专利名称：分布式可编程能源系统及其利用方法
技术领域：
本发明涉及一种能源利用系统及其能源利用方法。
背景技术：
电能是人类使用的最普遍、最安全、最清洁、最灵活、效率最高的能源形式。就当今的技术而言，能源利用系统及其能源利用方法是集中式发生、远距离大能耗传输的电力系统。该系统首先由火力发电厂、水力发电厂、核电厂等大型发电系统将能量转化为电能，然后通过远距离、高损耗的输配电系统，将电能输送给用户使用。电厂、输配电系统投资巨大，管理维护成本高，并且在到达用户时就会存在以下几方面的损耗1)、燃料输送的能耗，如将煤炭、石油送至电厂。
2)、电厂自耗电为7％-21％左右。
3)、输电系统和配电系统的损耗。
当前的集中式发生、远距离、大能耗传输的电力系统使用极不方便，对用电设备的技术开发要求过高。随着科学技术的发展，特别是机电一体化进程的要求，人类对电源的形式要求越来越多，如直流电、各种频率、电压的交流电、各种波形的电源(包括驱动正弦交流电机、方波直流电机、正弦直流电机)、各种位置、速度、力矩伺服电源、各类开关电源。但目前由发电厂集中式发生、并由输配电系统远距离传送到用户的工频系统电源根本无法直接应用于上述目标，只能应用于传统单一的工频用电设备，如白炽灯、定速交流异步电机系统。由于各类新电源的研究和开发是机电一体化技术中最关键和最复杂的技术，对于绝大部分用户和电器设备的生产商来讲，电源技术过于复杂，并需要不断的更新。因此，标准化、专业化电源的供应是用电设备生产厂商和用户所需要的。
另一方面，地球的能源绝大部分是来自于太阳能，今天的集中式发电所使用的就是远古时的太阳能(石油、煤炭)，而太阳能本身是分布在地球每一处表面的。虽然地球上有许多来自太阳的分布式的、可利用能源，如太阳(光)能、风能、地热能、水势能等等，但由于这些能源不能方便转化成复杂波形和频率的电源，使这些分布的能源目前仍没有广泛利用的方法。
发明内容本发明的目的是提供一种分布式可编程能源系统及其利用方法，解决分布式能源方便利用的技术问题；并解决各种能量即用即发的问题。
本发明的技术方案这种分布式可编程能源系统，其特征在于它包含(1)、分布在n个(n＝1～∝)电能源使用地的能源发生地；(2)、分布在各能源发生地的能源转化及贮存装置和可编程逆变器组成的用户终端设备；(3)、连接m个(m＝n)用户终端设备的局域电力传输网络；(4)、对用户终端设备进行组态、编程控制和管理的L个(L≥1)编程控制中心；(5)、连接上述用户终端设备和编程控制中心的远程数据传输网络。
上述能源转化及贮存装置是燃料电池、太阳能电池、风力发电机和电池、燃烧热能发电机和电池、地热能发电机和电池、潮汐能发电机和电池或水力发电机电池。
上述可编程逆变器包括由可编程控制电路和DC-DC转换电路组成的直流电源输出模块和由可编程控制电路和DC-AC逆变电路组成的交流电源输出模块；上述DC-AC可编程逆变器是单相交流可编程逆变器或三相交流可编程逆变器。
上述可编程逆变器包括至少一个可组态、可更换的电源输出模块，并有至少一个标准模拟输入口、开关量输入口和开关量输出口。
上述远程数据传输网络是INTERNET互联网或局域远程数据传输系统。
上述系统是独户时，连接m个(m＝n)用户终端设备的局域电力传输网络是省略的。
这种分布式可编程能源系统的利用方法，其特征在于a、建立上述分布式可编程能源系统；b、用能源转化及贮存装置将分布于用户处的能源转化为电能；c、用户终端设备根据用电设备规格要求，通过远程数据传输网络从编程控制中心下载逆变器运行控制程序；d、启动可编程逆变器，将能源转化及贮存装置储存的电能逆变为可供使用的电源；e、通过小型的局域电力传输网络在合理数量的用户终端之间共享能源；f、可编程控制中心为整个系统提供编程服务和管理。
上述能源在使用时被转化为电能或在使用前被转化为电能储存。
上述能源是太阳能、燃料能、风能、势能、热能、化学能、地热能或潮汐能。
有益效果本发明是一种基于远程数据传输网络的、将分布的多种能源方便转换成各种形式电源的网络系统，可产生一种全新的、低投入、高效低耗、高灵活性的分布能源利用方法。该系统将分布于各个电能使用点的各种能源形式。如太阳能、燃料能源、风能、地热能等转化为可储存的或按需转化的电能，并通过系统远程载入程序和控制的逆变装置，将电能转化成各种电源形式，驱动各种用电设备，如家用电器、各类电动机、伺服单元等。该能源系统将可通过远程数据传输网络由一个或数个编程控制中心进行统一的用户编程、调度、管理。该系统建立在网络技术、电力电子技术、电源技术、控制技术等现代科学技术最新发展基础上，与传统的集中发电、远程传输的电力系统相比，具有以下突出的优势①、对能源利用率大大提高传统电力系统仅可使用远古的矿物能源和集中的水力能源，而本系统可以使用分布于全球的任何地区的各种能源，既可使用矿物能源，如天然气、石油、煤转化(今后可能是水分解)的燃料电池，也可使用分布于地球表面的巨大的太阳能、风能等，因此，对地球能量利用率要远高于传统电力系统。
②、省去了投资巨大、损耗巨大的输配电系统在传统电力系统中，将电能远距离传输到用户的电网是投资巨大的，且损耗巨大，维护费用巨大。而本发明涉及的能源系统不需远距离传输，需要传输的仅仅只是数据，能耗极小，与前者相比可以忽略。
③、解决了即用即发的问题传统的电力系统在高峰时无法解决“用多少，发多少”的问题，虽可用诸如储能水库电站储存能量，但损失巨大，损耗巨大。本发明系统由于用户是分布式的，且规模较小，贮存问题易于解决，且燃料电池本身即可“用多少，发多少”，解决了传统电力系统的波谷矛盾。
④、使电力的使用更精确，更专业化电源技术和电动装置的控制一直是电力、电子、电气设备制造商的技术难关。而本能源系统可由专家建立、维护和不断升级的编程控制中心为标准模块化的、可组态化的用户终端提供逆变控制程序和远程管理，使人类精确使用电能和精确驱动各类电动机械变得简单而标准化，为机电一体化的实现提供了方便的途径。
⑤、可以综合利用各种能源传统的发电厂只能使用一种能源形式，燃料(火力发电)、水力、核能中的一种。本发明的分布式能源系统可将多种分布的能源形式就地转化、使用，将会产生目前集中式电力系统无法产生的巨大能源，其对原始能源枛太阳能的利用效率是集中式电力系统无法达到的。本发明的分布式能源系统中能源转化装置是组态式的、可更换、可扩展的，这就为同时或同一地点将多种形式能源综合使用提供的条件，如将太阳能电池和燃料电池切换并联至逆变器，在阳光充足时，可用太阳能转化为电能并贮存，而当太阳能电池耗尽后，则可由燃料电池切入系统，这样可以节省燃料的使用。
⑥、促进用电设备的标准化本发明涉及的分布式能源系统的末端用户终端装置可对各类标准的用电设备、电机驱动装置、伺服单元进行编程和精确的能量、流量、位置、力矩等参数控制。从而使目前技术难度极大的控制系统变得标准化、而可组态，大大简化了电能应用和控制设备开发的技术途径。促进电气设备标准化的进程，大大提高劳动生产率，节约资源。
图1是本发明分布式可编程能源系统的结构示意框图；图2是用户终端设备的连接原理框图；图3是可编程逆变器输出模块的示意图；图4是一种DC-DC转换电路组成的直流电源输出模块的主电路原理图；图5是一种驱动直流电机的直流电源输出模块的主电路原理图；图6是一种单相交流可编程逆变器的电路原理图；图7是另一种单相交流可编程逆变器的电路原理图。
图8是一种三相交流可编程逆变器的电路原理图。
具体实施例方式
参见图1，本发明所述的分布式可编程能源系统由用户终端设备、编程控制中心、数据传输网络组成。其组成部分的原理和功能如下一)、用户终端设备参见图2，用户终端设备由两个关键部分组成a)、能源转化及贮存装置、b)、可编程逆变器。
a)、能源转化及贮存装置泛指将其它形式的能源(能量)转化为电能，并可将电能贮存起来的装置。该装置可以是燃料电池、太阳能电池、风力发电机和电池、燃烧热能发电机和电池、地热能发电机和电池、潮汐能发电机和电池或水力发电机电池。该装置可将分布于或运输至用户处的能源(能量)，如燃料能、太阳能、风能、热能、化学能等各种能量转化为电能并贮存起来。目前，一种比较好的能源转化和储存装置就是电池，它可将化学能、燃烧能转化为电能，而燃料电池是目前可首选的电池。燃料电池最常用的燃料目前仍来自于石油、天然气、煤炭等，燃料电池由氧和氢气作用转化为电能，并合成为水，清洁方便。而氧和氢可以有多种发生形式，方便运输、贮存。随着技术的发展，燃料电池的成本也将大大降低，氢氧分解的途径将大大简化，如对水的分解问题将可能彻底解决人类能源的问题，燃料电池发电将可行。另外应该大加利用的能量是太阳能，本发明涉及的能源系统将要求对太阳能和太阳能电池利用研究不断深化，因为太阳能的来源是无成本且分布式而随地可得。当然，最可行、最有效的方法是多种能源形式相互补充，共同作为本发明涉及的分布能源系统在用户终端的能量来源。
b)、可编程逆变器是可将能源转化装置转化或贮存的直流电形式逆变为可供各种用户设备使用的各种形式电源，如各种电压的直流电、各种电压、频率的正弦交流电和其它波形、频率的电源。本发明涉及的可编程逆变器的特征是可编程、可组态，即用户可以按用电设备的规格要求从编程控制中心下载逆变器控制程序。可编程逆变器运行该控制程序即可输出频率、电压符合用电设备要求的电源。该逆变器有以下特点参见图3，该可编程逆变器可有多个固定的输出端口模块，但每个输出模块都可通过下载不同的逆变控制程序输出特性不同的电源。该可编程逆变器拥有多个可更换的输出模块组成输出端口，并可重新组态，即用户可通过更换输出模块和下载不同的程序构成一个或多个不同功能和输出特性的电源。该可编程逆变器可有标准采样系统，即0-5V或4-20mA标准A/D输入口，非标准输入将可由转换装置转化为标准输入。采样系统也是模块式的，即可更换、可扩展和重组的。具有以上几个特点的逆变器可视为一个闭环的控制系统，它将可驱动多种复杂和高精度的用电装置。
二)、编程控制中心编程控制中心计算机贮存大量逆变器逆变算法程序、控制程序，可根据用户的设备规格的要求向用户终端设备发送满足用户用电设备性能要求的各类控制程序，并可采样用户数据，供整个系统的维护、调度、管理之用。编程控制中心可由专业的电机、电力、电子、控制专家进行编程和维护。
三)、远程数据传输网络数据传输网络将各个编程控制中心和用户终端设备连接成一个整体的数据网络，它可以是目前的INTERNET互联网，也可以是各类局域远程数据传输系统。其功能是传输数据、控制用户终端装置，使分布在一个广大区域中的所有用户终端装置都能合理、精确、高效、安全地运行。
四)、局域电力传输网络该网络是连接数量较小的m个用户终端设备的小型电力传输线网络，该网络在整个系统中可以有很多个。其原则是传输网络规模较小、传输能力较低，仅仅是在m个用户终端中传输多余的电力，使m个用户在小区域内共享多余的能源能力。
图4、图5、图6、图7、图8列举了多种形式的可编程逆变器电源转化、逆变模块的主电路结构，其共同特征是a)、转化、逆变前的电能来自于贮能装置，为直流形式。
b)、可编程控制单元由单片机(如MCU、DSP等)构成控制电路，运行逆变和控制程序，控制半导体开关元件的开关波形。
c)、图中K(含K1、K2、K3、K4、K5、K6)指晶体管(GTR)、可自关断晶闸管(GTO)、IGBT、大功率MOS管等各类半导体开关元件。
图4所示是一种D C-D C转换电路组成的直流电源输出模块的主电路，即将初级的直流电变换成多路相同或不同电压的直流电。
图5所示的是一种驱动直流电机的直流电源输出模块的主电路原理图，可通过对直流脉冲宽度的调节连续调节电机的转速。
图6、图7所示的是两种单相交流可编程逆变器的电路原理图，它们可将初级直流电流升压并逆变成单相交流电源供单相交流有电设备使用。
图8所示的是一种三相交流可编程逆变器的电路原理图。
权利要求
1.一种分布式可编程能源系统，其特征在于它包含(1)、分布在n个(n＝1～∝)电能源使用地的能源发生地；(2)、分布在各能源发生地的能源转化及贮存装置和可编程逆变器组成的用户终端设备；(3)、连接m个(m＝n)用户终端设备的局域电力网；(4)、对用户终端设备进行组态、编程控制和管理的L个(L≥1)编程控制中心；(5)、连接上述用户终端设备和编程控制中心的远程数据传输网络。
2.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征是在于上述能源转化及贮存装置是燃料电池、太阳能电池、风力发电机和电池、燃烧热能发电机和电池、地热能发电机和电池、潮汐能发电机和电池或水力发电机电池。
3.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征是在于上述可编程逆变器包括由可编程控制电路和DC-DC转换电路组成的直流电源输出模块和由可编程控制电路和DC-AC逆变电路组成的交流电源输出模块；
4.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征是上述DC-AC可编程逆变器是单相交流可编程逆变器或三相交流可编程逆变器。
5.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征是上述可编程逆变器包括至少一个可组态、可更换的电源输出模块，并有至少一个标准模拟输入口、开关量输入口和开关量输出口。
6.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征在于上述远程数据传输网络是INTERNET互联网或局域远程数据传输系统。
7.根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统，其特征在于上述系统是独户时，连接m个(m＝n)用户终端设备的局域电力传输网络是省略的。
8.一种根据权利要求1所述的分布式可编程能源系统的利用方法，其特征在于a、建立根据上述权利要求1所述的分布式可编程能源系统；b、用能源转化及贮存装置将分布于用户处的能源转化为电能；c、用户终端设备根据用电设备规格要求，通过远程数据传输网络从编程控制中心下载逆变器运行控制程序；d、启动可编程逆变器，将能源转化及贮存装置储存的电能逆变为可供使用的电源；e、通过小型的局域电力传输网络在合理数量的用户终端之间共享能源；f、可编程控制中心为整个系统提供编程服务和管理。
9.根据权利要求8所述的分布式可编程能源系统的利用方法，其特征在于上述能源在使用时被转化为电能或在使用前被转化为电能储存。
10.根据权利要求8所述的分布式可编程能源系统的利用方法，其特征在于上述能源是太阳能、燃料能、风能、势能、热能、化学能、地热能或潮汐能。
全文摘要
一种分布式可编程能源系统及其利用方法，它包含分布在n个电能源使用地的能源发生地、分布在各能源发生地的能源转化及贮存装置和可编程逆变器组成的用户终端设备、连接m个用户终端设备的局域电力网、对用户终端设备进行组态、编程控制和管理的L个编程控制中心、连接用户终端设备和编程控制中心的远程数据传输网络。该系统可以综合利用各种能源，通过可远程下载控制程序的用户终端设备将分布式的能源就地转化成各种电源。不需要投资巨大、损耗巨大的远程输配电系统，需要传输的只是数据。本发明将大大提高可利用能源的利用率，并大大降低能源使用成本，促进用电设备的标准化，使电力的转化和控制更精确、更专业化，亦解决了电能即用即发的问题。
文档编号G05B19/05GK1753271SQ200510200619
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者姚亦鸣, 姚幼鸣 申请人:姚亦鸣