CN210744749U - 一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，包括：EMS控制单元、直流母线、双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块和交流输出模块；所述EMS控制单元与所述双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块和BMS模块连接；所述双向AC/DC模块经输入端与交流配电网相连接，所述双向AC/DC模块输出端与所述的直流母线连接；所述光伏换流模块输入端与光伏板组件连接，所述光伏换流模块输出端与所述直流母线连接；所述储能换流模块输入端与所述直流母线连接。本实用新型通过设定负荷工作的优先级，优化了负荷能量分配；具有良好的应用前景。

Description

一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器

技术领域

本实用新型涉及能源技术领域，尤其涉及一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器。

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电网。

由于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、增加可再生能源利用率，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。上述集中式、分布式并存的发电方式是的电能的管理增加了复杂度，同时，以电动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。

基于电力电子技术的能源路由器是一种具备多个友好接入多形式能量输入、输出接口的电力设备，内部采用直流公共母线作为能量交互桥梁，对于分布式能源及存储的接入可以省去多余的能量变换器件，提高了能源的使用效率。目前能源路由器对于接入负荷作为统一对象管理，无法根据负荷重要性合理分配能量。

实用新型内容

针对上述现有技术存在不足，本实用新型提供一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器。

本实用新型采用的技术方案为：

一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，包括：EMS控制单元、直流母线、双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块和交流输出模块；

所述EMS控制单元与所述双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块和BMS模块连接；

所述双向AC/DC模块经输入端与交流配电网相连接，所述双向AC/DC模块输出端与所述的直流母线连接；所述光伏换流模块输入端与光伏板组件连接，所述光伏换流模块输出端与所述直流母线连接；所述储能换流模块输入端与所述直流母线连接，所述储能换流模块输出端与储能电池相连接；所述直流输出模块输入端与所述直流母线连接，所述直流输出模块输出端连接至直流负载；所述交流输出模块输入端与所述的直流母线连接，所述交流输出模块输出端连接至交流负载。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述EMS控制单元预设负荷类型并对负荷进行优先级配置，所述负荷类型包括A类敏感性负荷、B类协调性负荷和C类一般性负荷；EMS控制单元根据设定的负载优先级、负载功率及无交流配网供电时需求运行时间综合计算安全值；其中，

A类敏感性负荷，需求在无交流配网供电情况下连续运行若干小时；

B类协调性负荷，需求在无交流配网供电情况下根据光伏换流模块输出功率及储能容量情况决定是否对其供电；

C类一般性负荷，在无交流配网供电情况下不对其进行供电。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述EMS控制单元的运行方式包括并网运行方式和离网运行方式，其中并网运行方式和离网运行方式根据交流配电网的正常与故障状态进行自动切换。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述并网运行方式分为能量剩余模式和能量吸收模式；

其中能量剩余模式为光伏换流模块输出功率大于总负荷额定功率，通过储能换流模块对储能电池进行充电，其余通过双向AC/DC模块输送至电网；

当电池实际容量小于安全值时，若电能未满足储能换流模块达到额定充电功率，则启动双向AC/DC模块补充不足功率；

当电池容量大于安全值且小于满容量时，如果功率不能满足储能换流模块充电功率，不启动双向AC/DC模块。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述能量吸收模式为：光伏换流模块输出功率小于总负荷额定功率，则启动双向AC/DC模块从交流配电网中获取电能以补充不足功率。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述能量吸收模式还包括：如果电池容量大于安全值且小于满容量，在电价为谷值时值时，双向AC/DC模块通过则储能换流模块为储能电池充电；如果在电价为峰值时，双向AC/DC模块不向储能换流模块输出功率。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述EMS控制单元在离网运行时分为正常运行模式和节能运行模式两种控制方式。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述正常运行模式为：光伏换流模块输出功率大于A类敏感性负荷额定功率和B类协调性负荷额定功率之和，剩余能量通过储能换流模块对储能电池进行充电。

作为本实用新型的进一步技术方案为：所述节能运行模式为：光伏换流模块输出功率小于A类敏感性负荷额定功率和B类协调性负荷额定功率之和，当电池实际容量大于安全值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A 类敏感性负荷及B类协调性负荷供电；

当电池实际容量小于安全值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A类敏感性负荷供电，切除B类协调性负荷。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的能源路由器可接入交流配电网、分布式光伏电源、储能电池、直流负荷、交流负荷，通过设定负荷工作的优先级，根据优先级进行能量分配；优化了负荷能量分配，智能控制电能按需流动，通过直流母线作为连接，形成能源局域网的源、网、荷、储协调运行模式；具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器结构图；

图2为本实用新型提出的能源路由器的运行方式结构图；

图3为本实用新型提出的并网运行方式下的控制流程图；

图4为本实用新型所述的离网运行方式下的控制流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提出一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，相比于交流电网，直流电网具有不可比拟的优势。从输电层面来讲，直流输电网比交流输电网更加稳定，因此，采用直流模式建设大电网可以从根本上消除交流电网的稳定性问题；除此之外，直流输电还非常适合应用于大电网的远距离功率输送；从配电层面来讲，未来用户负荷对直流电源的需求将呈上升趋势，且比例也会日益增大。例如电动汽车、半导体照明、计算机与微处理器、通信系统设备、部分家用电器等都以直流作为电源。

以上是本申请的核心思想，为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1所示，为本实用新型提出的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器结构图。

参照图1，本实用新型提出的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，包括：EMS控制单元101、直流母线102、双向AC/DC模块103、光伏换流模块104、储能换流模块105、直流输出模块106和交流输出模块107；

所述EMS控制单元101与所述双向AC/DC模块103、光伏换流模块104、储能换流模块105、直流输出模块106、交流输出模块107和BMS模块连接108；

所述双向AC/DC模块103经输入端与交流配电网相连接，所述双向AC/DC 模块103输出端与所述的直流母线102连接；所述光伏换流模块104输入端与光伏板组件连接，所述光伏换流模块104输出端与所述直流母线102连接；所述储能换流模块105输入端与所述直流母线102连接，所述储能换流模块105 输出端与储能电池相连接；所述直流输出模块106输入端与所述直流母线102 连接，所述直流输出模块106输出端连接至直流负载；所述交流输出模块107 输入端与所述的直流母线102连接，所述交流输出模块107输出端连接至交流负载。

本实用新型实施例中，光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块至少为一个。

EMS控制单元对所述的双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块进行数据交互及综合控制；EMS控制单元与BMS 模块交互储能电池的电池电压、充放电限制电流、SOC(电池剩余电量)等信息。

本实用新型实施例中，EMS控制单元预设负荷类型并对负荷进行优先级配置，具体为，所述负荷类型包括A类敏感性负荷、B类协调性负荷和C类一般性负荷；EMS控制单元根据设定的负载优先级、负载功率及无交流配网供电时需求运行时间综合计算安全值。其中，A类敏感性负荷，需求在无交流配网供电情况下连续运行若干小时；B类协调性负荷，需求在无交流配网供电情况下根据光伏换流模块输出功率及储能容量情况决定是否对其供电；C类一般性负荷，在无交流配网供电情况下不对其进行供电。

EMS控制单元根据设定的负载优先级、负载功率及无交流配网供电时需求运行时间综合计算安全SOCsafe值。其中，安全SOCsafe值计算公式如下：

SOCsafe＝((PA1*(t1-tx)+PA2*(t2-tx)+···+PAn*(tn-tx))*k/Ebattery) *100％；

其中，式中PA1，PA2，....，PAn为多个敏感性负荷的额定功率；

t1，t2，....，tn为多个敏感性负荷在无交流供电情况下的连续供电时间；

tx为多个敏感性负荷在无交流供电情况下的已运行时间；

k为能量转换系数，综合考虑储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块的转换效率，可设定范围为1.1～1.5；

Ebattery表示储能电池总容量。

安全SOCsafe值在并网运行方式下，计算公式中的tx固定为0。经计算后安全SOCsafe值为固定值。

安全SOCsafe值在离网运行方式下，计算公式中的tx为在离网运行方式下已运行时间。经计算后安全SOCsafe值为实时变动值。

本实用新型实施例中，EMS控制单元的工作方式分为并网运行方式和离网运行方式；其中并网运行方式分为能量剩余模式和能量吸收模式：

能量剩余模式是光伏换流模块工作于MPPT方式，所输出功率PDG大于负载总功率PLOAD，多余能量优先供给储能换流模块对储能电池进行充电，若仍有剩余则通过双向AC/DC模块将多余能量逆变输出至交流配电网；

能量吸收模式是光伏换流模块工作于MPPT方式，所输出功率PDG小于负载总功率PL，通过双向AC/DC模块从交流配网中吸收电能提供功率缺口。同时根据储能电池容量及实时电价综合判定是否为储能换流模块提供能量对储能电池进行充电。

所述离网运行方式分为正常运行模式和节能运行模式：离网运行方式下不对C类一般性负荷供电。

正常运行模式是光伏换流模块工作于MPPT方式，所输出功率PDG大于A 类敏感性负荷额定功率PLOAD_A和B类协调性负荷额定功率PLOAD_B之和，多余能量优先供给储能换流模块对储能电池进行充电；

能量吸收模式是光伏换流模块工作于MPPT方式，所输出功率PDG小于A 类敏感性负荷额定功率PLOAD_A和B类协调性负荷额定功率PLOAD_B之和，储能电池容量判断是否为B类协调性负荷供电。

本实用新型提出的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器可将分布式光伏电源、储能装置、交流配电网、负荷接入统一的能源局域网中，通过直流母线作为连接，形成能源局域网的源、网、荷、储协调运行模式。

本实用新型实施例中，直流母线额定工作电压为直流750V，双向AC/DC 模块经输入端口与交流配电网相连接，输入端电压为交流380V，采用三相三线或三相四线制输入，输出端电压为直流750V，与直流母线连接；双向AC/DC 模块具备将交流配电网输入的交流电转换为直流电并输送至直流母线的功能，同时也具备将直流母线上的直流电转换为交流电并输送至交流配电网的功能。

光伏换流模块输入端与光伏板组件连接，具备MPPT(最大功率点跟踪)功能；光伏换流模块将光伏板发出的直流电通过DC/DC变换为直流750V后输送至直流母线。

储能换流模块输入端与所述的直流母线连接，输出端口与储能电池相连接。储能换流模块工作分为充电模式及放电模式，工作在充电模式时，储能换流模块将直流母线上的电能通过DC/DC转换后输送至储能电池；工作在放电模式时，储能换流模块将储能电池中的电能通过DC/DC转换后输送至直流母线。

直流输出模块输入端与直流母线连接，将直流母线上的直流电压通过 DC/DC转换为直流负载所需要的额定电压后供直流负载使用。

交流输出模块输入端与直流母线连接，将直流母线上的直流电压通过 DC/AC转换为交流负载所需要的额定电压后供交流负载使用。

EMS控制单元对双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块通过信息总线进行数据交互及综合控制；EMS控制单元与BMS模块通过信息总线交互储能电池的电池电压、充放电限制电流、SOC(电池剩余电量)等信息；EMS控制单元可以通过以太网、4G等方式以标准IEC61850 规约与调度中心通讯。

参见图2，能源路由器的运行方式包括并网运行方式和离网运行方式，并网运行方式，是指在交流配电网正常时，能源路由器与交流配电网连接，根据光伏板发电量、储能容量、负荷功率等综合考虑，从交流配电网吸收能量或输出能量。

离网运行方式，是指在交流配电网故障时，能源路由器与交流配电网断开连接，根据光伏板发电量、储能容量等综合考虑，根据负荷优先级为负荷进行能量供给。

并网运行方式和离网运行方式可根据交流配电网的状态进行自动切换。

参见图3，为本实用新型提出的所述并网运行方式下的控制流程图。在并网运行方式下，能源路由器与交流配电网正常连接，EMS控制单元根据电池剩余容量，光伏发电量、负荷功率、实时电价制定相应的控制方法。

根据光伏板输出功率大小，能源路由器在并网运行时包括能量剩余模式和能量吸收模式；其中能量剩余模式为光伏换流模块输出功率大于总负荷额定功率，通过储能换流模块对储能电池进行充电，其余通过双向AC/DC模块输送至电网；

当电池实际容量小于安全值时，若电能未满足储能换流模块达到额定充电功率，则启动双向AC/DC模块补充不足功率；

当电池容量大于安全值且小于满容量时，如果功率不能满足储能换流模块充电功率，不启动双向AC/DC模块。

在能量剩余模式下，光伏换流模块输出功率PDG大于总负荷额定功率 PLOAD_总，EMS控制单元根据储能电池容量进行下一步判断。

当电池实际容量SOCreal小于安全SOCsafe值；将多余的电能通过储能换流模块对储能电池进行充电，若功率仍有剩余则通过双向AC/DC模块输送至电网。

如果功率不能满足储能换流模块额定充电功率Pcharge则启动双向AC/DC 模块补充不足功率。

当电池容量大于安全SOCsafe值且小于满容量；将多余的电能通过储能换流模块对储能电池进行充电，若功率仍有剩余则通过双向AC/DC模块输送至电网。

如果功率不能满足储能换流模块充电功率，不启动双向AC/DC模块。

对于电池容量已满的情况下，将多余的电能通过双向AC/DC模块输送至电网。

在能量吸收模式下，光伏换流模块输出功率PDG小于总负荷额定功率PLOAD_总，此时启动双向AC/DC模块从交流配电网中获取电能以补充不足功率；此时双向AC/DC模块输出功率PAC/DC＝PLOAD_总-PDG。

此时电容容量如果小于安全SOCsafe值，则加大双向AC/DC模块输出功率，提供给储能换流模块为储能电池充电；此时双向AC/DC模块输出功率 PAC/DC＝PLOAD_总-PDG+Pcharge。

如果电容容量大于安全SOCsafe值且小于满容量，在电价为谷值时值时，双向AC/DC模块供能给储能换流模块为储能电池充电；如果在电价为峰值时，双向AC/DC模块不向储能换流模块输出功率。

参见图4，为本实用新型所述的离网运行方式下的控制流程图。在交流配电网发生断电等故障情况下，能源路由器自动切换为离网运行方式。该运行方式下，由光伏换流模块及储能电池为系统供电，EMS控制单元根据负载类别及功率、光伏发电功率、储能电池容量制定相应的控制方法。

在离网运行模式下，能源路由器不对C类一般性负荷供电，根据光伏板输出功率大小，能源路由器在离网运行时可分为正常运行模式和节能运行模式两种控制方式。

在正常运行模式下，光伏换流模块输出功率PDG大于A类敏感性负荷额定功率PLOAD_A和B类协调性负荷额定功率PLOAD_B之和，剩余能量通过储能换流模块对储能电池进行充电。

在节能运行模式下，光伏换流模块输出功率PDG小于A类敏感性负荷额定功率PLOAD_A和B类协调性负荷额定功率PLOAD_B之和，EMS控制单元根据储能电池容量进行下一步判断。

电池实际容量SOCreal大于安全SOCsafe值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A类敏感性负荷及B类协调性负荷供电；此时储能换流模块输出功率Pdischarge＝PLOAD_A+PLOAD_B-PDG。

电池实际容量SOCreal小于安全SOCsafe值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A类敏感性负荷供电，切除B类协调性负荷；此时储能换流模块输出功率Pdischarge＝PLOAD_A-PDG。

上述实施例为本实用新型的经典案例，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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 (9)

1.一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，包括：EMS控制单元、直流母线、双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块和交流输出模块；

所述EMS控制单元与所述双向AC/DC模块、光伏换流模块、储能换流模块、直流输出模块、交流输出模块和BMS模块连接；

所述双向AC/DC模块经输入端与交流配电网相连接，所述双向AC/DC模块输出端与所述的直流母线连接；所述光伏换流模块输入端与光伏板组件连接，所述光伏换流模块输出端与所述直流母线连接；所述储能换流模块输入端与所述直流母线连接，所述储能换流模块输出端与储能电池相连接；所述直流输出模块输入端与所述直流母线连接，所述直流输出模块输出端连接至直流负载；所述交流输出模块输入端与所述的直流母线连接，所述交流输出模块输出端连接至交流负载。

2.根据权利要求1所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述EMS控制单元预设负荷类型并对负荷进行优先级配置，所述负荷类型包括A类敏感性负荷、B类协调性负荷和C类一般性负荷；EMS控制单元根据设定的负载优先级、负载功率及无交流配网供电时需求运行时间综合计算安全值；其中，

A类敏感性负荷，需求在无交流配网供电情况下连续运行若干小时；

B类协调性负荷，需求在无交流配网供电情况下根据光伏换流模块输出功率及储能容量情况决定是否对其供电；

C类一般性负荷，在无交流配网供电情况下不对其进行供电。

3.根据权利要求1所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述EMS控制单元的运行方式包括并网运行方式和离网运行方式，其中并网运行方式和离网运行方式根据交流配电网的正常与故障状态进行自动切换。

4.根据权利要求3所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述并网运行方式分为能量剩余模式和能量吸收模式；

其中能量剩余模式为光伏换流模块输出功率大于总负荷额定功率，通过储能换流模块对储能电池进行充电，其余通过双向AC/DC模块输送至电网；

当电池实际容量小于安全值时，若电能未满足储能换流模块达到额定充电功率，则启动双向AC/DC模块补充不足功率；

当电池容量大于安全值且小于满容量时，如果功率不能满足储能换流模块充电功率，不启动双向AC/DC模块。

5.根据权利要求4所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述能量吸收模式为：光伏换流模块输出功率小于总负荷额定功率，则启动双向AC/DC模块从交流配电网中获取电能以补充不足功率。

6.根据权利要求5所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述能量吸收模式还包括：如果电池容量大于安全值且小于满容量，在电价为谷值时值时，双向AC/DC模块通过则储能换流模块为储能电池充电；如果在电价为峰值时，双向AC/DC模块不向储能换流模块输出功率。

7.根据权利要求5所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述EMS控制单元在离网运行时分为正常运行模式和节能运行模式两种控制方式。

8.根据权利要求7所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述正常运行模式为：光伏换流模块输出功率大于A类敏感性负荷额定功率和B类协调性负荷额定功率之和，剩余能量通过储能换流模块对储能电池进行充电。

9.根据权利要求7所述的一种具备负荷优先级控制的低压能源路由器，其特征在于，所述节能运行模式为：光伏换流模块输出功率小于A类敏感性负荷额定功率和B类协调性负荷额定功率之和，当电池实际容量大于安全值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A类敏感性负荷及B类协调性负荷供电；

当电池实际容量小于安全值时，储能电池处于放电状态，通过储能换流模块为A类敏感性负荷供电，切除B类协调性负荷。

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