一种可实现分布式电源与负载匹配的能量管理方法

摘要

本发明属于智能电网技术领域，涉及一种可实现分布式电源与负载匹配的能量管理方法，采用一种可实现分布式电源并网管理、以及分布式电源与负载优化匹配运行的装置，称之为电能路由器，方法如下：控制单元将空闲的负载端口与市电专用端口连接，当不具有无线通信功能的负载通过负载端口连接到电能路由器时，首先由市电供电，控制单元通过信号检测与电能计量模块检测其工作特性；控制单元对各个电源和负载进行匹配分析，通过开关阵列模块将对应的电源和负载连接并供电；当某分布式电源能满足多个负载同时工作的要求时，控制单元控制开关阵列模块将该分布式电源与对应的多个负载连接并供电。本发明能够实现电源与负载的最优化匹配。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可实现分布式电源与负载匹配的能量管理方法，属于智能电网中的分布式可再生电源 利用领域。

背景技术

未来的智能电网中，将存在大量的分布式可再生能源（光伏、风电、燃料电池等），用来起到节能减 排、缓解市电用电高峰的作用。但是，目前在分布式能源的利用方面仍存在以下亟待解决的问题：1）大 量分布式可再生能源的存在使得大电网与各种分布式电源之间产生了复杂的双向潮流，对电网的运行与管 理造成多方面影响；2）分布式电源由于受到地域和天气的影响，在供电能力和电能质量方面具有明显的 不确定性，而现有的技术与设备不能保证这些电能得到充分利用。

造成这种情况的一个重要原因在于，现有的面向可再生能源利用的技术与设备不能充分适应智能电网 的要求。一方面，大量的分布式电能未经过IEC 61850标准所规定的“电气接入节点”就直接并网，给电 网的监控和管理带来很多困难，传统保护和计量装置也因不支持双向潮流而面临淘汰；另一方面，现有的 并网逆变器在信息和控制方面的功能都比较弱，均不支持任何工作模式及运行参数的在线调节。为了保证 输出电压满足并网要求，现有的并网逆变器对输入电压有严格的限制。当可再生能源的输出电压低于逆变 器的输入电压设定值时，并网逆变器就停止工作，因而造成可再生能源的严重浪费。

实际上，各种负载对于电源的输入电压及电能质量的要求是不同的。例如低压照明负载和直流负载（电 脑、电池充电器等），其驱动电路以及电源适配器（开关电源）的输入电压都远低于市电标准，对电能质 量也没有特别要求。即使逆变器输出的电能不满足并网要求，仍可对这些负载供电。因此，只要建立一个 电源与负载协调运行的配电网络，实现电源与负载的匹配运行，就能够有效解决上述问题，提高可再生能 源的利用率。

发明内容

本发明属于智能电网技术领域，涉及一种可实现分布式电源与负载匹配的能量管理方法，采用一种可 实现分布式电源并网管理、以及分布式电源与负载优化匹配运行的装置，称之为电能路由器，方法如下： 控制单元将空闲的负载端口与市电专用端口连接，当不具有无线通信功能的负载通过负载端口连接到电能 路由器时，首先由市电供电，控制单元通过信号检测与电能计量模块检测其工作特性；控制单元对各个电 源和负载进行匹配分析，通过开关阵列模块将对应的电源和负载连接并供电；当某分布式电源能满足多个 负载同时工作的要求时，控制单元控制开关阵列模块将该分布式电源与对应的多个负载连接并供电。本发 明能够实现电源与负载的最优化匹配。

本发明的目的在于提出一种电能路由器及其能量管理方法，用以实现各种分布式电源与负载的最优化 匹配，从而建立一个能效更高、供需更加平衡的智能化配电网络。本发明是通过以下技术方案加以实现的：

一种可实现分布式电源与负载匹配的能量管理方法，采用一种可实现分布式电源并网管理、以及分布 式电源与负载优化匹配运行的装置，称之为电能路由器，包括：包括控制单元、无线模块、信号检测与电 能计量模块、开关阵列和路由器端口，其中，

所述的路由器端口包括多个电源端口和多个负载端口，每一个端口具有唯一的端口号，每个电源端口 可连接一个单相电源或三相电源中的一相，每个负载端口可连接一个单相负载或三相负载中的一相，所述 的电源端口包括市电专用电源端口和多个普通电源端口，通过所述的开关阵列可将这些端口连接起来；

所述的信号检测与电能计量模块，设置在路由器端口与开关阵列的连接处，包括多个电源信号检测与 电能计量端口和多个负载信号检测与电能计量端口；每个电源信号检测与电能计量端口和负载信号检测与 电能计量端口均包括电流检测单元、电压检测单元和电能信息处理单元，电流检测单元用于检测与其相连 的电源端口或负载端口的电流，电压检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电压，两个单元 的检测信号被送入电能信息处理单元，电源信号检测与电能计量端口的电能信息处理单元根据输入的检测 信号计算出与其相连的电源的电能质量和供电量信息，并传输给控制单元，负载信号检测与电能计量端口 的电能信息处理单元根据输入的检测信号计算出与其相连的负载的用电特性和耗电量，并传输给控制单 元；

所述的开关阵列上的开关由控制单元控制；

所述的无线模块与控制单元连接，用于实现电能路由器与连接到普通电源端口或负载端口的各个具有 无线通信功能的电源及负载之间的通信；

所述的控制单元，根据通过电源信号检测与电能计量端口采集的或通过无线模块获取的与普通电源端 口相连的电源的电能质量信息,并根据通过负载信号检测与电能计量端口采集的或通过无线模块获取的与 负载端口相连的负载的用电特性，来进行连接到普通电源端口的电源的供电能力与连接到负载端口的负载 的用电特性的匹配，通过开关阵列实现相匹配的各个电源与负载之间的连接或切换，并在电源通过电能路 由器向负载供电的过程中进行用电计量；

利用此种电能路由器实现的能量管理方法如下：

1）分布式电源的并网逆变器若具有无线通信功能，在首次连接到电能路由器的电源端口时，要通过 无线模块向控制单元提供分布式电源的供电信息（包括电源类型、供电电压和供电电流等），用于建立电 源信息库；

2）负载若具有无线通信功能，在首次连接到电能路由器的负载端口时，要通过无线模块向控制单元 提供负载信息（包括负载类型、额定电压和额定电流等），用于建立负载信息库；

3）分布式电源的并网逆变器若具有无线通信功能，在连接到电能路由器的电源端口时，要通过无线 模块向控制单元提供即时的供电信息（即时电压、即时电流和预计持续时间等），用于并网管理、匹配负 载以及电源的运行监控；

4）负载若具有无线通信功能，当负载连接到电能路由器时，要通过无线模块向控制单元提供即时的 用电需求信息（输入电压、功率、预计用电时间等），用于电源匹配以及负载的运行监控；

5）分布式电源的并网逆变器若不具有无线通信功能，在连接到电能路由器的电源端口时，控制单元 通过信号检测与电能计量模块获取其即时的供电信息，用于并网管理、匹配负载以及电源的运行监控；

6）控制单元将空闲的负载端口与市电专用端口连接，当不具有无线通信功能的负载通过负载端口连 接到电能路由器时，首先由市电供电，控制单元通过信号检测与电能计量模块检测其工作特性，用于电源 匹配以及负载的运行监控；

7）控制单元对各个电源的运行状态、供电信息、负载的用电需求或工作特性进行分析和匹配，若某 个电源的供电质量和输出功率均能够满足某个负载要求时，控制单元通过开关阵列模块将对应的电源和负 载连接并供电；

8）当某分布式电源能满足多个负载同时工作的要求时，控制单元控制开关阵列模块将该分布式电源 与对应的多个负载连接并供电；

9）一个电源可以同时向两个或两个以上的负载供电，但一个负载不能同时接受两个或两个以上的分 布式电源的供电。

作为优选实施方式，所述的电能路由器的普通电源端口或者用于连接分布式电源，或者用于连接蓄电 池系统的供电端口；所述的电能路由器的负载端口或者用于连接普通的电气负载，或者用于连接蓄电池系 统的充电端口，所述的能量管理方法还包括：当接入电能路由器的分布式电源能够满足负载的要求时，控 制单元优先利用分布式电源向该负载供电，当分布式电源不能满足负载的用电需要时，控制单元优先利用 蓄电池系统，通过选通开关阵列的相应开关，使得蓄电池系统对负载供电；当蓄电池系统不能满足负载的 用电需要时，控制单元利用市电为负载供电；当某分布式电源没有与之匹配的负载时，控制单元通过开关 阵列将该分布式电源的电源端口接至蓄电池充电端口，使其为蓄电池充电，此时，蓄电池供电端口不能与 蓄电池充电端口连接；当分布式电源没有与之匹配的负载，且蓄电池已充满或未连接蓄电池时，电能路由 器将分布式电源端口与市电专用端口连接，实现并网输出电能。

所述的路由器端口的连接方式应当为：不同的普通电源端口之间不互相连接，不同的负载端口之间不 互相连接，每个普通电源端口通过开关阵列可与市电专用端口相连，用于使除市电外的电源能够实现并网 供电；每个电源端口通过开关阵列可与负载端口相连；对于所述的负载端口，能够实现下列的连接：单相 电源只能与单相负载相连，三相电源的各相必须与三相负载的各相对应连接；三相电源可与单相负载连接， 但不能将所有单相负载都连接到三相电源中的某一相；

本发明提出的能量管理方法，用以实现电源与负载的最优化匹配运行。其优点在于：1）能够更加充 分合理地利用再生能源，缓解市电的用电高峰；2）便于对分布式可再生能源进行有效的监控与管理，提 高电网运行的稳定性与可靠性。

附图说明

附图1是电能路由器的硬件结构；

附图2是适用于单相电源和负载的开关阵列和信号检测与电能计量模块的结构图；

附图3是信号检测与电能计量端口的结构图，及其与路由器端口和开关阵列的连接方式；

附图4是可连接三相电源和负载、以及单相电源和负载的开关阵列和信号检测与电能计量模块的结构 图；

附图5是电能路由器的典型应用，假设电能路由器有4个电源端口和4个负载端口；

附图6是电源接入电能路由器和从电能路由器断开时控制单元的操作过程；

附图7是配有无线通信模块的负载接入电能路由器和从电能路由器断开时的操作过程；

附图8是未配备无线通信模块的负载接入电能路由器和从电能路由器断开时的操作过程。

具体实施方式

下面结合附图作详细说明本发明的工作原理。

首先介绍本发明所采用的核心部件--电能路由器。

参见图1，本实施例的电能路由器的硬件包括控制单元、无线模块、信号检测与电能计量模块、开关 阵列和路由器端口，还包括一些无线模块、以太网模块、人机界面模块等（其中的以太网模块和人机界面 模块不包含在实现本发明的电能路由器的必要技术特征内）。电源端口分为市电专用端口与普通电源端口， 后者用于连接分布式电源或者蓄电池系统的供电端口。控制单元与无线模块、以太网模块、人机界面模块、 信号检测与电能计量模块、开关阵列连接，用于实现能量管理、数据传输和针对电能路由器各功能模块的 监控功能。

路由器端口包括多个电源端口和多个负载端口，每一个端口具有唯一的端口号，每个电源端口可连接 一个单相电源或三相电源中的一相，每个负载端口可连接一个单相负载或三相负载中的一相，所述的电源 端口包括市电专用电源端口和多个用于连接分布式电源和蓄电池的普通电源端口，通过所述的开关阵列可 将普通电源端口与市电端口连接起来，以实现分布式能源的并网发电。

参见图2，信号检测与电能计量模块设置在路由器端口与开关阵列的连接处，用于对应端口的电流、 电压检测和电能计量，但不影响路由器端口与开关阵列的连接。设电能路由器有N个电源端口和M个负载 端口，则信号检测与电能计量模块包括N个电源信号检测与电能计量端口和M个负载信号检测与电能计量 端口，各个电源信号检测与电能计量端口分别位于所对应的电源端口与开关阵列的连接处，并与控制单元 相连，各个负载信号检测与电能计量端口分别位于所对应的负载端口与开关阵列的连接处，并与控制单元 相连。

参见图3，每个电源信号检测与电能计量端口和负载信号检测与电能计量端口均包括电流检测单元、 电压检测单元和电能信息处理单元，电流检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电流，电压 检测单元用于检测与其相连的电源端口或负载端口的电压，两个单元的检测信号被送入电能信息处理单 元，电源信号检测与电能计量端口的电能信息处理单元根据输入的检测信号计算出与其相连的电源的电能 质量和供电量信息，并传输给控制单元，负载信号检测与电能计量端口的电能信息处理单元根据输入的检 测信号计算出与其相连的负载的用电特性和耗电量，并传输给控制单元；对于配有无线通信模块的并网逆 变器（连接到电能路由器的普通电源端口）及负载，还可通过无线模块向电能路由器传输电源的供电信息 （包含运行状态、输出电压、电流、频率、供电质量等）或负载的工作特性（运行状态、输入电压、电流 等）。

对于图2中的适用于单相电源和负载、且具有N个电源端口和M个负载端口的电能路由器，开关阵列 包括（M*N＋N－1）个开关；每个电源端口都连接M个开关，用来与每个负载端口连接；市电专用端口还 通过N－1个开关与普通电源端口连接，用于实现分布式电源并网供电。

图4中的电能路由器具有一个三相市电端口、一个三相普通电源端口、两个三相负载端口和六个单相 负载端口，开关阵列包括(M-1)*N/2个开关。其中三相市电端口和三相普通电源端口都可通过开关与两个 三相负载端口连接；此外，三相市电端口和三相普通电源端口的每一相都可通过开关与两个单相负载端口 连接。

本发明中，不同的普通电源端口之间不互相连接，不同的负载端口之间不互相连接，每个普通电源端 口通过开关阵列可与市电专用端口相连，用于使除市电外的电源能够实现并网供电；每个电源端口通过开 关阵列可与负载端口相连。对于所述的负载端口，能够实现下列的连接：单相电源只能与单相负载相连， 三相电源的各相必须与三相负载的各相对应连接；三相电源可与单相负载连接，但不能将所有单相负载都 连接到三相电源中的某一相。

本发明的电能路由器所能实现的能量管理功能如下：

1）控制单元根据电源信号检测与电能计量端口所采集的或无线模块所获取的与普通电源端口相连的 电源的供电状况，并根据负载信号检测与电能计量端口所采集的或无线模块所获取来的与负载端口相连的 负载的用电特性，来进行普通电源的供电能力与负载用电特性的匹配（若与普通电源端口或负载端口相连 的电源或负载具有以太网端口，还可以通过以太网端口获取电源供电状况或负载用电特性），通过开关阵 列实现各个电源与负载之间的连接或切换；

2）控制单元控制电能路由器中其他模块的运行；无线模块与控制单元连接，用于实现电能路由器与 电源、负载之间的通信；以太网模块与控制单元连接，用于连接电能路由器与微电网的信息系统；人机界 面模块与控制单元连接，用于实现各种人工操作（参数设置、状态及数据查询等）；

3）信号检测与电能计量模块设置在路由器端口与开关阵列的连接处，并与控制单元连接，其作用是： （1）检测连接到电能路由器端口的电源的供电状况和负载的用电特性并传输给控制单元，（2）在负载和 电源与电能路由器连接过程中进行用电计量并传输给控制单元；

4）开关阵列与控制单元和路由器端口连接，用于实现电源与负载之间的连接或切换，以及分布式电 源与市电之间的连接或断开。

需要注意的是，在实际实施本发明的时候，分布式电源和蓄电池都需要通过逆变器才能连接到本发明 的电能路由器，且蓄电池的逆变器是双向的。这里所说的连接分布式电源和蓄电池系统供电端口的电源端 口以及连接蓄电池系统充电端口的负载的口都没有提及逆变器，本发明的电能路由器只是配置了连接这几 种电源的端口，但并没有配置相应的逆变器。

采用本发明的电能路由器可以实现的能量管理方法包括：

1）分布式电源的并网逆变器在首次连接到电能路由器时，要通过无线模块向控制单元提供电源信息 （包括电源类型、额定电压、电流等），用于建立电源信息库；

2）负载在首次连接到电能路由器时，要通过无线模块向控制单元提供负载信息（包括负载类型、额 定电压、电流等），用于建立负载信息库；

3）当分布式电源的并网逆变器连接到电能路由器时，要向控制单元提供即时的供电信息（电压、电 流、预计持续时间等），用于并网管理、匹配负载以及电源的运行监控；

4）当负载连接到电能路由器时，要向控制单元提供即时的用电需求信息（输入电压、功率、预计用 电时间等），用于电源匹配以及负载的运行监控；

5）当未配备无线模块的电源逆变器连接到电能路由器时，控制单元通过检测模块获取其即时的供电 信息，用于并网管理、匹配负载以及电源的运行监控；

6）控制单元将空闲的负载端口与市电连接，当未配备无线模块的负载连接到电能路由器时，首先由 市电供电，控制单元通过检测模块检测其工作特性，用于电源匹配以及负载的运行监控；

7）控制单元对电源的运行状态、供电信息、负载的用电需求或工作特性进行分析和匹配，当电源的 供电质量和输出功率均能够满足负载要求时，控制单元通过开关阵列模块将对应的电源和负载连接并供 电；

8）当接入电能路由器的分布式电源能够满足负载的要求时，控制单元优先利用分布式电源向该负载 供电，当分布式电源不能满足负载的用电需要时，控制单元优先利用蓄电池后备电源对负载供电，蓄电池 后备电源不能满足负载的用电需要时，控制单元利用市电为负载供电；

9）当某分布式电源能满足多个负载同时工作的要求时，控制单元控制开关阵列模块将该电源与对应 的多个负载连接并供电；

10）蓄电池的电源输出端口和充电端口可分别作为电源和负载连接到电能路由器，当分布式电源没有 与之匹配的负载时，控制单元通过开关阵列将其接至蓄电池端口为蓄电池充电，但蓄电池的电源输出端口 不能与蓄电池的充电端口连接；

11）当分布式电源没有与之匹配的负载，且蓄电池已充满或未连接蓄电池时，电能路由器将分布式电 源与市电端口连接，实现并网输出电能；

12）一个电源可以同时向两个或两个以上的负载供电，但一个负载不能同时接受两个或两个以上的可 再生能源的供电。

参见图5所示的8个端口的电能路由器（包括4个电源端口和4个负载端口），以及各种电源与负载 的连接。市电、光伏逆变器、风电逆变器、蓄电池逆变器（供电端口）分别接在电源侧的端口1～4，照明、 空调、笔记本、蓄电池逆变器（充电端口）分别接在负载侧的端口5~8。该电能路由器的开关阵列如附图 2所示，电源侧的端口1~4分别通过开关1~16与负载侧的端口5~8连接。

参见图6-图8，本发明的电能路由器进行能量管理的具体实施过程如下：

1.考虑照明用电的情况，假设照明负载没有无线通信功能。

1）当负载侧的端口5的检测模块检测到负载后，向控制单元发出新负载接入通知；

2）控制单元通过无线模块查询，但未收到应答，因此需通过检测模块检测负载特性，将该信息存入 负载信息库；

3）控制单元通过无线通信模块或检测模块查询电源的供电情况，判定市电、光伏发电、风电、蓄电 池电源均能够为照明设备供电。依据优先利分布式电源的原则，控制单元通过断开开关阵列的开关4，闭 合开关12，将风电电源与照明负载接通，利用风电为照明供电；

2.考虑光伏电源，假设光伏逆变器配备无线通信模块。

此时光伏电源未连接负载，控制单元查询蓄电池的储能情况，如需要进一步充电，则将开关阵列的开 关5闭合，利用光伏发电为用蓄电池充电；如蓄电池已充满，则接通开关19，将光伏电源连接到市电，实 现并网。

3.考虑空调用电，假设空调配备无线通信模块。

当负载侧的端口6的检测模块检测到接到空调连接后，向控制单元发出负载接入通知，控制单元通过 无线模块与空调通信，查询并接收到负载信息，将该信息存入负载信息库，通过查询电源供电状态，控制 单元判定当前情况下只有市电满足条件，因此开关状态不便，仍利用市电为空调供电。

4.考虑笔记本电脑用电，假设其配备无线通信模块。

当负载侧的端口7的检测模块检测到接到该端口的负载后，向控制单元发出新负载接入通知，控制单 元通过无线模块查询并接收到负载信息，将该信息存入负载信息库。通过查询电源供电状态，控制单元判 定市电、光伏发电、蓄电池电源均能够为笔记本电脑供电，控制单元通过断开开关阵列的开关2，闭合开 关6，将光伏发电电源与笔记本电脑接通，利用光伏发电为笔记本电脑供电。

5.考虑可再生能源供电能力发生变化的情况。

假设此时光伏的供电能力趋近于零（因环境原因），风电系统仍具备一定的供电能力。

由于光伏系统已不具备供电能力，光伏逆变器停止工作。控制单元通过端口2的检测模块得知光伏发 电装置已断开，将光伏发电信息从当前电源信息库中删除。再通过查询电源供电状态，得知此时风电能够 满足笔记本电脑的电能供应，控制单元通切断开关6，闭合开关9，将风电与笔记本电脑接通，利用风电 为笔记本电脑和照明同时供电。