能源网络系统
阅读：49发布：2020-05-11
专利汇可以提供能源网络系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 能源 网络系统，包括：通过网络连接的多个能源路由器和排队控制装置，其中，所述多个能源路由器逻辑上组成阵列结构，每个能源路由器具有唯一的地址；以及所述排队控制装置被配置成根据对应于能源路由器的地址向能源路由器发送能源 请求 。通过上述技术方案，通过将能源路由器组成逻辑上的阵列结构，使各个能源路由器之间能够相互通信，能够在个别能源路由器出现故障时由其他能源路由器对故障能源路由器的在处理能源请求进行响应，保持能源传输的连续性。，下面是能源网络系统专利的具体信息内容。
1.一种能源网络系统，其特征在于，该能源网络系统包括：
通过网络连接的多个能源路由器和排队控制装置，其中，所述多个能源路由器逻辑上按照矩阵式结构排列以组成阵列结构，每个能源路由器具有唯一的地址；以及所述排队控制装置被配置成根据对应于能源路由器的地址向能源路由器发送能源请求；
其中，所述排队控制装置还被配置成从网络接收所述能源请求，根据当前与该排队控制装置连接的多个能源路由器的能力对所述能源请求进行响应。
2.根据权利要求1所述的能源网络系统，其特征在于，所述排队控制装置被配置成当所接收的能源请求达到所述多个能源路由器的能力上限时，将之后接收到的能源请求进行排队，生成能源请求队列。
3.根据权利要求2所述的能源网络系统，其特征在于，所述排队控制装置按照先入先出原则对所述能源请求队列中的能源请求进行响应。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的能源网络系统，其特征在于，所述能源路由器包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置，其中
所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及
所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态。
5.根据权利要求4所述的能源网络系统，其特征在于，所述能源路由器还包括储能装置功率管理系统，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。
6.根据权利要求4所述的能源网络系统，其特征在于，所述电能功率变换级包括：输出直流变换器、直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，
所述输出直流变换器被配置成执行AC/DC以向所述储能装置充电；
所述直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及所述交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。
7.根据权利要求6所述的能源网络系统，其特征在于，所述直流并网逆变器包括连接在直流并网电路之间的第一晶体管(S1)、第二晶体管(S2)，第一晶体管(S1)的集电极与第二晶体管(S2)的发射极连接，第一晶体管(S1)与第二晶体管(S2)的发射级和集电极之间分别连接有第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，该串接的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)的两端之间并接有电容C2，第一晶体管(S1)的发射极与集电极之间还串接有电感(L)和电容C1，其中，第一晶体管(S1)的发射极为直流并网电路的负极，第二晶体管(S2)的集电极为直流并网电路的正极。
8.根据权利要求6所述的能源网络系统，其特征在于，所述交流并网逆变器包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。
9.根据权利要求4所述的能源网络系统，其特征在于，所述控制单元还被配置成从以太网接收所述能源请求。
能源网络系统
技术领域
背景技术
[0002] 能源互联网是以互联网理念构建的新型信息能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网为“局域网”，以开放对等的信息能源一体化架构，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，可以最大限度地适应新能源的接入。微网是能源互联网中的基本组成元素，通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及微网内的储能或用电消纳形成“局域网”。虽然电能源仅仅是能源的一种，但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势，未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网，因此未来能源互联网基本上是互联网式的电网。能源互联网把一个集中式的、单向的电网，转变成和更多的消费者互动的电网。
[0003] 电力电子技术是实现能源互联网控制的主要手段，按照用户的需要以指定电压和频率控制电力的传输仍然是技术难点，电力电子变压器和传统变压器相比仍然有效率、容量和可靠性等方面的瓶颈问题。分散协同式的能量管理，传统的能量管理系统需要在能源互联网的基础上实现一个能源信息实时采集、处理、分析与决策的能量管理系统。
[0004] 能源互联网体系包括能源的生产、传输、利用、以及该系统的交互，形成该体系内各个能源系统间的相互交流，从而提高能源的转换效率、整个体系实现智能的交换、智能的配比、优化资源配置，改善能源体系，推动能源体系向更加高级的方向发展，形成不同产业体系向能源体系融合与转化的能源互联网，因此需要一个新型的能源网络系统。
[0005] 但是现有能源体系缺乏统一的模式与标准，分布式发电系统只是为区域提供能源，不能构成一个大的网络系统。同时，现有由于分布式能源的组网管理没有统一调度与管理，对用户能源请求没有系统的解决方案，导致分布式能源利用率不高。
发明内容
[0006] 本发明提供一种能源网络系统，包括：通过网络连接的多个能源路由器和排队控制装置，其中，所述多个能源路由器逻辑上组成阵列结构，每个能源路由器具有唯一的地址；以及所述排队控制装置被配置成根据对应于能源路由器的地址向能源路由器发送能源请求。
[0007] 进一步地，所述排队控制装置被配置成从网络接收所述能源请求，并根据当前与该排队控制装置连接的多个能源路由器的能力对所述能源请求进行响应。
[0008] 进一步地，所述排队控制装置被配置成当所接收的能源请求达到所述多个能源路由器的能力上限时，将之后接收到的能源请求进行排队，生成能源请求队列。
[0009] 进一步地，所述排队控制装置按照先入先出原则对所述能源请求队列中的能源请求进行响应。
[0010] 进一步地，所述能源路由器包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置，其中所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态。
[0011] 进一步地，所述能源路由器还包括储能装置功率管理系统，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。
[0012] 进一步地，所述电能功率变换级包括：输出直流变换器、直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，所述输出直流变换器被配置成执行AC/DC以向所述储能装置充电；所述直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及所述交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。
[0013] 进一步地，所述直流并网逆变器包括连接在直流并网电路之间的第一晶体管S1、第二晶体管S2，第一晶体管S1的集电极与第二晶体管S2的发射极连接，第一晶体管S1与第二晶体管S2的发射级和集电极之间分别连接有第一二极管D1、第二二极管D2，该串接的第一二极管D1、第二二极管D2之间并接有电容C2，第一晶体管S1的发射极与集电极之间还串接有电感L和电容C1，其中，第一晶体管S1的发射极为直流并网电路的负极，第二晶体管S2的集电极为直流并网电路的正极。
[0014] 进一步地，所述交流并网逆变器包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。
[0015] 进一步地，所述控制单元还被配置成从以太网接收所述能源请求。
[0016] 通过上述技术方案，通过将能源路由器组成逻辑上的阵列结构，使各个能源路由器之间能够相互通信，能够在个别能源路由器出现故障时由其他能源路由器对故障能源路由器的在处理能源请求进行响应，保持能源传输的连续性。
[0019] 图1是根据本发明实施方式的能源网络系统结构示意图；
[0020] 图2是根据本发明实施方式的能源网络系统中能源路由器阵列编址方式示意图；
[0021] 图3是根据本发明实施方式的能源网络系统中能源请求队列示意图；
[0022] 图4是根据本发明实施方式的能源路由器组成结构示意图；
[0023] 图5是根据本发明实施方式的能源路由器的并网逆变器原理示意图；
[0024] 图6A-图6C是根据本发明实施方式的能源路由器的操作模式示意图。
具体实施方式
[0025] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0026] 图1是根据本发明实施方式的能源网络系统结构示意图。图2是根据本发明实施方式的能源网络系统中能源路由器阵列编址方式示意图。如图1和图2所示，本发明实施方式提供的能源网络系统包括：通过网络连接的多个能源路由器和排队控制装置，其中，所述多个能源路由器逻辑上组成阵列结构，每个能源路由器具有唯一的地址；以及所述排队控制装置被配置成根据对应于能源路由器的地址向能源路由器发送能源请求。
[0027] 在实施方式中，能源路由器用于控制储能锂电池单元的充电和放电，并通过交流总线或直流总线将锂电池单元的电能并网；电能变换器(PCS)，用于接收能源路由器的控制信号，将来自于分布式能源(例如风力能源)传输过来的电能进行变换成直流电，将该直流电在电池管理系统(BMS)的控制下给储能锂电池单元充电，以及在能源路由器的控制下将分布式能源的电能或储能锂电池内的电能按照实际微网总线的需求进行直流并网或交流并网，以实现分布式能源的并网功能；电池管理系统，控制电能变换器给储能锂电池单元充放电，当储能锂电池欠压或过压时，停止电能变换器给电池充电或放电；储能锂电池单元，由电池管理系统控制，通过电能变换器充电，或通过电能变换器放电。在实施方式中，储能锂电池单元可以采用48V200AH的磷酸铁锂电池模块。微网总线可以包括直流微网总线和交流微网总线。
[0028] 在本发明的实施方式中，将能源路由器按照矩阵式结构排列，例如，可以将能源路由器按照其对应的分布式能源归类成矩阵形式的能源内存。在优选的实施方式中，矩阵的行可以代表不同种类的能源。例如，如图2所示矩阵中的A行可以包括图1中所示的光伏能源A、风力能源A以及生物质能源A。A行中的序号可以表示具体编号，例如1对应于光伏能源A、2对应风力能源A等。
[0029] 附图1所示，排队控制装置可以被设置于能源路由器和网络之间，被配置成从网络接收能源请求，并根据当前与该排队控制装置连接的多个能源路由器的能力对所述能源请求进行响应。例如，当采用排队等待方式进行交直流电能并网时，如果系统里最多只能容纳K个能源请求，在某时刻一个能源请求到达时，当系统中已有K个能源请求在处理，则这个能源请求就可以被拒绝进入系统，而在排队控制装置中进行排队，生成能源请求队列。在实施方式中，排队控制装置可以按照先入先出原则对所述能源请求队列中的能源请求进行响应。
[0030] 当能源请求完成排队后(即当能源路由器组成的功能系统能够继续接受能源请求时)且需要直流微网并网时，由能源路由器控制电能通过直流并入直流微网总线，然后可以直流到交流的DC/AC转换并入电网；当需要交流流微网并网时，由能源路由器控制电能通过交流并入交流微网总线，再由交流微网并入电网。
[0031] 下面结合图2对本发明实施方式中的能源路由器编制方式进行详细描述。如图2所示，其中矩阵为7行8列，行的标记从A到F，列的标记从7到0。每个矩阵包括56个能源路由器，并且可以根据实际规模扩展或调整。其中，可以定义A0～A7为太阳能产生的能源；B0～B7为风力产生的能源；C0～C7为生物质产生的能源；F0～F7为其它方式产生的网络能源。此外，上述矩阵架构可以预留扩展空间，根据实际情况进行扩展。
[0032] 在实施方式中，每个能源路由器都对应一个IP地址。这种用于能量存储分类的模式，区分不同能源来源之间的差异，能够为不同能源在电力市场的分配计划做基础。可以通过对能源路由器进行归类来满足最小组群中用电单元的用电需求。最小组群指一个用户、一个办公场所，或一个小型工厂等。最小组群中可以有多种类型的电器、馈线、电池、发电机和多个能源路由器。在这样的最小组群中，电能的生产和消耗可以通过能源路由器中的锂电池储能保持一个平衡水平。将分布式能源，通过在能源路由器内部的锂电池储能方式，能够将能源进行数字化和离散化。当一个区域内各种分布式能源较多时，对一个区域内分布式能源进行归类和管理。
[0033] 在实施方式中，当能源网络系统检测到某个能源路由器出现故障时，可以切断该能源路由器，使得发电故障被限制在个体内，转而可以采用其它能源路由器的能量补充的方式从矩阵内相邻能源路由器获得能量。
[0034] 本发明实施方式提供的的具有矩阵结构的电能存储装置可以作为当带有能源来源数据的电能从微电网传送到用户时用来维持供需平衡的设备。这不同于传统的负载均衡，因为在开放电能网中的电能存储设备是同时被许多分布式电源和用户共用，存储容量一定要在设备利用率的基础上来决定。
[0035] 图3是根据本发明实施方式的能源网络系统中能源请求队列示意图。能源请求可以按照能源的传递方向分为存储类型和放电类型。可以针对每种能源请求进行排队控制。
[0036] 作为举例，在用户使用能源网络系统调度的能源时，能源请求的输入过程以及用户能源请求到达排队控制装置的情况如下：
[0037] a)能源请求的总体数或能源请求的来源数，可以是有限也可以是无限；
[0038] b)能源请求到达的类型，能源请求到来到的方式可能是逐个的，也可能是成批到达；
[0039] c)能源请求相继到达的时间间隔分布可以是确定型的，也可以是随机型的。
[0040] 利用本发明实施方式提供的矩阵式架构的能源网络系统能够针对能源请求以排队方式进行设计，按照能源请求排队等待的队列和接受服务的次序分配能源。
[0041] 假设能源网络系统中最小组群系统里最多只能容纳K个能源请求，在某时刻一个能源请求到达时，如系统中已有K个能源请求在处理，那么这个能源请求就被拒绝进入系统。因而有：
[0042] 令 有：
[0043] 系统里没有能源请求的概率
[0044]
[0045] 在系统里的平均能源请求的处理个数：
[0046]
[0047] 平均的能源请求排队数：
[0048]
[0049] 在系统里正好有n个能源请求的概率：
[0050] Pn＝ρnP0,n＝1,2,...,K
[0051] 其中：
[0052] λ：单位时间内平均到达的能源请求数，
[0053] 1/λ：平均到达间隔时间，
[0054] μ：单位时间内平均能被服务完的能源请求数，
[0055] 1/μ：一个能源请求的平均服务时间，
[0056] ρ：每个能源路由器电能变换器的服务强度，
[0057] Pn：在稳态时，系统中有n个能源请求的概率，
[0058] Ls：指在排队系统中的能源请求(包括正在接受服务和在排队等候服务的所有能源请求)的平均数，
[0059] Lq：指在系统中排队等待服务的能源请求数。
[0060] 在实施方式中，排队控制装置可以根据以上参数，例如，平均到达间隔时间等来设置排队堆栈的大小，以容纳预期收到的能源请求。
[0061] 图4是根据本发明实施方式的能源路由器组成结构示意图。如图4所示，本发明提供的能源路由器可以包括：控制单元、电能功率变换级、以及储能装置。本领域技术人员可以了解，在图中示出的单个电池可以是由若干个小的可充电电池单元组成的电池，例如可以是铅酸素电池或锂电池(48V200Ah)。即便如此，经过串联之后的可充电电池单元组成的电池的电压也比较小，可能只有几十伏的电压，例如36V或48V。电能功率变换级可以将直流(DC)转换成交流(AC)，也可以将交流转换成直流，从而使储能装置能够向电网输电，也可以存储电网多余的能量。其中所述控制单元被配置成响应于能源请求向所述电能功率变换级发送电能输送指令；以及所述电能功率变换级被配置成响应于所述电能输送指令改变所述储能装置的电能输送状态(或输送方向)，例如，储能或放电。电能功率变换级可以包括输出直流变换器和并网逆变器两个部分，分别负责执行AC/DC以向储能装置充电以及将储能装置的电能并网。
[0062] 在实施方式中，能源路由器还可以包括储能装置功率管理系统(或电池功率管理系统)，被配置成响应于所述电能输送指令，对所述储能装置的充放电状态进行控制。储能装置接受能源路由器的控制单元的指令，对储能装置中的锂电池充放电的状态进行管理，当控制单元指示需要给电池充电或放电时，由电池功率管理系统执行电池管理功能。例如，当判断电池已经充满时，控制输出直流变换器停止充电。
[0063] 控制单元是能源路由器中的核心部分，其功能涉及通信、需求分析、潮流控制等。以下对控制单元的具体组成进行示例性描述。
[0065] 电源电路部分用于对能源路由器中的各部分供电。在本发明的实施方式中，能源路由器可以采用内置锂电池取电，通过CFD5系列DC/DC模块，输入48V的直流电压，输出12V和5V的直流电压给能源路由器供电。输出5V直流经过电感滤波，分两路给整个电路供电。一路直接供给工作电压为5V的电路，另一路通过集成电路PJ1084进行电压变换，得到部分芯片电路工作所需要的3.3V电压。
[0066] 复位电路包括两个部分：CPU复位电路部分是在系统上电或电源异常又恢复时使CPU自动复位；另一部分是在软件运行异常出现系统死机的情况下，用户可通过按外接复位开关来使CPU复位。复位信号是由一个十分简单的RC电路、按钮开关来产生。当系统上电或人为按下复位开关，会产生一个低电平脉冲，该脉冲经过数字门电路整形后使CPU复位，进行初始化。
[0067] 时钟信号单元：采用4个晶体振荡器，分别提供各部分IC工作所需的时钟信号。50M―CPU电路S3C4510B01主时钟，25M―交换控制器RTL8305S时钟，20M―以太网控制器RTL8019AS时钟，7.372M―异步串口通信芯片TG16C550CJ时钟。
[0068] CPU是能源路由器的核心芯片，在实施方式中可以选择BF506微控制器。该微控制器可实现以太网通信系统，具有低成本和高性能的特点。
[0069] FLASH闪存可以使用8/16/32位的外部总线，可支持ROM、SRAM、闪存、DRAM。在实施方式中可以使用EON公司的闪存EN29-F040-70J存储数据。
[0070] 在实施方式中，SDRAM使用了2颗ESMT公司的M12L16161C―512K字节、16位、2Banks同步SDRAM。该SDRAM采用3.3V供电，自动自主刷新，刷新周期为32毫秒，接口为LVTTL电平，采用CMOS工艺制程，50TSOP封装。
[0071] 以太网控制器用于实现能源路由器与以太网的通信，使得控制单元能够从以太网接收能源请求。以太网控制器电路通过系统总线连接微控制器，通过RJ45和双绞线连接广域网(WAN)，该部分电路还提供RS-232串口连接广域网，电路的核心可以是以太网控制芯片RTL8019AS和异步通信控制芯片TG16C550CJ。以太网采用IEEE802.3协议，该IEEE802.3协议中规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。
[0072] 潮流控制单元用于对电能的潮流进行控制。在实施方式中选择的潮流控制单元可以是集成的算法单元，该单元通过潮流控制方法，对电能功率变化部分进行控制。使能源路由器作为包含能量存储设备的能量转换的工具使用。
[0073] 图5是根据本发明实施方式的能源路由器的并网逆变器原理示意图。电能变换功率级中的并网逆变器可以包括：直流并网逆变器和交流并网逆变器，其中，直流并网逆变器被配置成执行DC/DC以将所述储能装置直流并网；以及交流并网逆变器被配置成执行DC/AC以将所述储能装置交流并网。如图5所示，直流并网逆变器可以包括连接在直流并网电路之间的晶体管S1、晶体管S2，晶体管S1的集电极与晶体管S2的发射极连接，晶体管S1与晶体管S2的发射级和集电极之间分别连接有二极管D1、二极管D2，该串接的二极管D1、二极管D2之间并接有电容C2，晶体管S1的发射极与集电极之间还串接有电感L和电容C1，其中，晶体管S1的发射极为直流并网电路的负极，晶体管S2的集电极为直流并网电路的正极。交流并网逆变器可以包括连接在交流并网电路之间的由6组并联的晶体管和二极管组成的三相全桥逆变电路。
[0074] 上述并网逆变器，包括8个带有体二极管的IGBT，如图5所示，二极管序号分别为D1～D8，IGBT序号分别为S1～S8。其中直流并网部分，由开关K1和开关K2控制整个电路的通断，两个开关由能源路由器的控制单元控制。电容C1可以是电解电容与电感L串联之后一起与S1并联，此并联后的部分与S2串联并输出U0到直流微电网，通过电解电容C2可以对并网波形滤波。交流并网部分由S3～S8组成三相全桥电路，通过能源路由器的控制单元控制K3的通断进行控制，三相逆变后的交流电通过Ua、Ub、Uc端口输出到交流微电网。
[0075] 在实施方式中，能源路由器在控制并网时，可以先判断要并入的电网类型。根据所并入的微电网是交流电网或是直流电网，通过对拓扑的切换和选择进行控制。
[0076] 当能源路由器的控制单元判断需要进行并入直流微电网时，使得K1、K2闭合和K3断开，电池组通过直流并网逆变器工作，当直流半桥逆变器向电网送电工作时，开关管Sl在设定频率下开关工作，S2截止，此时电路即为升压变换电路；当需要控制直流微电网向锂电池充电时，开关管S2在设定频率下开关工作，Sl截止，此时电路即为降压变换电路，实现电池在直流微电网下充电，通过电感L实现能量的储存和传输。
[0077] 当能源路由器判断需要进行并入交流微电网时，使得K1、K2断开和K3闭合，电池组通过开关管S3～S8三相全桥逆变电路进行交流并网单元工作，采用SVPWM调制将电池组端的直流电转换成工频交流电源，通过三相全桥逆变电路实现交流并网。
[0078] 上述直流变换器和交流并网逆变器的电路结构具有较好的兼容性，同一个设备可以用在直流微电网系统也可以用在交流微电网中，通过检测微电网的性质选择采用并入直流微电网或并入交流微电网。这种兼容两种并网模式的拓扑是使用器件最少的方式，节约了成本。并且，通过开关切换，共用锂电池的直流输入，易于逻辑控制。
[0079] 图6A-图6C是根据本发明实施方式的能源路由器的操作模式示意图，其中示出了能源路由器潮流控制方法。能源路由器可以控制输出直流变换器并网逆变器的工作状态，当需要进行锂电池储能充电模式时，控制输出直流变换器和控制并网逆变器同时工作或分别单独工作，使得分布式能源与微网总线电源向锂电池充电，能源路由器根据实际工况选择输出直流变换器并网逆变器二者分别单独充电或同时充电。
[0080] 当能源路由器判断需要进行储能放电时，控制并网逆变器工作，使得并网逆变器实现锂电池向交流微网总线或直流微网总线放电。
[0081] 当能源路由器判断需要进行储能交互模式时，控制输出直流变换器工作，控制并网逆变器工作，使得输出直流变换器给电池充电的同时输出电压经过并网逆变器向微电网送电。此时，通过电池功率管理系统控制电池的充电状态。
[0082] 在实施方式中，分布式能源输入的电能可以是直流电(例如光伏发电)，也可以是交流电(例如风力发电)，首先通过输入直流变换器进行变换，统一输出48V直流对锂电池充电。
[0083] 以上结合附图对本发明的距离实施方式进行说明。下面对本发明的优点总结如下：
[0084] 1)每一个能源路由器是具有储能单元的网络节点，发电故障被限制在能源路由器个体内；
[0087] 4)采用群组能源需求排队的管理方式，提高能源使用效率，提高能源安全，故障发生时可以从相邻组群获得援助。
[0088] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0089] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0090] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
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