CN106374533B - 一种微型能源网络*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型能源网络***，包括能量管理单元以及若干能够实现AC/DC、DC/DC、DC/AC及AC/AC形式能量单向或双向变换和流动的变换单元，每个变换单元一侧连接发电单元、储能、电动汽车或负载，另一侧通过计量单元和可控开关与直流母线或交流母线相连；直流母线通过双向DC/AC变换单元和可控开关与交流母线相连；交流母线通过计量单元和可控开关与变压器相连，变压器的输入端连接电网。本发明采用基于交流母线和直流母线的混合式能源网络，并结合能源计量和开关控制，能有效解决基于电动汽车充电的多种能源接入的能源网络的需求，有效解决多台交流电源并网导致的电能质量问题，同时提高能源利用效率，利用能源调度进行局部削峰填谷，实现电网能源的微调度。

Description

一种微型能源网络***
【技术领域】
本发明属于电动汽车充电和智能电网技术领域，具体涉及一种微型能源网络***。
【背景技术】
现有的电动汽车通过充电设备接入380Vac或者220Vac电网获取电能，当多台设备接入电网后，形成离散式负载接入电网中，电动汽车无序充电导致对电网产生污染和电能利用效率的降低。而且，随着电动汽车充电和能源互联网技术的不断发展，传统的多台交流负载直接并联电网的方式对电动汽车放电已不再适用，加上分布式发电和储能技术在用户侧的应用接入，给传统的能源网络结构提出新的需求，对电网电能质量产生更大的负面影响，以及能源如何更高效利用。
申请号为201110268090.9的中国专利申请公开了一种用于分布式发电的能量路由器，该方案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，提出一种对多种分布式发电电源进行协调和控制的能量路由器，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。但是该方案是基于交流母线的能源网络设备，没有针对不同能源进行单独计量和管控，而且由于交流母线上有多台发电设备并联，缺乏对电能质量问题有效控制以及能源最佳利用，没有利用直流母线提高能源利用效率，没有针对电动汽车进行能量的有效利用。
公开号为CN101436778A的中国专利申请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。但是该方法只是基于直流母线的能源网络，没有针对不同能源进行单独计量和管控，没有交流母线，没有针对电动汽车进行能量的有效利用。
以上两个最相关文件分别突出了基于交流母线和直流母线的能源网络相关的描述，任何一种方式都存在局限性和问题。单一的交流母线能源网络或直流母线能源网络都不能满足现有需求，针对电动汽车充电、放电，分布式发电，储能***等组成的一个微型能源最佳利用和互动方案，而且没有精确化计量和能量管控。
综上所述，现有技术存在以下问题：
(1)单一的基于交流母线或者直流母线的能源网络不能将能源最大化利用；
(2)电动汽车充电、放电，分布式发电，储能***等能源没有高效利用和互动；
(3)没有针对不同能源进行单独计量和管控。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于直流母线和交流母线的混合式微型能源网络***。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种微型能源网络***，包括能量管理单元以及若干能够实现AC/DC、DC/DC、DC/AC及AC/AC形式能量单向或双向变换和流动的变换单元，每个变换单元一侧连接发电单元、储能、电动汽车或负载，另一侧通过计量单元和可控开关与直流母线或交流母线相连；直流母线通过双向DC/AC变换单元和可控开关与交流母线相连；交流母线通过计量单元和可控开关与变压器相连，变压器的输入端连接电网；能量管理单元与各个变换单元、计量单元、可控开关及变压器电连接，对电能量流向和流量进行管控；发电单元包括分布式交流发电单元和分布式直流发电单元。
本发明进一步的改进在于：
所述变换单元包括单向AC/DC变换单元、单向DC/DC变换单元、单向DC/AC变换单元，单向AC/AC变换单元、双向AC/DC变换单元、双向DC/DC变换单元、双向DC/AC变换单元和双向AC/AC变换单元。
所述单向AC/DC变换单元的一侧接分布式交流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关与直流母线相连，用于将分布式交流发电电能转换成直流电能。
所述单向DC/DC变换单元的一侧接分布式直流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关与直流母线相连，用于将分布式直流发电电能转换成电压等级不同的直流电能。
所述双向DC/DC变换单元的一侧接分布式直流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关与直流母线相连，用于将一种直流电能与另一种电压等级不同的直流电能的能量双向变换。
所述双向AC/DC变换单元的一侧接分布式交流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关与直流母线相连，用于将交流电能与直流电能的能量双向变换。
所述双向AC/AC变换单元的一侧接电动汽车或交流负载，另一端通过计量单元和可控开关与交流母线相连，用于将电动汽车交流电能与工频交流电能的能量双向变换。
所述双向DC/AC变换单元的一侧接电动汽车或直流负载，另一端通过计量单元和可控开关与交流母线相连，用于将直流电能与工频交流电能的能量双向变换。
所述分布式交流发电单元和分布式直流发电单元包括但不限于风力发电、光伏发电、光热发电及燃料发电设备；交流储能单元和直流储能单元包括但不限于飞轮储能、蓄电池组及超级电容；交流负载和直流负载包括但不限于供电电压是220Vac和380Vac的交流负载，以及电压范围是200-1000Vdc的直流负载。
所述电网包括但不限于电压等级是10kVac、20kVac及35kVac的电网。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用基于交流母线和直流母线的混合式能源网络，并结合能源计量和开关控制，能有效解决基于电动汽车充电的多种能源接入的能源网络的需求，有效解决多台交流电源并网导致的电能质量问题，同时提高能源利用效率，利用能源调度进行局部削峰填谷，实现电网能源的微调度。本发明采用双向能源变换实现能源内循环，增加计量和可控开关，对能源进行有效管控，同时采用直流母线方案减少并网点，以减少电能质量的负面影响，同时提高能源利用效率，将分布式发电、储能、电动汽车等各种不同特征分布式能源的进行深度融合，通过对能量有效管控实现不同能量之间协作互动，能源流量可控和高效利用。
【附图说明】
图1为本发明微型能源网络***的设计图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明微型能源网络***，包括：单向AC/DC变换单元，单向DC/DC变换单元，单向DC/AC变换单元，单向AC/AC变换单元，双向AC/DC变换单元，双向DC/DC变换单元，双向DC/AC变换单元，双向AC/AC变换单元，直流母线，交流母线，计量单元，可控开关，变压器，能源管理单元。
单向AC/DC变换单元一端连接分布式交流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将分布式交流发电电能转换成直流电能；
单向DC/DC变换单元一端连接分布式直流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将分布式直流发电电能转换成电压等级不同的直流电能；
单向DC/AC变换单元一端连接直流负载，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将工频交流电能转换成直流负载所需的电能。
单向AC/AC变换单元一端连接交流负载，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将工频交流电能转换成交流负载所需的电能。
双向AC/DC变换单元一端连接交流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将交流电能与直流电能的能量双向变换。
双向DC/DC变换单元一端连接直流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将一种直流电能与另一种电压等级不同的直流电能的能量双向变换。
双向DC/AC变换单元一端连接电动汽车或直流母线，另一端连接计量单元或者可控开关，用于将一种直流电能与工频交流电能的能量双向变换。
双向AC/AC变换单元一端连接电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将电动汽车交流电能与工频交流电能的能量双向变换。
直流母线用于将电压特征相同的直流电能汇聚在一个母线上。
交流母线用于将特征相同的交流电能汇聚在一个母线上。
计量单元用于对交流电能或者直流电能流向、能量大小等进行计量。
可控开关用于对能量可流动性进行单向或者双向控制。
变压器一端通过可控开关和计量单元连接到交流母线上，另一端连接电网，用于将电网电能变换成工频交流电能。
能源管理单元通过通信技术连接所有变换单元、计量单元、可控开关、变压器等设备，采集各个设备信息，并对电能量流向和流量进行管控，实现将分布式直流/交流发电单元能量经过直流母线直接流向电动汽车或者交流/直流储能单元，或者交流/直流储能单元直流能量经过直流母线直接与电动汽车电能进行互动，而且分布式发电单元、储能单元和电动汽车能量经过直流母线和DC/AC变换后，通过交流母线将电能直接流向同一个交流母线的其他电动汽车或负载。
本发明的原理：
本发明同时具有基于直流母线和交流母线的能源网络，连接在直流母线和交流母线上的能量可分别实现局域内部能量互动，实现能量就地消纳和高效利用。采用能量双向变换单元，可实现AC/DC，DC/DC，DC/AC，AC/AC各种形式能量双向变换和流动。各个变换单元连接由计量单元及可控开关，实现能量精细化计量和管控。将分布式发电、储能、电动汽车等各种不同特征分布式能源组成一个直流微网，并通过能源管理单元进行能量高效利用和管理，同时减少工频交流并网点数量，减少对电网质量的负面影响。
能量管理单元对微网所有设备信息进行全方位采集，根据电动汽车充电或负载的需求，调度分布式发电、储能、其他电动汽车的能源来满足需求；根据微网内的用电峰平谷特性，调度分布式发电、储能和电动汽车充放电实现微网内的削峰填谷；根据电网峰平谷特性，高峰时调度分布式发电、储能和电动汽车放电实现不向电网取电或者少取电，而在低谷时多用电，实现对电网的削峰填谷；根据变压器配置容量和微网内负载用电需求情况，动态调度分布式发电、储能和电动汽车放电，实现微网内用电容量不超过电压器容量，实现小容量变压器满足大容量用电负载需求。
本发明各变换单元的功能：
单向AC/DC变换单元：一种交流电单向变换成直流电，交流电压包含但不限于220Vac或380Vac。
单向DC/DC变换单元：一种电压范围的直流电单向变换成另一种电压范围的直流电。
单向DC/AC变换单元：一种电压范围的直流电单向变换成工频交流电。
单向AC/AC变换单元：一种交流电单向变换成交流电，交流电压包含但不限于220Vac或380Vac，包含变换前后电压相等。
双向AC/DC变换单元：交流电与直流电双向变换，交流电压包含但不限于220Vac或380Vac。
双向DC/DC变换单元：一种电压范围的直流电与另一种电压范围的直流电的双向变换，包含变换前后电压值相等。
双向DC/AC变换单元：一种电压范围的直流电与工频交流电双向变换。
双向AC/AC变换单元：一种交流电与另一种交流电的双向变换，交流电压包含但不限于220Vac或380Vac，包含变换前后电压值相等。
直流母线，交流母线：直流母线电压范围是200-1000Vdc，交流母线是380Vac，包括并不限于金属排、线缆、连接器。
计量单元：交流计量和直流计量，一种计量电能流向和流量的单元，同时可反馈电压、电流、相位、有功、无功、功率因素、频率、电能方向和大小等数值，包括但不限于传感器、计量模块或电表。
可控开关：所有带反馈节点信号的开关。
变压器：将电网电能变换成380Vac的设备，电网电压等级不限于10kVac，20kVac，35kVac。
能源管理单元：具有通信功能，可进行数据采集、分析和处理能力的单元。包含但不限于含有MCU或CPU的模块或设备。通信方式：有线、无线、或电力线载波。
分布式交流/直流发电单元，包含但不限于风力发电、光伏发电、光热发电、燃料发电等设备；
交流/直流储能单元，包含但不限于飞轮储能、蓄电池组、超级电容等。
电动汽车，包含可交流充电或放电的纯电动汽车和混合式电动汽车。
交流/直流负载，包含但不限于供电电压是220Vac，380Vac的负载，电压范围200-1000Vdc的直流负载。
电网，包含但不限于电压等级是10kVac，20kVac，35kVac的电网。
本发明各变换单元可采用带有计量单元和可控开关的变换单元，不用外接计量单元和可控开关。同时本发明交流母线可以不采用变压器，直接与380Vac的电网相连；本发明各变换单元、计量单元和可控开关的连接无先后次序；电动汽车可作为储能单元与变换单元相连。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微型能源网络***，其特征在于，包括单向AC/DC变换单元，单向DC/DC变换单元，单向DC/AC变换单元，单向AC/AC变换单元，双向AC/DC变换单元，双向DC/DC变换单元，双向DC/AC变换单元，双向AC/AC变换单元，直流母线，交流母线，计量单元，可控开关，变压器，能源管理单元；直流母线通过双向DC/AC变换单元和可控开关与交流母线相连；交流母线通过计量单元和可控开关与变压器相连，变压器的输入端连接电网；能量管理单元与各个变换单元、计量单元、可控开关及变压器电连接，对电能量流向和流量进行管控，根据电动汽车充电或负载的需求，调度分布式发电单元、储能单元、其他电动汽车的能源来满足需求；根据微型能源网络***内的用电峰平谷特性，调度分布式发电单元、储能单元和电动汽车充放电实现微型能源网络***内的削峰填谷；根据电网峰平谷特性，高峰时调度分布式发电单元、储能单元和电动汽车放电实现不向电网取电或者少取电，而在低谷时多用电；根据变压器配置容量和微网内负载用电需求情况，动态调度分布式发电单元、储能单元和电动汽车放电；分布式发电单元包括分布式交流发电单元和分布式直流发电单元；储能单元包括交流储能单元和直流储能单元；
所述单向AC/DC变换单元一端连接分布式交流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将分布式交流发电电能转换成直流电能；
所述单向DC/DC变换单元一端连接分布式直流发电单元，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将分布式直流发电电能转换成电压等级不同的直流电能；
所述单向DC/AC变换单元一端连接直流负载，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将工频交流电能转换成直流负载所需的电能；
所述单向AC/AC变换单元一端连接交流负载，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将工频交流电能转换成交流负载所需的电能；
所述双向AC/DC变换单元一端连接交流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将交流电能与直流电能的能量双向变换；
所述双向DC/DC变换单元一端连接直流储能单元或电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接直流母线，用于将一种直流电能与另一种电压等级不同的直流电能的能量双向变换；
所述双向DC/AC变换单元一端连接电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将一种直流电能与工频交流电能的能量双向变换；
所述双向AC/AC变换单元一端连接电动汽车，另一端通过计量单元和可控开关连接交流母线，用于将电动汽车交流电能与工频交流电能的能量双向变换。
2.根据权利要求1所述的微型能源网络***，其特征在于，所述分布式交流发电单元和分布式直流发电单元包括风力发电、光伏发电、光热发电及燃料发电设备；交流储能单元和直流储能单元包括飞轮储能、蓄电池组及超级电容；交流负载和直流负载包括供电电压是220Vac和380Vac的交流负载，以及电压范围是200-1000Vdc的直流负载。
3.根据权利要求1所述的微型能源网络***，其特征在于，所述电网包括电压等级是10kVac、20kVac及35kVac的电网。
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