CN102315645A - 用于分布式发电的能量路由器 - Google Patents

Abstract

一种用于分布式发电的能量路由器，包括多个可控开关、变流器(4)、储能单元(3)、工频交流母线(12)、能量管理***(13)和静态开关(14)。可控开关连接到工频交流母线(12)上；储能单元(3)接到变流器(4)的输入侧，变流器(4)的输出侧接到可控开关上；静态开关(14)的一端接到工频交流母线(12)上，静态开关(14)的另一端连接到公共电网(15)。能量管理***(13)通过以太网与可控开关、变流器(4)和静态开关(14)相连。能量管理***提供一种组网方案、稳定控制手段和负荷管理策略，使得多种不稳定电源接入该能量路由器之后，输出为稳定的可控的交流电能。

Description

用于分布式发电的能量路由器

技术领域

本发明涉及一种能量路由器，特别涉及一种对多种分布式发电电源进行协调和控制的能量路由器。

背景技术

由于传统集中供电模式的弊端日益凸现，分布式发电技术得到了迅猛的发展。分布式发电具有灵活、分散、小型、靠近用户和合理使用清洁能源的特点，能提高局部供电可靠性、减少输电损耗、提高一次能源的利用率以及减少废气排放，具有很好的应用前景。随着分布式发电技术水平的提高，各种分布式电源设备性能的不断改进和效率的不断提高，分布式发电的应用范围不断扩大，可以覆盖到包括办公楼、宾馆、饭店、学校、医院、福利院、体育场馆等多种场所。如何更好的利用分布式发电电源已经成为重要的研究课题。

文献“A single phase high frequency AC microgrid with an unified power quality conditioner”(Energy Conversion，IEEE Transactions on Volume：24，Issue：3)中提到的高频微网是含有一条运行于高频率的母线，所有分布式电源和储能设备接入高频母线，然后向负荷供电。高频微网由于运行在较高频率，能够使设备小型化，减少谐波影响。但是高频微网的成功应用必须依赖于对能源和高频母线的优化利用，这就需要使用电力质量调节器来实现这一功能，增加了网络的复杂程度。

在中国专利CN101436778A公开了一种微型电网组网方法，该方法是采用直流母线结构，各发电单元和负荷都接到直流母线上，并网时通过并网逆变器连接到配网。但是直流微网需要通过并网逆变器实现并网，微网的容量扩展灵活性受到并网逆变器的限制。

在中国专利CN2723723Y公开了一种风、光、柴互补***控制逆变一体机，该装置是一种将太阳能、风力发电机和柴油发电机结合起来的一个互补***，优先使用太阳能和风能等清洁能源，并能够控制蓄电池充放电。但该***是一个离网***，只能给本地负载供电，不能够并网运行。

发明内容

本发明的目的在于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，提出一种用于分布式发电的能量路由器。本发明可更充分、方便地利用分布式发电电源，将各分布式发电电源、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，而且还能够向公共电网输送电能。

本发明用于分布式发电的能量路由器，包括可控开关、变流器、工频交流母线、能量管理***和静态开关。可控开关直接接到工频交流母线上。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***通过以太网与可控开关、变流器和静态开关相连。

本发明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。对于分布式发电电源，无论是不稳定电源还是稳定电源，其输出均为统一制式的工频交流。不稳定电源和稳定电源直接接到能量路由器的工频交流母线上。储能单元通过功率变流器接到能量路由器的工频交流母线上，重要负荷和普通负荷直接接到能量路由器的工频交流母线上，能量路由器的工频交流母线通过静态开关连接到公共电网。各个分布式发电电源和储能单元能够由能量路由器的能量管理***进行统一调度和控制，从而能够保证分布式发电电源的高效、安全和稳定运行。

本发明涉及的不稳定电源可以是但不限于光伏发电单元、风力发电单元等可再生能源发电方式。

本发明涉及的稳定电源可以是但不限于燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机、柴油发电机等传统发电方式。

本发明涉及的外部储能单元可以是但不限于锂电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池、飞轮储能、超级电容器或燃料电池组成的蓄电池组。

本发明涉及的内部储能单元可以是但不限于锂电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池、飞轮储能、超级电容器或燃料电池组成的蓄电池组。

本发明涉及的功率变流器包括DC/AC变流器和DC/DC/AC变流器。

本发明涉及的静态开关可以是但不限于SCR、GTR、IGBT、IGCT、GTO、STS等。

本发明用于分布式发电的能量路由器，其创造性在于通过储能和能量管理***，有机地整合各种间歇性分布式发电电源，使能量路由器与公共电网处的潮流具有一定的可观测性和可控制性，与间歇式电源直接并网相比，能量路由器可以成为公共电网中的“友好”单元，有效解决了大量间歇式分布式发电电源接入电网的问题。具体地，在能量路由器并网运行时，实时监测各种分布式电源，尤其是间歇式电源的发电出力情况，以及负荷的运行状态，通过储能的充放电控制，使能量路由器与公共电网之间的公共连接点处的潮流在一定的时间内维持平滑；在能量路由器离网运行时，根据储能和能量管理***内发电、负荷、储能的状态，通过分布式电源发电控制、负荷控制和蓄电池充放电控制，实现微型电网***的优化运行。同时，通过能量路由器与公共电网的无缝连接和负荷管理，还可以为重要负荷提供高可靠性的供电。

此外，本发明的用于分布式发电的能量路由器还具有以下优点：

(1)可以整合各种不同的分布式发电形式，接入简单，可实现热插拔。

(2)能量路由器的并网运行简单，只需控制静态开关即可实现并网运行与孤岛运行的无缝切换。

(3)能量路由器的能量管理***能够对分布式发电电源、储能单元和负荷进行统一管理和控制。

用于分布式发电的能量路由器可以整合多种不同形式和性能的分布式发电电源，接入简单，可实现热插拔，既能够给本地负荷供电，也能够向公共电网输送能量，可广泛使用于如家庭、度假村、工业园区，以及学校、医院等公共事业场所。

附图说明

图1为由能量路由器、分布式发电电源、储能单元和负荷组成的微型电网***结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示是由能量路由器100、分布式发电电源、储能单元4、普通负荷5和重要负荷6组成的微型电网***结构示意图。其中所述的分布式电源包括不稳定电源1和稳定电源2。

如图1所示，用于分布式发电的能量路由器100包括可控开关7～11、变流器4、储能单元3、工频交流母线12、能量管理***13和静态开关14。

第一可控开关7的一端与不稳定电源1连接，第一可控开关7的另一端与工频交流母线12连接；第二可控开关8的一端与稳定电源2连接，第二可控开关8的另一端与工频交流母线12连接；第三可控开关9的一端与变流器4的输出侧连接，第三可控开关9的另一端与工频交流母线12连接；变流器4的输入侧与储能单元3连接；第四可控开关10的一端与普通负荷5连接，第四可控开关10的另一端与工频交流母线12连接；第五可控开关11的一端与重要负荷6连接，第五可控开关11的另一端与工频交流母线12连接；能量管理***13通过以太网与第一、第二、第三、第四、第五可控开关7～11、变流器4和静态开关14连接。静态开关14的一端与工频交流母线12连接，静态开关14的另一端与公共电网15连接。

不稳定电源1，如风力发电单元，通过第一可控开关7与能量路由器100的工频交流母线12相连，受能量管理***13的调度和控制，能量管理***13根据能量路由器100的运行状况，控制不稳定电源1的启停和运行状态，使其发电利用率尽可能高。

稳定电源2，如微型燃汽轮机、内燃机、柴油发电机，通过第二可控开关8与能量路由器100的工频交流母线12相连。能量管理***13根据分布式发电电源、储能单元3的运行状况，控制稳定电源2的启停。

储能单元3，如锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或燃料电池组成的蓄电池组，或者如双电层超级电容器或电化学超级电容器组成的超级电容器组，用于改善能量路由器100内的电能质量问题和维持工频交流母线12电压的稳定。能量管理***13控制储能单元3通过变流器4和第三可控开关9输出能量，用于保持能量路由器100的工频交流母线12电压的稳定。当连接到能量路由器100的不稳定电源发电较多，而能量路由器100又不能并网运行时，能量管理***13控制功率变流器4工作，使多余的电能储存在储能单元3中。

普通负荷5和重要负荷6分别通过第四可控开关10和第五可控开关11与能量路由器100的工频交流母线12相连。

当能量路由器100离网运行时，所述的稳定电源2或储能单元3工作在电压源模式，提供能量路由器100的电压频率参考，能量管理***13实时检测并控制各单元输出，以维持能量路由器100输出的电压/频率稳定；当能量路由器100需要并网运行时，能量管理***13检测能量路由器100的工频交流母线12电压和电网15电压的幅值和频率，当达到并网条件时，控制静态开关14导通，使能量路由器100向公共电网15输送能量。此时稳定电源2或储能单元3工作在电流源模式下，公共电网15提供能量路由器100内的电压频率参考。

当能量路由器100并网运行时，若公共电网15发生故障，能量管理***13控制静态开关14关断，能量路由器100离网运行，优先保证对重要负荷6供电；当公共电网15恢复正常时，能量管理***13调节能量路由器100的电压和频率至设定值，然后控制静态开关14闭合，确保并网过程的平滑。

Claims (6)

1.一种用于分布式发电的能量路由器，其特征在于：所述的能量路由器(100)包括多个可控开关、变流器(4)、储能单元(3)、工频交流母线(12)、能量管理***(13)和静态开关(14)；可控开关连接到工频交流母线(12)上；储能单元(3)接到变流器的输入侧，变流器的输出侧接到可控开关上；静态开关(14)的一端接到工频交流母线(12)上，静态开关(14)的另一端连接到公共电网(15)；能量管理***(13)通过以太网与可控开关、变流器(4)和静态开关(14)相连。

2.根据权利要求1所述的用于分布式发电的能量路由器，其特征在于：所述的可控开关包括第一可控开关(7)、第二可控开关(8)、第三可控开关(9)、第四可控开关(10)和第五可控开关(11)；第一可控开关(7)的一端与不稳定电源(1)连接，第一可控开关(7)的另一端与工频交流母线(12)连接；第二可控开关(8)的一端与稳定电源(2)连接，第二可控开关(8)的另一端与工频交流母线(12)连接；第三可控开关(9)的一端与变流器(4)的输出侧连接，第三可控开关(9)的另一端与工频交流母线(12)连接；变流器(4)的输入侧与储能单元(3)连接；第四可控开关(10)的一端与普通负荷(5)连接，第四可控开关(10)的另一端与工频交流母线(12)连接；第五可控开关(11)的一端与重要负荷(6)连接，第五可控开关(11)的另一端与工频交流母线(12)连接；能量管理***(13)通过以太网与第一可控开关(7)、第二可控开关(8)、第三可控开关(9)、第四可控开关(10)和第五可控开关(11)、变流器(4)和静态开关(14)连接；静态开关(14)的一端与工频交流母线(12)连接，静态开关(14)的另一端与公共电网(15)连接。

3.根据权利要求1所述的用于分布式发电的能量路由器，其特征在于：所述的能量路由器(100)中，不稳定电源(1)和稳定电源(2)分别通过第一可控开关(7)和第二可控开关(8)连接到所述的工频交流母线(12)上；储能单元(3)通过变流器(4)和第三可控开关(9)接到工频交流母线(12)上；重要负荷(6)和普通负荷(5)分别通过第五可控开关(11)和第四可控开关(10)接到工频交流母线(12)上；工频交流母线(12)通过静态开关(14)连接到公共电网(15)。

4.根据权利要求1或2所述的用于分布式发电的能量路由器(100)，其特征在于：所述的能量路由器(100)检测不稳定电源(1)、稳定电源(2)、公共电网(15)、普通负荷(5)和重要负荷(6)的状态，控制并协调各发电电源间的功率分配，控制能量路由器(100)的输出电压水平和稳定频率。

5.根据权利要求1或2所述的用于分布式发电的能量路由器(100)，其特征在于：当能量路由器(100)离网运行时，所述的稳定电源(2)或储能单元(3)提供能量路由器(100)的电压频率参考，能量管理***(13)实时检测并控制各单元输出，以维持能量路由器(100)输出的电压/频率稳定；当能量路由器(100)并网运行时，公共电网(15)提供能量路由器(100)内的电压频率参考，能量管理***(13)实时检测并调节不稳定电源(1)、稳定电源(2)、公共电网(15)、负荷(5)和负荷(6)的状态，使能量路由器(100)与公共电网(15)之间潮流达到设定的状态。

6.根据权利要求1或2所述的用于分布式发电的能量路由器(100)，其特征在于：当能量路由器(100)并网运行时，若公共电网(15)发生故障，能量管理***(13)控制静态开关(14)关断，能量路由器(100)离网运行，优先保证对重要负荷(6)供电；当公共电网(15)恢复正常时，能量管理***(13)调节能量路由器(100)的电压和频率至设定值，然后控制静态开关(14)闭合，确保并网过程的平滑。

Images