基于多电源‑多电压等级负荷家用智能能量路由器装置的制作方法

本发明涉及一种基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置，属能源互联网电能变换技术领域。

背景技术：

与传统电网集中式能量分配与调度，能量只能从电网到用户单向流动的运行模式不同，在能源互联网中，能源能够以peer-to-peer的形式在市场上进行自由对等的交易和兑换，用户即是能源消费者又是能源的供应者。这种开放式的能源交互，对能源互联网能源的接入、控制和传输提出了挑战。借鉴Internet交换设备概念，设计能源路由器将其作为能源生产、消费、传输基础设施的接口，实现不同能源载体的输入、输出、转换及存储。

能源路由器由电力电子变换及储能单元、通信单元和决策控制单元三部分组成。能源路由器对局域网间以及局域网内部的能量流进行实时监控和信息收集，并通过信息通道及时反馈能量流状态。控制单元根据反馈信息，控制电力电子变换器或储能装置进行相应的能量转换和存储动作，保证能量高质量、高可靠性流动，实现多个分布式能源网间的能量交换、路由管理和同一局域网内的风光储及载荷协同消纳。

伴随家庭用电电能质量要求的提高，供电可靠性要求越来越高，能量路由器作为多能源接入装置，通过能量的优化调度，以电价最低为约束条件，能量路由器是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量的高效利用和传输的电力装备。电力电子变换技术使能量路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流量的直流或交流形式等。能量路由器不但可以从主干配电网获取能量传递给终端用户，同时在子网的发电量过剩时，可将多余的能量回馈给主干网。此外，能量路由器还应具有局域网内部能量整合和协调分配的能力，即子网内的能量多向自由流动。然而，并非所有的端口都必须具备功率双向流动能力，专门与负载相连的接口，只需能量输出功能即可；对于专门的分布式能源接口，则只需要功率吸收能力，并且为了充分利用分布式能源，其接口还需具备最大功率跟踪（MPPT）功能；而对于连接储能设备的接口，往往需要能量双向流动能力。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了拓宽能量路由器的局域网内部能量整合和协调分配能力，本发明提出一种基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置。

实现本发明的技术方案为，基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置包括能量路由器、MPPT最大功率跟踪DC-DC模块、储能双向DC-DC模块、发电机AC-DC模块、分布式光伏电池、燃气发电机、静态开关QF1、QF2和实时调度顶层服务器。

所述能量路由器的输入端通过静态开关QF1连接380伏交流电网；分布式光伏电池输出连接MPPT最大功率跟踪DC-DC模块；储能设备连接储能双向DC-DC模块；燃气发电机输出连接发电机AC-DC模块；MPPT最大功率跟踪DC-DC模块输出端和发电机AC-DC模块输出端连接储能双向DC-DC模块；储能双向DC-DC模块双向连接能量路由器；能量路由器的输出端分别连接充电桩模块、220/380V输出交流端口、5/24V输出交流端口。静态开关QF2一端连接380V交流电网端，一端连接能量路由器的交流电压输出端，用于用户直接使用电网电源，将能量路由器旁路。

所述能量路由器的ARM+FPGA核心控制单元连接实时调度顶层服务器；核心控制单元接收实时调度顶层服务器下发的命令，向实时调度顶层服务器发送用电的状态采集数据。

所述能量路由器包括隔离变压器、AC-DC整流模块、DC-AC逆变模块和ARM+FPGA核心控制单元。隔离变压器、AC-DC整流模块和DC-AC逆变模块三级变换器串联连接；ARM+FPGA核心控制单元分别连接隔离变压器、AC-DC整流模块和DC-AC逆变模块，对它们进行控制；ARM+FPGA核心控制单元还控制MPPT最大功率跟踪DC-DC模块、储能双向DC-DC模块和发电机AC-DC模块；ARM+FPGA核心控制单元还控制输出直流电压和输出的交流电压。

所述隔离变压器实现了能量路由器与市电的隔离，将原来常用的三级拓扑结构简单化，实用化，通过隔离变压器不仅降低了成本，而且减少了装置的整体成本，同时隔离变压器可以实现能量的双向流动，同时减少了能量回馈时，对电网的影响。

所述AC-DC整流单元为双向能量流动控制，在其输出侧直流母线与蓄电池DC-DC单元、光伏电池DC-DC单元、发电机AC-DC单元并联，其中蓄电池DC-DC单元实现电池的充放电功能，光伏电池DC-DC单元实现光伏的MPPT功能，发电机AC-DC单元实现直流并网，蓄电池DC-DC单元输出直流电压作为直流母线电压控制，其中该装置母线电压设定值为650V。

所述ARM+FPGA控制单元通过实时计算电网电价及天然气电价，实现对光伏电池DC-DC单元、发电机AC-DC单元、蓄电池DC-DC单元、QF1、QF2下发指令，以电价最低为约束条件进行统一调度。

所述DC-AC整流单元，为单向能量输出单元，将直流电压逆变为交流380V，然后通过输出变压器分别变压为380V、220V、24V、5V电源，实现家庭各类交流电压的全覆盖，从而减少家用充电器变压环节的能量损失。

本发明的有益效果是，本发明能量路由器装置是一个开放式的能量载体，不仅能够实现变压功能，还能提供各种电能形式的标准化接口，能实现包括分布式发电装置在内的各种交直流电力设备的接入；能够对各端口的电压电流进行实时控制，实现能量管理、潮流调度等电网需求。本发明能量路由器装置的动态特性良好，具有应对短路故障、完成低压穿越等功能；能完成电网数据的采集，为更大范围内能源互联网的运行策略提供大数据依据。

附图说明

图1为本发明能量路由器装置的整体结构框图；

图2为实时调度顶层服务器结构示意图；

图3为输出变压器结构示意图；

图4为本发明装置控制策略示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式如附图所示。

图1为本实施例基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置的结构示意图。基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置包括能量路由器、MPPT最大功率跟踪DC-DC模块、储能双向DC-DC模块、发电机AC-DC模块、分布式能源光伏电池、燃气发电机、静态开关QF1、QF2和实时调度顶层服务器。

实时调度顶层服务器结构如图2所示；能量路由器的交流电压输出如图3所示。

本实施例基于多电源-多电压等级负荷家用智能能量路由器装置的控制策略如图4所示。装置的控制策略如下：

（1）装置启动之后进入自检状态，如果装置有故障则，首先切入市电，此时QF2投入，QF1断开；其次在装置自检无故障的情况下，QF1投入，QF2断开。

（2）调度层控制策略：

（A）电价、煤气价作为实时价格输入FPGA+ARM控制器中，首先判断电价与煤气价格的关系，如果电价小于煤气发电的价格，同时在白天，说明此时为用电低谷，此时优先使用煤气发电机满功率发电，同时光伏电池板也最大功率跟踪发电，蓄电池作为负荷瞬时投切的能量调节，如果此时负荷大于发电量，再考虑使用市电，如果负荷小于发电量，蓄电池已经充满的情况下，能量反馈电网；在晚上，说明此时为用电低谷，此时优先使用市电，同时蓄电池作为负荷瞬时投切的能量调节。

（B）如果电价大于煤气发电的价格，同时在白天，说明此时为用电高峰，此时优先使用煤气发电机满功率发电，同时光伏电池板也最大功率跟踪发电，蓄电池作为负荷瞬时投切的能量调节，如果此时负荷大于发电量，再考虑使用市电，如果负荷小于发电量，蓄电池已经充满的情况下，能量反馈电网；在晚上，说明此时为用电高峰，此时优先煤气发电机满功率发电，同时蓄电池作为负荷瞬时投切的能量调节，实时调度实现电价最低为最终目标。

（3）控制层策略，AC-DC整流模块、DC-AC逆变模块、MPPT最大功率跟踪DC-DC模块、储能双向DC-DC模块、均为IGBT桥臂实现，控制层以直流母线电压稳定在650V为最终目标，首先通过蓄电池电压支撑650V直流母线电压，在直流母线电压低于650V时，输出能量小于输入能量，如果母线电压大于650V说明，输出能量大于输入能量，蓄电池作为直流母线瞬时调节，将输入功率与输出功率及时反馈调度层，实现能量的实时平衡。