本發(fā)明涉及一種基于多電源-多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置，屬能源互聯(lián)網(wǎng)電能變換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)電網(wǎng)集中式能量分配與調(diào)度，能量只能從電網(wǎng)到用戶單向流動的運(yùn)行模式不同，在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源能夠以peer-to-peer的形式在市場上進(jìn)行自由對等的交易和兌換，用戶即是能源消費(fèi)者又是能源的供應(yīng)者。這種開放式的能源交互，對能源互聯(lián)網(wǎng)能源的接入、控制和傳輸提出了挑戰(zhàn)。借鑒Internet交換設(shè)備概念，設(shè)計(jì)能源路由器將其作為能源生產(chǎn)、消費(fèi)、傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的接口，實(shí)現(xiàn)不同能源載體的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換及存儲。

能源路由器由電力電子變換及儲能單元、通信單元和決策控制單元三部分組成。能源路由器對局域網(wǎng)間以及局域網(wǎng)內(nèi)部的能量流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和信息收集，并通過信息通道及時反饋能量流狀態(tài)。控制單元根據(jù)反饋信息，控制電力電子變換器或儲能裝置進(jìn)行相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換和存儲動作，保證能量高質(zhì)量、高可靠性流動，實(shí)現(xiàn)多個分布式能源網(wǎng)間的能量交換、路由管理和同一局域網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)光儲及載荷協(xié)同消納。

伴隨家庭用電電能質(zhì)量要求的提高，供電可靠性要求越來越高，能量路由器作為多能源接入裝置，通過能量的優(yōu)化調(diào)度，以電價最低為約束條件，能量路由器是一種集成融合了信息技術(shù)與電力電子變換技術(shù)、實(shí)現(xiàn)分布式能量的高效利用和傳輸?shù)碾娏ρb備。電力電子變換技術(shù)使能量路由器為各種類型的分布式電源、儲能設(shè)備和新型負(fù)載提供所需的電能接口形式，包括各種電壓、電流量的直流或交流形式等。能量路由器不但可以從主干配電網(wǎng)獲取能量傳遞給終端用戶，同時在子網(wǎng)的發(fā)電量過剩時，可將多余的能量回饋給主干網(wǎng)。此外，能量路由器還應(yīng)具有局域網(wǎng)內(nèi)部能量整合和協(xié)調(diào)分配的能力，即子網(wǎng)內(nèi)的能量多向自由流動。然而，并非所有的端口都必須具備功率雙向流動能力，專門與負(fù)載相連的接口，只需能量輸出功能即可；對于專門的分布式能源接口，則只需要功率吸收能力，并且為了充分利用分布式能源，其接口還需具備最大功率跟蹤（MPPT）功能；而對于連接儲能設(shè)備的接口，往往需要能量雙向流動能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了拓寬能量路由器的局域網(wǎng)內(nèi)部能量整合和協(xié)調(diào)分配能力，本發(fā)明提出一種基于多電源-多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為，基于多電源-多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置包括能量路由器、MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊、儲能雙向DC-DC模塊、發(fā)電機(jī)AC-DC模塊、分布式光伏電池、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、靜態(tài)開關(guān)QF1、QF2和實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器。

所述能量路由器的輸入端通過靜態(tài)開關(guān)QF1連接380伏交流電網(wǎng)；分布式光伏電池輸出連接MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊；儲能設(shè)備連接儲能雙向DC-DC模塊；燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出連接發(fā)電機(jī)AC-DC模塊；MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊輸出端和發(fā)電機(jī)AC-DC模塊輸出端連接儲能雙向DC-DC模塊；儲能雙向DC-DC模塊雙向連接能量路由器；能量路由器的輸出端分別連接充電樁模塊、220/380V輸出交流端口、5/24V輸出交流端口。靜態(tài)開關(guān)QF2一端連接380V交流電網(wǎng)端，一端連接能量路由器的交流電壓輸出端，用于用戶直接使用電網(wǎng)電源，將能量路由器旁路。

所述能量路由器的ARM+FPGA核心控制單元連接實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器；核心控制單元接收實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器下發(fā)的命令，向?qū)崟r調(diào)度頂層服務(wù)器發(fā)送用電的狀態(tài)采集數(shù)據(jù)。

所述能量路由器包括隔離變壓器、AC-DC整流模塊、DC-AC逆變模塊和ARM+FPGA核心控制單元。隔離變壓器、AC-DC整流模塊和DC-AC逆變模塊三級變換器串聯(lián)連接；ARM+FPGA核心控制單元分別連接隔離變壓器、AC-DC整流模塊和DC-AC逆變模塊，對它們進(jìn)行控制；ARM+FPGA核心控制單元還控制MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊、儲能雙向DC-DC模塊和發(fā)電機(jī)AC-DC模塊；ARM+FPGA核心控制單元還控制輸出直流電壓和輸出的交流電壓。

所述隔離變壓器實(shí)現(xiàn)了能量路由器與市電的隔離，將原來常用的三級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單化，實(shí)用化，通過隔離變壓器不僅降低了成本，而且減少了裝置的整體成本，同時隔離變壓器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，同時減少了能量回饋時，對電網(wǎng)的影響。

所述AC-DC整流單元為雙向能量流動控制，在其輸出側(cè)直流母線與蓄電池DC-DC單元、光伏電池DC-DC單元、發(fā)電機(jī)AC-DC單元并聯(lián)，其中蓄電池DC-DC單元實(shí)現(xiàn)電池的充放電功能，光伏電池DC-DC單元實(shí)現(xiàn)光伏的MPPT功能，發(fā)電機(jī)AC-DC單元實(shí)現(xiàn)直流并網(wǎng)，蓄電池DC-DC單元輸出直流電壓作為直流母線電壓控制，其中該裝置母線電壓設(shè)定值為650V。

所述ARM+FPGA控制單元通過實(shí)時計(jì)算電網(wǎng)電價及天然氣電價，實(shí)現(xiàn)對光伏電池DC-DC單元、發(fā)電機(jī)AC-DC單元、蓄電池DC-DC單元、QF1、QF2下發(fā)指令，以電價最低為約束條件進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

所述DC-AC整流單元，為單向能量輸出單元，將直流電壓逆變?yōu)榻涣?80V，然后通過輸出變壓器分別變壓為380V、220V、24V、5V電源，實(shí)現(xiàn)家庭各類交流電壓的全覆蓋，從而減少家用充電器變壓環(huán)節(jié)的能量損失。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明能量路由器裝置是一個開放式的能量載體，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變壓功能，還能提供各種電能形式的標(biāo)準(zhǔn)化接口，能實(shí)現(xiàn)包括分布式發(fā)電裝置在內(nèi)的各種交直流電力設(shè)備的接入；能夠?qū)Ω鞫丝诘碾妷弘娏鬟M(jìn)行實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)能量管理、潮流調(diào)度等電網(wǎng)需求。本發(fā)明能量路由器裝置的動態(tài)特性良好，具有應(yīng)對短路故障、完成低壓穿越等功能；能完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，為更大范圍內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行策略提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明能量路由器裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為輸出變壓器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明裝置控制策略示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明具體實(shí)施方式如附圖所示。

圖1為本實(shí)施例基于多電源-多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖?；诙嚯娫?多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置包括能量路由器、MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊、儲能雙向DC-DC模塊、發(fā)電機(jī)AC-DC模塊、分布式能源光伏電池、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、靜態(tài)開關(guān)QF1、QF2和實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器。

實(shí)時調(diào)度頂層服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示；能量路由器的交流電壓輸出如圖3所示。

本實(shí)施例基于多電源-多電壓等級負(fù)荷家用智能能量路由器裝置的控制策略如圖4所示。裝置的控制策略如下：

（1）裝置啟動之后進(jìn)入自檢狀態(tài)，如果裝置有故障則，首先切入市電，此時QF2投入，QF1斷開；其次在裝置自檢無故障的情況下，QF1投入，QF2斷開。

（2）調(diào)度層控制策略：

（A）電價、煤氣價作為實(shí)時價格輸入FPGA+ARM控制器中，首先判斷電價與煤氣價格的關(guān)系，如果電價小于煤氣發(fā)電的價格，同時在白天，說明此時為用電低谷，此時優(yōu)先使用煤氣發(fā)電機(jī)滿功率發(fā)電，同時光伏電池板也最大功率跟蹤發(fā)電，蓄電池作為負(fù)荷瞬時投切的能量調(diào)節(jié)，如果此時負(fù)荷大于發(fā)電量，再考慮使用市電，如果負(fù)荷小于發(fā)電量，蓄電池已經(jīng)充滿的情況下，能量反饋電網(wǎng)；在晚上，說明此時為用電低谷，此時優(yōu)先使用市電，同時蓄電池作為負(fù)荷瞬時投切的能量調(diào)節(jié)。

（B）如果電價大于煤氣發(fā)電的價格，同時在白天，說明此時為用電高峰，此時優(yōu)先使用煤氣發(fā)電機(jī)滿功率發(fā)電，同時光伏電池板也最大功率跟蹤發(fā)電，蓄電池作為負(fù)荷瞬時投切的能量調(diào)節(jié)，如果此時負(fù)荷大于發(fā)電量，再考慮使用市電，如果負(fù)荷小于發(fā)電量，蓄電池已經(jīng)充滿的情況下，能量反饋電網(wǎng)；在晚上，說明此時為用電高峰，此時優(yōu)先煤氣發(fā)電機(jī)滿功率發(fā)電，同時蓄電池作為負(fù)荷瞬時投切的能量調(diào)節(jié)，實(shí)時調(diào)度實(shí)現(xiàn)電價最低為最終目標(biāo)。

（3）控制層策略，AC-DC整流模塊、DC-AC逆變模塊、MPPT最大功率跟蹤DC-DC模塊、儲能雙向DC-DC模塊、均為IGBT橋臂實(shí)現(xiàn)，控制層以直流母線電壓穩(wěn)定在650V為最終目標(biāo)，首先通過蓄電池電壓支撐650V直流母線電壓，在直流母線電壓低于650V時，輸出能量小于輸入能量，如果母線電壓大于650V說明，輸出能量大于輸入能量，蓄電池作為直流母線瞬時調(diào)節(jié)，將輸入功率與輸出功率及時反饋調(diào)度層，實(shí)現(xiàn)能量的實(shí)時平衡。