專利名稱：具備多種供電方式的電能路由器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具備多種供電方式的電能路由器，屬于智能電網(wǎng)及智能家居中的分布式電源利用及智能用電管理領域。
背景技術：
在能源需求受到日益關注的今天，大量的分布式能源(DG)可起到節(jié)能減排、緩解用電高峰的作用，具有廣泛的應用前景。但是目前分布式能源(特別是各種分散的、小容量DG)還不能得到充分合理利用，更不能適應大量DG與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行的要求，其主要原因在于，現(xiàn)有的配套設備具有明顯的局限性，缺乏符合IEEE1547和IEC61850標準的智能化電氣連接裝置，尤其是適合普通用戶的低壓電能接入裝置。這里所說的“電氣連接裝置”，其功能并不只是實現(xiàn)單純的物理連接，而是能夠?qū)Ω鞣N電氣連接(包括電源與負載連接、電力設備與微網(wǎng)或配電網(wǎng)的連接、以及各微網(wǎng)之間的連接等)進行有效的監(jiān)控和管理。而現(xiàn)有的配套電力設備無法保證大量就地接入的分布式能源得到統(tǒng)一有效的監(jiān)控和管理。此外，由于現(xiàn)有條件下的分布式電源與負載的智能化程度較低，通信與控制功能相對薄弱，相互之間缺乏“信息交互”也導致分布式能源得不到充分利用。分布式能源的多樣性導致了分布式發(fā)電技術的千差萬別，而現(xiàn)有技術無法保證分布式能源在微網(wǎng)和配電網(wǎng)中實現(xiàn)“無縫連接”和“即插即用”，電網(wǎng)管理系統(tǒng)也很難實施全局監(jiān)控。因此，有必要研制一種能夠集成并充分利用各種分布式能源、而且適合普通用戶使用的智能化低壓電能接入裝置，以適應智能配電網(wǎng)和智能家居對于分布式能源接入以及智能用電管理的要求。發(fā)明人的之前申請的專利CN201210261558.6公開的電氣連接裝置(稱之為電能路由器)，提出了一種通過開 關陣列進行電路連接及切換的方案，用于實現(xiàn)分布式能源的充分利用以及電源與負載的匹配運行。該方案中，開關陣列中的開關數(shù)量較多，因此電能路由器的結構較復雜，而且不適合大功率的“電能路由”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種結構簡單，不僅適用于小型用戶的電能管理，還可作為社區(qū)、樓宇級別的微網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的電氣連接裝置。本發(fā)明能夠集成并充分利用各種分布式能源、而且適合普通用戶使用的智能化低壓電能接入裝置，根據(jù)電源的供電狀況、負載的用電特性和用電需求，對各種電源和負載實施高效、智能的管理，以實現(xiàn)節(jié)能減排、緩解用電高峰的目標。本發(fā)明是通過以下技術方案加以實現(xiàn)的:—種具備多種供電方式的電能路由器，包括控制單元、通信模塊、雙向交流/直流逆變器、開關陣列、一條直流母線、兩條交流母線、母線檢測模塊和路由器端口，其中，所述的路由器端口包括多個電源端口和多個負載端口，每一個端口具有唯一的端口號，所述的電源端口包括直流端口和交流端口，交流端口包括市電專用端口和用于連接除市電以外的交流電源的普通交流端口；所述的開關陣列包括一個單向并網(wǎng)開關和若干雙向開關，均由控制單元控制；所述的路由器端口中的直流電源端口連接到直流母線，直流母線通過雙向交流/直流逆變器與第二交流母線連接；交流電源端口和負載端口通過開關陣列與兩條交流母線連接，具體連接方式為，市電專用接口連接到第一交流母線，普通交流電源端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線或第二交流母線，負載端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線或第二交流母線，第二交流母線可通過開關陣列中的單向并網(wǎng)開關連接到第一交流母線；通過開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個負載端口與兩條交流母線中的任意一條相連，通過開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個普通交流電源端口與兩條交流母線中的任意一條相連；所述的路由器端口包括電流檢測單元、電壓檢測單元和電能信息處理單元，電流檢測單元與該端口串聯(lián)，電壓檢測單元與該端口并聯(lián)，電流檢測單元和電壓檢測單元的輸出端與電能信息電能信息處理單元的輸入端連接，電能信息處理單元的輸出端連接到控制單元；所述的電流檢測單元用于檢測與其相連的電源端口或負載端口的電流，電壓檢測單元用于檢測與其相連的電源端口 或負載端口的電壓，兩個單元的檢測信號被送入電能信息處理單元，電源端口的電能信息處理單元根據(jù)輸入的檢測信號計算出與其相連的電源的電能質(zhì)量和供電量信息，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸入的電能，并將上述信息實時傳輸給控制單元，負載端口的電能信息處理單元根據(jù)電壓檢測單元和電流檢測單元輸入的信號計算出與其相連的負載的用電特性和耗電量，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸出的電能，并將上述信息傳輸給控制單元；所述的交流電源端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的市電和除市電以外的交流電源，所述的負載端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的負載；所述的母線檢測模塊，用于實時檢測直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率和相位，并將上述信息實時傳輸給交流/直流逆變器和控制單元；所述的控制單元分別與雙向交流/直流逆變器、開關陣列、路由器端口、母線檢測模塊和通信模塊連接，控制單元的工作方式為:1)通過通信模塊與連接到電能路由器的電源和負載、其他電能路由器以及微網(wǎng)或配電網(wǎng)的管理系統(tǒng)通信；2)根據(jù)各個電源提供的供電信息和負載提供的工作特性與用電需求，或根據(jù)路由器端口中的信號檢測與電能計量模塊所檢測到的電源供電狀況和負載用電特性，來進行電源的供電能力與負載的工作特性與用電需求的匹配；3)通過控制開關陣列中單向并網(wǎng)開關的切換可實現(xiàn)第二交流母線與第一交流母線的連接；4)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個負載端口與兩條交流母線中的任意一條相連；5)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個普通交流電源端口與兩條交流母線中的任意一條相連；6)在電源通過電能路由器向負載供電的過程中對電源的總供電量和負載的總用電量進行計量；7)根據(jù)母線檢測模塊檢測得到的直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率及相位，控制雙向交流/直流逆變器工作。作為優(yōu)選實施方式，連接到所述的具備多種供電方式的電能路由器的除市電以外的電源可具有三種運行狀態(tài):并網(wǎng)運行、孤島運行和并行運行:1)當連接到電能路由器的所有負載均通過直流母線和第二交流母線供電，且除市電以外的電源的供電能力仍有余時，第二交流母線可通過單向并網(wǎng)開關與第一交流母線接通，以實現(xiàn)并網(wǎng)供電；2)當市電斷開時，所有負載接入直流母線或通過開關矩陣中的雙向開關連接到第二交流母線，此時連接到電能路由器的所有負載均通過連接到電能路由器的除市電以外的電源及儲能元件實現(xiàn)供電，即為孤島運行；3)當市電接入且單向并網(wǎng)開關斷開時，第二交流母線與第一交流母線不連接，但兩條交流母線均可通過開關陣列中的雙向開關向負載供電，此時除市電以外的電源及儲能元件與市電同時通過電能路由器向不同的負載供電，即為并行運行。上述過程中，開關陣列中各開關的連接、斷開及切換均由控制單元控制。本發(fā)明提出的具備多種供電方式的電能路由器，用于實現(xiàn)適合普通用戶的智能化電能管理。其優(yōu)點在于:1)可實現(xiàn)分布式能源的充分合理利用，緩解市電的用電高峰；2)具備交、直流兩種供電方式，適合不同類型的分布式能源和儲能裝置接入。


附圖1是具備多種供電方式的電能路由器的硬件結構；附圖2是電能路由器端口的硬件結構；附圖3是具備多種供電方式的電能路由器的典型應用方案；附圖4是表示具備多種供電方式的電能路由器的三種運行狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
具體實施例方式下面結合附圖作詳細說明本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明提供了一種具備多種供電方式的電能路由器，可實現(xiàn)分布式電源與負載優(yōu)化匹配運行，以及分布式電源的并網(wǎng)管理。參見圖1，本發(fā)明提出的具備多`種供電方式的電能路由器包括控制單元、通信模塊、雙向交流/直流逆變器、開關陣列、一條直流母線、兩條交流母線、母線檢測模塊和路由器端口。路由器端口包括若干電源端口和負載端口，每個端口具有唯一的端口號。電源端口用于連接市電(微網(wǎng)或配電網(wǎng))、以及將各種分布式能源和儲能裝置連接到電能路由器，負載端口用于將各種負載連接到電能路由器。在電能路由器內(nèi)部，路由器端口分別與第一交流母線、第二交流母線、直流母線、開關陣列和控制單元連接；雙向交流/直流逆變器分別與直流母線、第二交流母線、母線檢測模塊和控制單元連接，用于在第二交流母線和直流母線之間實現(xiàn)交一直流電能轉(zhuǎn)換；開關陣列分別與路由器端口、第一交流母線、第二交流母線和控制單元連接，開關陣列包括一個單向并網(wǎng)開關和若干雙向開關，均由控制單元控制，單向并網(wǎng)開關可使兩條交流母線連接，以實現(xiàn)并網(wǎng)供電，雙向開關可在兩條交流母線之間切換，以實現(xiàn)不同交流母線向負載的供電，以及普通交流電源向不同交流母線的供電；母線檢測模塊分別與直流母線、第二交流母線、雙向交流/直流逆變器和控制單元連接，用于實時檢測直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率和相位，并將上述信息實時傳輸給交流/直流逆變器和控制單元；控制單元分別與通信模塊、母線檢測模塊、雙向交流/直流逆變器、開關陣列和路由器端口連接。參見圖2，路由器端口包括電流檢測單元、電壓檢測單元和電能信息處理單元，電能信息處理單元的主要部件為功率測量電路(注，包含了芯片及其外圍電路)。電流檢測單元與該端口串聯(lián)，電壓檢測單元與該端口并聯(lián)，電流檢測單元和電壓檢測單元的輸出端與電能信息電能信息處理單元的輸入端連接，電能信息處理單元的輸出端連接到控制單元；每個端口的電流檢測單元用于檢測與其相連的電源端口或負載端口的電流，電壓檢測單元用于檢測與其相連的電源端口或負載端口的電壓，兩個單元的檢測信號被送入電能信息處理單元，電源端口的電能信息處理單元根據(jù)輸入的檢測信號計算出與其相連的電源的電能質(zhì)量和供電量信息，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸入的電能，并將上述信息實時傳輸給控制單元，負載端口的電能信息處理單元根據(jù)電壓檢測單元和電流檢測單元輸入的信號計算出與其相連的負載的用電特性和耗電量，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸出的電能，并將上述信息傳輸給控制單元；參見圖3，路由器端口的電源端口包括若干交流電源端口和直流電源端口，交流電源端口包括市電專用端口和普通端口，市電專用端口用于連接市電(配電網(wǎng)或微網(wǎng))，普通電源端口用于連接除市電以外的交流電源，直流電源端口用于連接各種直流電源和儲能裝置。交流電源端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的市電和除市電以外的交流電源。負載端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的負載。開關陣列包括一個單相并網(wǎng)開關和若干雙向開關，均由控制單元控制，交流/直流逆變器是連接直流母線和第二交流母線的電力電子裝置，用于實現(xiàn)兩條母線之間的交流一直流電能轉(zhuǎn)換。控制單元分別與雙向交流/直流逆變器、開關陣列、路由器端口、檢測模塊和通信模塊連接，用于對上述模塊的工作、以及電能路由器軟硬件系統(tǒng)的整體運行實施監(jiān)控。路由器端口、開關陣列、雙向交流/直流逆變器、直流母線和兩條交流母線之間的具體連接方式為，直流電源端口連接到直流母線，直流母線通過雙向交流/直流逆變器與第二交流母線連接；市電專用端口連接到第一交流母線，普通交流電源端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線，以實現(xiàn)并網(wǎng)供電，也可通過開關陣列中的雙向開關連接到第二交流母線，用于向連接到第二交流母線的負載供電；第二交流母線可通過開關陣列中的單相并網(wǎng)開關連接到第一交流母線，用于并網(wǎng)供電；負載端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線，由市電向負載供電，也可通過雙向開關連接到第二交流母線，由除市電以外的電源(分布式電源或儲能元件)向負載供電；開關陣列中的雙向開關可使用單刀雙擲繼電器或電力電子開關等器件，單相并網(wǎng)開關可使用智能斷路器或固態(tài)繼電器等器件，這些器件的工作狀態(tài)(接通或斷開、從常開端切換到常閉端)均由控制單元來控制。母線檢測模塊分別與直流母線、第二交流母線、雙向交流/直流逆變器和控制單元連接，用于實時檢測直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率和相位，并將上述信息實時傳輸給交流/直流逆變器和控制單元，這些信息用于監(jiān)控直流母線和第二交流母線的運行狀態(tài)，以及控制雙向交流/直流逆變器工作?？刂茊卧墓δ転?1)通過通信模塊與連接到電能路由器的電源和負載、其他電能路由器以及微網(wǎng)或配電網(wǎng)的管理系統(tǒng)通信；2)根據(jù)各個電源提供的供電信息和負載提供的工作特性與用電需求，或根據(jù)路由器端口中的信號檢測與電能計量模塊所檢測到的電源供電狀況和負載用電特性，來進行電源的供電能力與負載的工作特性與用電需求的匹配；3)通過控制開關陣列中單向并網(wǎng)開關的切換可實現(xiàn)第二交流母線與第一交流母線的連接，以實現(xiàn)并網(wǎng)輸出；4)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個負載端口與兩條交流母線中的任意一條 相連，以實現(xiàn)其中一條母線(市電或出市電以外的電源)向負載供電；5)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個普通交流電源端口與兩條交流母線中的任意一條相連，以實現(xiàn)除市電以外的交流電源向第二交流母線供電，或并網(wǎng)輸出；6)在電源通過電能路由器向負載供電的過程中對電源的總供電量和負載的總用電量進行計量，以實現(xiàn)電能生產(chǎn)、消耗統(tǒng)計以及電能計費；7)根據(jù)檢測單元檢測得到的直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率及相位，控制雙向交流/直流逆變器工作。參見圖4，連接到本發(fā)明提出的具備多種供電方式的電能路由器的除市電以外的電源可具有三種運行狀態(tài):并網(wǎng)運行、孤島運行和并行運行。上述三種運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，開關陣列中各開關的連接、斷開及切換均由控制單元控制。I)并網(wǎng)運行狀態(tài)當連接到電能路由器的所有負載均通過直流母線和第二交流母線供電，且除市電以外的電源的供電能力仍有余時，第二交流母線可通過單向并網(wǎng)開關與第一交流母線接通，以實現(xiàn)并網(wǎng)供電。2)孤島運行狀態(tài)當市電斷開時，所有負載接入直流母線或通過開關矩陣中的雙向開關連接到第二交流母線，此時連接到電能路由器的所有負載均由連接到電能路由器的除市電以外的電源及儲能元件供電。3)并行運行狀態(tài)市電接入且單向并網(wǎng)開關斷開時，第二交流母線與第一交流母線不連接，但兩條交流母線均可通過開關陣列中的雙向開關向負載供電，此時除市電以外的電源及儲能元件與市電同時通過電能路由器向不同的負載供電。控制單元 對市電和除市電以外的電源的供電、各種儲能元件的工作以及各種負載用電的管理方式為:I)優(yōu)先使用分布式可再生能源。根據(jù)除市電以外的電源的供電信息和負載提供的工作特性與用電需求，來進行電源的供電能力與負載的工作特性與用電需求的匹配。2)當除市電以外的電源的供電能力不足時，可由儲能元件作為輔助電源向負載供電；當連接到電能路由器的除市電以外的電源及儲能元件供電能力不足或不能與某些負載的用電相匹配時，部分負載需要通過開關陣列連接到第一交流母線，即通過市電供電。這種情況下，除市電以外的電源及儲能元件與市電同時通過電能路由器向不同的負載供電，即處于并行運行狀態(tài)。3)當處于市電用電高峰時，由儲能元件作為輔助電源向負載供電；當除市電以外的電源供電能力過剩時，可通過直流母線向儲能元件充電。
權利要求
1.一種具備多種供電方式的電能路由器，包括控制單元、通信模塊、雙向交流/直流逆變器、開關陣列、一條直流母線、兩條交流母線、母線檢測模塊和路由器端口，其中， 所述的路由器端口包括多個電源端口和多個負載端口，每一個端口具有唯一的端口號，所述的電源端口包括直流端口和交流端口，交流端口包括市電專用端口和用于連接除市電以外的交流電源的普通交流端口； 所述的開關陣列包括一個單向并網(wǎng)開關和若干雙向開關，均由控制單元控制； 所述的路由器端口中的直流電源端口連接到直流母線，直流母線通過雙向交流/直流逆變器與第二交流母線連接；交流電源端口和負載端口通過開關陣列與兩條交流母線連接，具體連接方式為，市電專用接口連接到第一交流母線，普通交流電源端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線或第二交流母線，負載端口可通過開關陣列中的雙向開關連接到第一交流母線或第二交流母線，第二交流母線可通過開關陣列中的單向并網(wǎng)開關連接到第一交流母線；通過開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個負載端口與兩條交流母線中的任意一條相連，通過開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個普通交流電源端口與兩條交流母線中的任意一條相連； 所述的路由器端口包括電流檢測單元、電壓檢測單元和電能信息處理單元，電流檢測單元與該端口串聯(lián)，電壓檢測單元與該端口并聯(lián)，電流檢測單元和電壓檢測單元的輸出端與電能信息電能信息處理單元的輸入端連接，電能信息處理單元的輸出端連接到控制單元; 所述的電流檢測單元用于檢測與其相連的電源端口或負載端口的電流，電壓檢測單元用于檢測與其相連的電源端口或負載端口的電壓，兩個單元的檢測信號被送入電能信息處理單元，電源端口的電能信息處理單元根據(jù)輸入的檢測信號計算出與其相連的電源的電能質(zhì)量和供電量信息，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸入的電能，并將上述信息實時傳輸給控制單元，負載端口的電能信息處理單元根據(jù)電壓檢測單元和電流檢測單元輸入的信號計算出與其相連的負載的用電特性和耗電量，以及該端口在單位時間內(nèi)所輸出的電能，并將上述信息傳輸給控制單元； 所述的交流電源端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的市電和除市電以外的交流電源，所述的負載端口可以是單相或三相的，用于連接單相或三相的負載； 所述的母線檢測模塊，用于實時檢測直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率和相位，并將上述信息實時傳輸給交流/直流逆變器和控制單元； 所述的控制單元分別與雙向交流/直流逆變器、開關陣列、路由器端口、母線檢測模塊和通信模塊連接，控制單元的工作方式為:1)通過通信模塊與連接到電能路由器的電源和負載、其他電能路由器以及微網(wǎng)或配電網(wǎng)的管理系統(tǒng)通信；2)根據(jù)各個電源提供的供電信息和負載提供的工作特性與用電需求，或根據(jù)路由器端口中的信號檢測與電能計量模塊所檢測到的電源供電狀況和負載用電特性，來進行電源的供電能力與負載的工作特性與用電需求的匹配；3)通過控制開關陣列中單向并網(wǎng)開關的切換可實現(xiàn)第二交流母線與第一交流母線的連接；4)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個負載端口與兩條交流母線中的任意一條相連；5)通過控制開關陣列中雙向開關的切換可實現(xiàn)各個普通交流電源端口與兩條交流母線中的任意一條相連；6)在電源通過電能路由器向負載供電的過程中對電源的總供電量和 負載的總用電量進行計量；7)根據(jù)母線檢測模塊檢測得到的直流母線的電壓和電流、第二交流母線的電壓、電流、頻率及相位，控制雙向交流/直流逆變器工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的電能路由器，其特征在于，連接到所述的具備多種供電方式的電能路由器的除市電以外的電源可具有三種運行狀態(tài):并網(wǎng)運行、孤島運行和并行運行:I)當連接到電能路由器的所有負載均通過直流母線和第二交流母線供電，且除市電以外的電源的供電能力仍有余時，第二交流母線可通過單向并網(wǎng)開關與第一交流母線接通，以實現(xiàn)并網(wǎng)供電；2)當市電斷開時，所有負載接入直流母線或通過開關矩陣中的雙向開關連接到第二交流母線，此時連接到電能路由器的所有負載均通過連接到電能路由器的除市電以外的電源及儲能元件實現(xiàn)供電，即為孤島運行；3)當市電接入且單向并網(wǎng)開關斷開時，第二交流母線與第一交流母線不連接，但兩條交流母線均可通過開關陣列中的雙向開關向負載供電，此時除市電以外的電源及儲能元件與市電同時通過電能路由器向不同的負載供電，即為并行運行。上述過程中，開關陣`列中各開關的連接、斷開及切換均由控制單元控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)及智能家居中的分布式電源利用及智能用電管理領域，涉及一種具備多種供電方式的電能路由器，包括控制單元、通信模塊、雙向交流/直流逆變器、開關陣列、一條直流母線、兩條交流母線、母線檢測模塊和路由器端口，其中，所述的路由器端口包括多個電源端口和多個負載端口；開關陣列包括一個單向并網(wǎng)開關和若干雙向開關，均由控制單元控制；路由器端口中的直流電源端口連接到直流母線，直流母線通過雙向交流/直流逆變器與第二交流母線連接；交流電源端口和負載端口通過開關陣列與兩條交流母線連接。本發(fā)明能夠根據(jù)電源的供電狀況、負載的用電特性和用電需求，對各種電源和負載實施高效、智能的管理。
文檔編號H02J9/06GK103248068SQ20131015629
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權日2013年4月28日
發(fā)明者劉迎澍, 李志超, 安笑蕊 申請人:天津大學