的作用下控制输出交流电；

一第二开关切换单元，用以在所述多能控制模块的作用下控制输出直流电。

5.如权利要求1所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述多能控制模块包括一 DSP 数字信号处理模块和与所述 DSP 数字信号处理模块建立通信连接的用于实现人机交互的人机界面 HMI。

6.如权利要求1所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述多能源智能控制一体化系统还包括一与所述多能源智能控制一体化单元建立通信连接的用于控制所述多能源智能控制一体化单元工作的远程控制平台。

7.如权利要求1所述的一种多能源智能控制一体化系统，其特征在于，所述风力发电机、所述光伏组件、所述柴油发电源和所述储能电池产生的多余电能经所述智能控制一体化单元逆变传输到所述电网上。

8.一种多能源智能控制方法，包括经济最优控制方法、能源最高利用率控制方法和负载能源需求跟踪控制方法，其特征在于，应用如权利要求 1-7 任意一项所述的多能源智能控制一体化系统实现，其中，所述经济最优控制方法包括如下步骤：

步骤 S1，通过预测或实测方式得出各负载的用电需求；

步骤 S2，通过预设于所述多能控制模块中的计算软件计算得出在满足各负载用电需求情况下，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网提供能源的比重；并按以下优先级进行经济控制：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源；

步骤 S3，所述多能源智能控制一体化单元根据所述步骤 S2 计算得到的各能源提供比重控制对应的所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网向各负载供电。

9.如权利要求8所述的一种多能源智能控制方法，其特征在于，所述的能源最高利用率控制方法，包括如下步骤：

步骤 A1，所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网按照既定的能源提供方案向各负载供电；

步骤 A2，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能控制模块根据各负载的实际用电需求和各负载的总用电需求，计算得出各负载占各负载总用电需求的比重；

步骤 A3，所述多能控制模块控制输入能源按照步骤 A2 中得到的各负载占各负载总用电需求的比重向对应的负载供电。

10.如权利要求8所述的一种多能源智能控制方法，其特征在于，所述的负载能源需求跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤 B1，所述多能源智能控制一体化单元内的所述多能控制模块实时监测各负载的用电需求变化情况；

步骤 B2，所述多能控制模块根据各负载的用电需求变化情况控制所述风力发电源、所述柴油发电源、所述光伏发电源、所述储能电池和所述电力电网不断调整各自的输出功率；各发电源输出电能的优先级为：所述风力发电源≥所述光伏发电源>所述电力电网>所述储能电池>所述柴油发电源。

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