一種多能種能源互聯(lián)路由器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源與電氣工程領(lǐng)域，尤其涉及一種多能種能源互聯(lián)路由器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，在信息互聯(lián)網(wǎng)中，路由器是實(shí)現(xiàn)信息分配的關(guān)鍵裝置，可實(shí)現(xiàn)信息的雙向流動(dòng)，并且將不同用戶相連接。近年來(lái)，“能源互聯(lián)網(wǎng)”逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。2015年，我國(guó)政府工作報(bào)告中首次提出將制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，而新一輪電改方案的發(fā)布，更激起了人們對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的期待。我國(guó)初步計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)，以推動(dòng)綠色可再生能源的廣泛利用，提高能源綜合利用效益。目前常用的能源有多種類型，比如煤、石油、天然氣、太陽(yáng)能、電能、水能、風(fēng)能等。其中具有不同頻率、電壓等級(jí)的電能已可通過(guò)電力電子變換器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，電力電子變換器起著電能路由器的作用。但到目前為止，不同類型能源之間僅能實(shí)現(xiàn)單向連接，如風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)換、電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換或反之等，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同類型能源的互聯(lián)。
[0003]在一個(gè)社區(qū)、單位甚至小到某一家庭，都可能同時(shí)有多種能源供應(yīng)，如用油或天然氣供暖、由電能供應(yīng)壓縮機(jī)、制冷機(jī)等電器設(shè)備。此時(shí)，兩種或多種能源的供應(yīng)鏈?zhǔn)遣⑿歇?dú)立的，這種運(yùn)行模式不利于能源的綜合利用和效益優(yōu)化。因此，亟須發(fā)明一種裝置，將多種不同類型的能源進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)單輸入多輸出或多輸入多輸出且雙向能量分配與管理等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種多能種能源互聯(lián)路由器及其控制方法，能夠?qū)⒉煌N類的能源實(shí)現(xiàn)有效互聯(lián)。
[0005]技術(shù)方案:一種多能種能源互聯(lián)路由器，其特征在于:包括多端口電機(jī)，能源轉(zhuǎn)換器、第一雙向電力電子變換器、控制器;所述多端口電機(jī)包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、定子以及位于內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子之間的外轉(zhuǎn)子，所述定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子以及外轉(zhuǎn)子上均分別設(shè)有繞組;所述能源轉(zhuǎn)換器用于將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，所述能源轉(zhuǎn)換器的機(jī)械能輸出端連接所述內(nèi)轉(zhuǎn)子，所述外轉(zhuǎn)子連接機(jī)械負(fù)載;所述定子上設(shè)有第一繞組，所述第一繞組通過(guò)第一雙向電力電子變換器連接到公共電網(wǎng)，所述控制器分別連接能源轉(zhuǎn)換器和第一雙向電力電子變換器的控制端。
[0006]進(jìn)一步的，所述多能種能源互聯(lián)路由器還包括第二雙向電力電子變換器，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子上設(shè)有第二繞組;所述內(nèi)轉(zhuǎn)子上的第二繞組通過(guò)第二雙向電力電子變換器連接到新能源系統(tǒng)和儲(chǔ)能單元，所述第二雙向電力電子變換器的控制端連接所述控制器。
[0007]多能種能源互聯(lián)路由器的控制方法，能源側(cè)到負(fù)載側(cè)的能量傳輸方式包括如下三種控制方法:
[0008]控制方法1:控制器通過(guò)控制第二雙向電力電子變換器來(lái)控制新能源系統(tǒng)輸出電能到內(nèi)轉(zhuǎn)子的第二繞組，并通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合作用轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載；
[0009]控制方法2:控制器控制能源轉(zhuǎn)換器將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能后驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合作用使得外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載；
[0010]控制方法3:控制器通過(guò)控制第一雙向電力電子變換器來(lái)控制公共電網(wǎng)輸出電能到定子上的第一繞組，并通過(guò)定子和外轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合作用使得外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載；
[0011]當(dāng)機(jī)械負(fù)載需要外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇所述三種控制方法中的一種或多種控制方法。
[0012]進(jìn)一步的，還包括化石能源側(cè)或新能源系統(tǒng)側(cè)到公共電網(wǎng)側(cè)的能量傳輸方式，其控制方法包括:
[0013]控制方法4:控制器通過(guò)控制第二雙向電力電子變換器來(lái)控制新能源系統(tǒng)輸出電能到內(nèi)轉(zhuǎn)子的第二繞組，并通過(guò)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)傳遞到定子上的第一繞組，再經(jīng)第一雙向電力電子變換器控制輸入公共電網(wǎng)；
[0014]控制方法5:控制器控制能源轉(zhuǎn)換器將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能后驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)傳遞到定子上的第一繞組，再經(jīng)第一雙向電力電子變換器控制輸入公共電網(wǎng)。
[0015]進(jìn)一步的，當(dāng)機(jī)械負(fù)載需要外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先選擇控制方法1;若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率小于機(jī)械負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，且此時(shí)公共電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰或處于峰電價(jià)時(shí)，選擇控制方法2 ；若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率小于機(jī)械負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，且此時(shí)公共電網(wǎng)處于負(fù)荷低峰或處于谷電價(jià)時(shí)，選擇控制方式3;若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率大于機(jī)械負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，選擇控制方法4。
[0016]進(jìn)一步的，當(dāng)新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率小于機(jī)械負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，且選擇控制方法2時(shí)，還包括同時(shí)選擇控制方法5的步驟。
[0017]進(jìn)一步的，還包括當(dāng)機(jī)械負(fù)載受外力作用帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的控制方法:
[0018]控制方法6:定子和外轉(zhuǎn)子之間通過(guò)電磁耦合作轉(zhuǎn)換得到的電能通過(guò)第一雙向電力電子變換器傳輸至公共電網(wǎng)；
[0019]控制方法7:定子和外轉(zhuǎn)子之間通過(guò)電磁耦合作轉(zhuǎn)換得到的電能通過(guò)第二雙向電力電子變換器傳輸至儲(chǔ)能單元。
[0020]有益效果:當(dāng)前試行的能源互聯(lián)網(wǎng)，一般是通過(guò)交流或直流微電網(wǎng)可將多種可再生能源發(fā)電后相連接，但是這種互聯(lián)大都是從電的角度去考慮的，是將可再生能源轉(zhuǎn)換成電能這種二次能源進(jìn)行的能源互聯(lián)，所用到的連接器一般是電力電子變換器、多端口變換器等等。然而，針對(duì)兩種或多種能源的供應(yīng)獨(dú)立運(yùn)行的情形，如用油或天然氣供暖、由電能供應(yīng)壓縮機(jī)、制冷機(jī)等電器設(shè)備時(shí)，這種當(dāng)前的運(yùn)行模式不利于能源的綜合利用和效益優(yōu)化。而本發(fā)明則從能源的角度，以多端口電機(jī)為核心，借助于電力電子變換器以及電機(jī)內(nèi)部的電磁耦合原理，將不同種類的能源實(shí)現(xiàn)了有效互聯(lián)。不僅如此，該發(fā)明綜合考慮了電網(wǎng)負(fù)荷、電網(wǎng)的峰谷電價(jià)的不同以及不同種類能源的差異，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，在不同時(shí)段優(yōu)先采用某一種或幾種能源供電，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益全局最優(yōu)。本發(fā)明可以在普通小區(qū)、家庭廣泛推廣應(yīng)用，也可運(yùn)用在小型發(fā)電場(chǎng)，以提升發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明的基于多端口電機(jī)的多能種能源路由器總結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0023]如圖1所示，一種多能種能源互聯(lián)路由器，包括多端口電機(jī)1，能源轉(zhuǎn)換器2、第一雙向電力電子變換器4、第二雙向電力電子變換器5、控制器6。其中，多端口電機(jī)1主要包括內(nèi)轉(zhuǎn)子12、定子11以及位于內(nèi)轉(zhuǎn)子12和定子11之間的外轉(zhuǎn)子13，定子11和內(nèi)轉(zhuǎn)子12上設(shè)有繞組，外轉(zhuǎn)子13可設(shè)置繞組或永磁體。多端口電機(jī)1的內(nèi)轉(zhuǎn)子12連接能源轉(zhuǎn)換器2的機(jī)械能輸出端，外轉(zhuǎn)子13連接機(jī)械負(fù)載3;內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子13連接能源轉(zhuǎn)換器2、機(jī)械負(fù)載3之處即為多端口電機(jī)1的兩個(gè)機(jī)械端口 7、8。定子11上的繞組通過(guò)第一雙向電力電子變換器4連接到公共電網(wǎng)，內(nèi)轉(zhuǎn)子12上的繞組通過(guò)第二雙向電力電子變換器5連接到新能源系統(tǒng)和儲(chǔ)能單元，形成多端口電機(jī)1的兩個(gè)電氣端口 9、10?？刂破?分別連接能源轉(zhuǎn)換器2、第一雙向電力電子變換器4以及第二雙向電力電子變換器5的控制端。
[0024]其中，多端口電機(jī)1可以為永磁式、感應(yīng)式、磁阻式的電機(jī)；電力電子變換器4、5根據(jù)接電網(wǎng)或新能源系統(tǒng)的不同，可選擇Z-source、Boost、Cuk等直流/直流變換器，也可以是逆變器、矩陣變換器等直流/交流變換器;能源轉(zhuǎn)換器2用于將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其根據(jù)具體化石能源的種類而選擇，也可以是多臺(tái)設(shè)備通過(guò)連接結(jié)構(gòu)切換連接至多端口電機(jī)1的機(jī)械端口 7。
[0025]能源側(cè)到機(jī)械負(fù)載側(cè)的能量傳輸方式包括如下三種控制方法:
[0026]控制方法1:控制器6通過(guò)控制第二雙向電力電子變換器5來(lái)控制新能源系統(tǒng)輸出電能到內(nèi)轉(zhuǎn)子12的繞組，并通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子13之間的電磁耦合作用轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載3。
[0027]控制方法2:控制器6控制能源轉(zhuǎn)換器2將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能后驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)子12與外轉(zhuǎn)子13之間的電磁耦合作用使得外轉(zhuǎn)子13轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載3。
[0028]控制方法3:控制器6通過(guò)控制第一雙向電力電子變換器4來(lái)控制公共電網(wǎng)輸出電能到定子11上的繞組，并通過(guò)定子11和外轉(zhuǎn)子13之間的電磁親合作用使得外轉(zhuǎn)子13轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載3。
[0029]當(dāng)機(jī)械負(fù)載3需要外轉(zhuǎn)子13驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇三種控制方法中的一種或多種控制方法。
[0030]多能種能源互聯(lián)路由器的控制方法還包括化石能源側(cè)或新能源系統(tǒng)側(cè)到公共電網(wǎng)側(cè)的能量傳輸方式，其控制方法包括:
[0031]控制方法4:控制器6通過(guò)控制第二雙向電力電子變換器5來(lái)控制新能源系統(tǒng)輸出電能到內(nèi)轉(zhuǎn)子12的繞組，并通過(guò)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)傳遞到定子11上的繞組，再經(jīng)第一雙向電力電子變換器4控制輸入公共電網(wǎng)。
[0032]控制方法5:控制器6控制能源轉(zhuǎn)換器2將化石能源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能后驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)傳遞到定子11上的繞組，再經(jīng)第一雙向電力電子變換器4控制輸入公共電網(wǎng)。
[0033]為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益全局最優(yōu)，優(yōu)選的:當(dāng)機(jī)械負(fù)載3需要外轉(zhuǎn)子13驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先選擇控制方法1;若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率小于機(jī)械負(fù)載3的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，且此時(shí)公共電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰或處于峰電價(jià)時(shí)，選擇控制方法2;若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率小于機(jī)械負(fù)載3的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，且此時(shí)公共電網(wǎng)處于負(fù)荷低峰或處于谷電價(jià)時(shí)，選擇控制方式3;若新能源系統(tǒng)輸出電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率大于機(jī)械負(fù)載3的額定驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，選擇控制方法4。其中，