一种多能种能源互联路由器及其控制方法
一种多能种能源互联路由器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源与电气工程领域，尤其涉及一种多能种能源互联路由器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，在信息互联网中，路由器是实现信息分配的关键装置，可实现信息的双向流动，并且将不同用户相连接。近年来，“能源互联网”逐渐成为人们关注的焦点。2015年，我国政府工作报告中首次提出将制定“互联网+”行动计划，而新一轮电改方案的发布，更激起了人们对于能源互联网的期待。我国初步计划到2050年实现能源互联，以推动绿色可再生能源的广泛利用，提高能源综合利用效益。目前常用的能源有多种类型，比如煤、石油、天然气、太阳能、电能、水能、风能等。其中具有不同频率、电压等级的电能已可通过电力电子变换器实现互联，电力电子变换器起着电能路由器的作用。但到目前为止，不同类型能源之间仅能实现单向连接，如风能向电能转换、电能向机械能转换或反之等，无法实现不同类型能源的互联。
[0003]在一个社区、单位甚至小到某一家庭，都可能同时有多种能源供应，如用油或天然气供暖、由电能供应压缩机、制冷机等电器设备。此时，两种或多种能源的供应链是并行独立的，这种运行模式不利于能源的综合利用和效益优化。因此，亟须发明一种装置，将多种不同类型的能源进行互联，实现单输入多输出或多输入多输出且双向能量分配与管理等。
【发明内容】
[0004]发明目的:针对上述现有技术，提出一种多能种能源互联路由器及其控制方法，能够将不同种类的能源实现有效互联。
[0005]技术方案:一种多能种能源互联路由器，其特征在于:包括多端口电机，能源转换器、第一双向电力电子变换器、控制器;所述多端口电机包括内转子、定子以及位于内转子和定子之间的外转子，所述定子、内转子以及外转子上均分别设有绕组;所述能源转换器用于将化石能源转换成机械能，所述能源转换器的机械能输出端连接所述内转子，所述外转子连接机械负载;所述定子上设有第一绕组，所述第一绕组通过第一双向电力电子变换器连接到公共电网，所述控制器分别连接能源转换器和第一双向电力电子变换器的控制端。
[0006]进一步的，所述多能种能源互联路由器还包括第二双向电力电子变换器，所述内转子上设有第二绕组;所述内转子上的第二绕组通过第二双向电力电子变换器连接到新能源系统和储能单元，所述第二双向电力电子变换器的控制端连接所述控制器。
[0007]多能种能源互联路由器的控制方法，能源侧到负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法:
[0008]控制方法1:控制器通过控制第二双向电力电子变换器来控制新能源系统输出电能到内转子的第二绕组，并通过内转子和外转子之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载；
[0009]控制方法2:控制器控制能源转换器将化石能源转换成机械能后驱动内转子转动，并通过内转子与外转子之间的电磁耦合作用使得外转子转动来驱动机械负载；
[0010]控制方法3:控制器通过控制第一双向电力电子变换器来控制公共电网输出电能到定子上的第一绕组，并通过定子和外转子之间的电磁耦合作用使得外转子转动来驱动机械负载；
[0011]当机械负载需要外转子驱动时，选择所述三种控制方法中的一种或多种控制方法。
[0012]进一步的，还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括:
[0013]控制方法4:控制器通过控制第二双向电力电子变换器来控制新能源系统输出电能到内转子的第二绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器控制输入公共电网；
[0014]控制方法5:控制器控制能源转换器将化石能源转换成机械能后驱动内转子转动，并通过电机内的电磁场传递到定子上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器控制输入公共电网。
[0015]进一步的，当机械负载需要外转子驱动时，首先选择控制方法1;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2 ；若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载的额定驱动功率时，选择控制方法4。
[0016]进一步的，当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。
[0017]进一步的，还包括当机械负载受外力作用带动外转子旋转时的控制方法:
[0018]控制方法6:定子和外转子之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器传输至公共电网；
[0019]控制方法7:定子和外转子之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器传输至储能单元。
[0020]有益效果:当前试行的能源互联网，一般是通过交流或直流微电网可将多种可再生能源发电后相连接，但是这种互联大都是从电的角度去考虑的，是将可再生能源转换成电能这种二次能源进行的能源互联，所用到的连接器一般是电力电子变换器、多端口变换器等等。然而，针对两种或多种能源的供应独立运行的情形，如用油或天然气供暖、由电能供应压缩机、制冷机等电器设备时，这种当前的运行模式不利于能源的综合利用和效益优化。而本发明则从能源的角度，以多端口电机为核心，借助于电力电子变换器以及电机内部的电磁耦合原理，将不同种类的能源实现了有效互联。不仅如此，该发明综合考虑了电网负荷、电网的峰谷电价的不同以及不同种类能源的差异，通过适当的控制策略，在不同时段优先采用某一种或几种能源供电，可实现经济效益全局最优。本发明可以在普通小区、家庭广泛推广应用，也可运用在小型发电场，以提升发电的经济效益。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的基于多端口电机的多能种能源路由器总结构图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0023]如图1所示，一种多能种能源互联路由器，包括多端口电机1，能源转换器2、第一双向电力电子变换器4、第二双向电力电子变换器5、控制器6。其中，多端口电机1主要包括内转子12、定子11以及位于内转子12和定子11之间的外转子13，定子11和内转子12上设有绕组，外转子13可设置绕组或永磁体。多端口电机1的内转子12连接能源转换器2的机械能输出端，外转子13连接机械负载3;内转子12和外转子13连接能源转换器2、机械负载3之处即为多端口电机1的两个机械端口 7、8。定子11上的绕组通过第一双向电力电子变换器4连接到公共电网，内转子12上的绕组通过第二双向电力电子变换器5连接到新能源系统和储能单元，形成多端口电机1的两个电气端口 9、10。控制器6分别连接能源转换器2、第一双向电力电子变换器4以及第二双向电力电子变换器5的控制端。
[0024]其中，多端口电机1可以为永磁式、感应式、磁阻式的电机；电力电子变换器4、5根据接电网或新能源系统的不同，可选择Z-source、Boost、Cuk等直流/直流变换器，也可以是逆变器、矩阵变换器等直流/交流变换器;能源转换器2用于将化石能源转换成机械能，其根据具体化石能源的种类而选择，也可以是多台设备通过连接结构切换连接至多端口电机1的机械端口 7。
[0025]能源侧到机械负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法:
[0026]控制方法1:控制器6通过控制第二双向电力电子变换器5来控制新能源系统输出电能到内转子12的绕组，并通过内转子12和外转子13之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载3。
[0027]控制方法2:控制器6控制能源转换器2将化石能源转换成机械能后驱动内转子12转动，并通过内转子12与外转子13之间的电磁耦合作用使得外转子13转动来驱动机械负载3。
[0028]控制方法3:控制器6通过控制第一双向电力电子变换器4来控制公共电网输出电能到定子11上的绕组，并通过定子11和外转子13之间的电磁親合作用使得外转子13转动来驱动机械负载3。
[0029]当机械负载3需要外转子13驱动时，选择三种控制方法中的一种或多种控制方法。
[0030]多能种能源互联路由器的控制方法还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括:
[0031]控制方法4:控制器6通过控制第二双向电力电子变换器5来控制新能源系统输出电能到内转子12的绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子11上的绕组，再经第一双向电力电子变换器4控制输入公共电网。
[0032]控制方法5:控制器6控制能源转换器2将化石能源转换成机械能后驱动内转子12转动，并通过电机内的电磁场传递到定子11上的绕组，再经第一双向电力电子变换器4控制输入公共电网。
[0033]为了实现经济效益全局最优，优选的:当机械负载3需要外转子13驱动时，首先选择控制方法1;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载3的额定驱动功率时，选择控制方法4。其中， 当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。
[0034]多能种能源互联路由器的控制方法还包括当机械负载3受外力作用带动外转子13旋转时的控制方法:
[0035]控制方法6:定子11和外转子13之间通过电磁親合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器4传输至公共电网。
[0036]控制方法7:定子11和外转子12之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器5传输至储能单元。
[0037]下面以三个例子对多能种能源互联路由器的控制方法做更进一步的解释。
[0038]例一:
[0039]化石能源为油，能源转换器2为内燃机，双向电力电子变换器5接屋顶光伏发电系统的电池组，机械负载3为制冷压缩机。有以下几种运行模式:
[0040](1)当光伏电池组的发电量充足，且需要制冷时，则光伏电池组的电能经双向电力电子变换器5输入到内转子12的绕组，通过电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载3的压缩机，此时能量由光伏发电系统流向制冷压缩机。
[0041](2)如果此时制冷量小，则多余的光伏电池组的电能可通过电磁作用耦合到定子11的绕组上，然后通过双向电力电子变换器4输到公共电网，此时能量由光伏发电系统同时流向公共电网和制冷机。
[0042](3)当没有太阳，光伏电池组电能不足，而公共电网处于负荷高峰且电价很高时，可用内燃机驱动内转子12，通过电磁耦合作用驱动外转子13，带动压缩机制冷，此时能量由燃油流向制冷压缩机。
[0043](4)如果公共电网负荷处于低谷或处于风谷电价的谷电价时，则可以直接由电网经向电力电子变换器4向定子11上的绕组供电，驱动外转子13以驱动机械负载，此时能量由公共电网流向制冷机。
[0044](5)如果公共电网负荷太大需要调峰时，且制冷负荷较小时，内燃机带动内转子12，通过电磁耦合作用带动外转子13，并耦合到定子11发电，经向电力电子变换器4向公共电网送电，此时能量是燃油同时流向公共电网和制冷机。
[0045]例二:
[0046]化石能源为天然气，能源转换器2为燃汽轮机，机械负载3为抽水蓄能电站的水栗/涡轮机。有以下几种运行模式:
[0047](1)当公共电网处于负荷低谷时，由公共电网上的电能经双向电力电子变换器4变换后输送到定子11上的绕组，再经电磁耦合作用驱动外转子13，带动水栗将下水库的水抽到上水库蓄能，此时能量由电能转换为水的势能。
[0048](2)当公共电网负荷处于高峰时，放水驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，经双向电力电子变换器4向电网输电，此时能量由水流向公共电网。
[0049](3)当水库的水已放完，但公共电网电量不足仍需要调峰时，可由燃气轮机驱动多端口电机发电，向公共电网输电，或经向电力电子变换器5传输至储能系统;此时能量是由气流向电网或储能系统。
[0050](4)当电网负荷平衡，无多余电能，但上水库尚有较大容量时，可由燃气轮机经内外转子13的耦合驱动水栗抽水蓄能，此时能量是由气转换为水的势能。
[0051 ]例三:
[0052]沙漠地区，化石能源为气，能源转换器2为燃汽轮机，负载3为抽沙蓄能电站的涡轮机。有以下几种运行模式:
[0053](1)当电力负荷处于低谷时，意味着发电厂输送的电能大于下游用户的需求，可用公共电网电能驱动外转子，带动传输带将下游的沙传到地势高的地方蓄能，此时能量由电能转换为沙的势能。
[0054](2)当公共电网负荷处于高峰时，放沙驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，向公共电网输电，此时能量由沙流向电网。
[0055](3)当没有太阳时，安装在太阳能帆板下面的光伏电池组电能不足，而公共电网处于负荷高峰且电价很高时，放沙驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，向公共电网输电，此时能量由沙流向电网。
[0056](4)当上游的沙已放完，但公共电网电量不足仍需要调峰时，可由燃气轮机驱动多端口电机发电，向公共电网输电，此时能量是由气转到公共电网。
[0057](5)当公共电网负荷平衡，无多余电能，但上游的沙库尚有较大容量时，可由燃气轮机经内外转子13的耦合抽沙蓄能，此时能量是由气转换为沙的势能。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。本发明提出的多能种能源路由器，既可用于单位、社区、家庭等多能种能源的综合利用，还可以应用到海岛供电、电动汽车领域等。
【主权项】
1.一种多能种能源互联路由器，其特征在于:包括多端口电机(1)，能源转换器(2)、第一双向电力电子变换器(4)、控制器(6);所述多端口电机(1)包括内转子(12)、定子(11)以及位于内转子(12)和定子(11)之间的外转子(13);所述能源转换器(2)用于将化石能源转换成机械能，所述能源转换器(2)的机械能输出端连接所述内转子(12)，所述外转子(13)连接机械负载(3);所述定子(11)上设有第一绕组，所述第一绕组通过第一双向电力电子变换器(4)连接到公共电网，所述控制器(6)分别连接能源转换器(2)和第一双向电力电子变换器(4)的控制端。2.根据权利要求1所述的多能种能源互联路由器，其特征在于:所述多能种能源互联路由器还包括第二双向电力电子变换器(5)，所述内转子(11)上设有第二绕组;所述内转子(12)上的第二绕组通过第二双向电力电子变换器(5)连接到新能源系统和储能单元，所述第二双向电力电子变换器(5)的控制端连接所述控制器(6)。3.根据权利要求2所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:能源侧到负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法: 控制方法1:控制器(6)通过控制第二双向电力电子变换器(5)来控制新能源系统输出电能到内转子(12)的第二绕组，并通过内转子(12)和外转子(13)之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载(3)； 控制方法2:控制器(6)控制能源转换器(2)将化石能源转换成机械能后驱动内转子(12)转动，并通过内转子(12)与外转子(13)之间的电磁耦合作用使得外转子(13)转动来驱动机械负载(3); 控制方法3:控制器(6)通过控制第一双向电力电子变换器(4)来控制公共电网输出电能到定子(11)上的第一绕组，并通过定子(11)和外转子(13)之间的电磁耦合作用使得外转子(13)转动来驱动机械负载(3); 当机械负载(3)需要外转子(13)驱动时，选择所述三种控制方法中的一种或多种控制方法。4.根据权利要求3所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括: 控制方法4:控制器(6)通过控制第二双向电力电子变换器(5)来控制新能源系统输出电能到内转子(12)的第二绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子(11)上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器(4)控制输入公共电网； 控制方法5:控制器(6)控制能源转换器(2)将化石能源转换成机械能后驱动内转子(12)转动，并通过电机内的电磁场传递到定子(11)上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器(4)控制输入公共电网。5.根据权利要求4所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:当机械负载(3)需要外转子(13)驱动时，首先选择控制方法1 ；若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载(3)的额定驱动功率时，选择控制方法4。6.根据权利要求5所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。7.根据权利要求3所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:还包括当机械负载(3)受外力作用带动外转子(13)旋转时的控制方法: 控制方法6:定子(11)和外转子(13)之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器(4)传输至公共电网； 控制方法7:定子(11)和外转子(12)之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器(5)传输至储能单元。
【专利摘要】本发明公开了一种多能种能源互联路由器及其控制方法，该能源互联路由器以多端口电机为核心，另由与之所联的非电能源相对应的转换器、电力电子功率变换器等构成，可将电能与其他能源(如气、油、水等)进行相互联接，可根据电网的峰谷和实际负荷需求，灵活控制不同能量的大小和流动方向，不仅能实现能源综合利用，更重要的是可以通过优化获得更高的经济效益。
【IPC分类】H04L12/751, H04L12/715, H04L12/26
【公开号】CN105490887
【申请号】CN201610009877
【发明人】程明, 王青松, 姜云磊
【申请人】东南大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月7日
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源与电气工程领域，尤其涉及一种多能种能源互联路由器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，在信息互联网中，路由器是实现信息分配的关键装置，可实现信息的双向流动，并且将不同用户相连接。近年来，“能源互联网”逐渐成为人们关注的焦点。2015年，我国政府工作报告中首次提出将制定“互联网+”行动计划，而新一轮电改方案的发布，更激起了人们对于能源互联网的期待。我国初步计划到2050年实现能源互联，以推动绿色可再生能源的广泛利用，提高能源综合利用效益。目前常用的能源有多种类型，比如煤、石油、天然气、太阳能、电能、水能、风能等。其中具有不同频率、电压等级的电能已可通过电力电子变换器实现互联，电力电子变换器起着电能路由器的作用。但到目前为止，不同类型能源之间仅能实现单向连接，如风能向电能转换、电能向机械能转换或反之等，无法实现不同类型能源的互联。
[0003]在一个社区、单位甚至小到某一家庭，都可能同时有多种能源供应，如用油或天然气供暖、由电能供应压缩机、制冷机等电器设备。此时，两种或多种能源的供应链是并行独立的，这种运行模式不利于能源的综合利用和效益优化。因此，亟须发明一种装置，将多种不同类型的能源进行互联，实现单输入多输出或多输入多输出且双向能量分配与管理等。
【发明内容】
[0004]发明目的:针对上述现有技术，提出一种多能种能源互联路由器及其控制方法，能够将不同种类的能源实现有效互联。
[0005]技术方案:一种多能种能源互联路由器，其特征在于:包括多端口电机，能源转换器、第一双向电力电子变换器、控制器;所述多端口电机包括内转子、定子以及位于内转子和定子之间的外转子，所述定子、内转子以及外转子上均分别设有绕组;所述能源转换器用于将化石能源转换成机械能，所述能源转换器的机械能输出端连接所述内转子，所述外转子连接机械负载;所述定子上设有第一绕组，所述第一绕组通过第一双向电力电子变换器连接到公共电网，所述控制器分别连接能源转换器和第一双向电力电子变换器的控制端。
[0006]进一步的，所述多能种能源互联路由器还包括第二双向电力电子变换器，所述内转子上设有第二绕组;所述内转子上的第二绕组通过第二双向电力电子变换器连接到新能源系统和储能单元，所述第二双向电力电子变换器的控制端连接所述控制器。
[0007]多能种能源互联路由器的控制方法，能源侧到负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法:
[0008]控制方法1:控制器通过控制第二双向电力电子变换器来控制新能源系统输出电能到内转子的第二绕组，并通过内转子和外转子之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载；
[0009]控制方法2:控制器控制能源转换器将化石能源转换成机械能后驱动内转子转动，并通过内转子与外转子之间的电磁耦合作用使得外转子转动来驱动机械负载；
[0010]控制方法3:控制器通过控制第一双向电力电子变换器来控制公共电网输出电能到定子上的第一绕组，并通过定子和外转子之间的电磁耦合作用使得外转子转动来驱动机械负载；
[0011]当机械负载需要外转子驱动时，选择所述三种控制方法中的一种或多种控制方法。
[0012]进一步的，还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括:
[0013]控制方法4:控制器通过控制第二双向电力电子变换器来控制新能源系统输出电能到内转子的第二绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器控制输入公共电网；
[0014]控制方法5:控制器控制能源转换器将化石能源转换成机械能后驱动内转子转动，并通过电机内的电磁场传递到定子上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器控制输入公共电网。
[0015]进一步的，当机械负载需要外转子驱动时，首先选择控制方法1;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2 ；若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载的额定驱动功率时，选择控制方法4。
[0016]进一步的，当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。
[0017]进一步的，还包括当机械负载受外力作用带动外转子旋转时的控制方法:
[0018]控制方法6:定子和外转子之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器传输至公共电网；
[0019]控制方法7:定子和外转子之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器传输至储能单元。
[0020]有益效果:当前试行的能源互联网，一般是通过交流或直流微电网可将多种可再生能源发电后相连接，但是这种互联大都是从电的角度去考虑的，是将可再生能源转换成电能这种二次能源进行的能源互联，所用到的连接器一般是电力电子变换器、多端口变换器等等。然而，针对两种或多种能源的供应独立运行的情形，如用油或天然气供暖、由电能供应压缩机、制冷机等电器设备时，这种当前的运行模式不利于能源的综合利用和效益优化。而本发明则从能源的角度，以多端口电机为核心，借助于电力电子变换器以及电机内部的电磁耦合原理，将不同种类的能源实现了有效互联。不仅如此，该发明综合考虑了电网负荷、电网的峰谷电价的不同以及不同种类能源的差异，通过适当的控制策略，在不同时段优先采用某一种或几种能源供电，可实现经济效益全局最优。本发明可以在普通小区、家庭广泛推广应用，也可运用在小型发电场，以提升发电的经济效益。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的基于多端口电机的多能种能源路由器总结构图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0023]如图1所示，一种多能种能源互联路由器，包括多端口电机1，能源转换器2、第一双向电力电子变换器4、第二双向电力电子变换器5、控制器6。其中，多端口电机1主要包括内转子12、定子11以及位于内转子12和定子11之间的外转子13，定子11和内转子12上设有绕组，外转子13可设置绕组或永磁体。多端口电机1的内转子12连接能源转换器2的机械能输出端，外转子13连接机械负载3;内转子12和外转子13连接能源转换器2、机械负载3之处即为多端口电机1的两个机械端口 7、8。定子11上的绕组通过第一双向电力电子变换器4连接到公共电网，内转子12上的绕组通过第二双向电力电子变换器5连接到新能源系统和储能单元，形成多端口电机1的两个电气端口 9、10。控制器6分别连接能源转换器2、第一双向电力电子变换器4以及第二双向电力电子变换器5的控制端。
[0024]其中，多端口电机1可以为永磁式、感应式、磁阻式的电机；电力电子变换器4、5根据接电网或新能源系统的不同，可选择Z-source、Boost、Cuk等直流/直流变换器，也可以是逆变器、矩阵变换器等直流/交流变换器;能源转换器2用于将化石能源转换成机械能，其根据具体化石能源的种类而选择，也可以是多台设备通过连接结构切换连接至多端口电机1的机械端口 7。
[0025]能源侧到机械负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法:
[0026]控制方法1:控制器6通过控制第二双向电力电子变换器5来控制新能源系统输出电能到内转子12的绕组，并通过内转子12和外转子13之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载3。
[0027]控制方法2:控制器6控制能源转换器2将化石能源转换成机械能后驱动内转子12转动，并通过内转子12与外转子13之间的电磁耦合作用使得外转子13转动来驱动机械负载3。
[0028]控制方法3:控制器6通过控制第一双向电力电子变换器4来控制公共电网输出电能到定子11上的绕组，并通过定子11和外转子13之间的电磁親合作用使得外转子13转动来驱动机械负载3。
[0029]当机械负载3需要外转子13驱动时，选择三种控制方法中的一种或多种控制方法。
[0030]多能种能源互联路由器的控制方法还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括:
[0031]控制方法4:控制器6通过控制第二双向电力电子变换器5来控制新能源系统输出电能到内转子12的绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子11上的绕组，再经第一双向电力电子变换器4控制输入公共电网。
[0032]控制方法5:控制器6控制能源转换器2将化石能源转换成机械能后驱动内转子12转动，并通过电机内的电磁场传递到定子11上的绕组，再经第一双向电力电子变换器4控制输入公共电网。
[0033]为了实现经济效益全局最优，优选的:当机械负载3需要外转子13驱动时，首先选择控制方法1;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载3的额定驱动功率时，选择控制方法4。其中， 当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载3的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。
[0034]多能种能源互联路由器的控制方法还包括当机械负载3受外力作用带动外转子13旋转时的控制方法:
[0035]控制方法6:定子11和外转子13之间通过电磁親合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器4传输至公共电网。
[0036]控制方法7:定子11和外转子12之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器5传输至储能单元。
[0037]下面以三个例子对多能种能源互联路由器的控制方法做更进一步的解释。
[0038]例一:
[0039]化石能源为油，能源转换器2为内燃机，双向电力电子变换器5接屋顶光伏发电系统的电池组，机械负载3为制冷压缩机。有以下几种运行模式:
[0040](1)当光伏电池组的发电量充足，且需要制冷时，则光伏电池组的电能经双向电力电子变换器5输入到内转子12的绕组，通过电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载3的压缩机，此时能量由光伏发电系统流向制冷压缩机。
[0041](2)如果此时制冷量小，则多余的光伏电池组的电能可通过电磁作用耦合到定子11的绕组上，然后通过双向电力电子变换器4输到公共电网，此时能量由光伏发电系统同时流向公共电网和制冷机。
[0042](3)当没有太阳，光伏电池组电能不足，而公共电网处于负荷高峰且电价很高时，可用内燃机驱动内转子12，通过电磁耦合作用驱动外转子13，带动压缩机制冷，此时能量由燃油流向制冷压缩机。
[0043](4)如果公共电网负荷处于低谷或处于风谷电价的谷电价时，则可以直接由电网经向电力电子变换器4向定子11上的绕组供电，驱动外转子13以驱动机械负载，此时能量由公共电网流向制冷机。
[0044](5)如果公共电网负荷太大需要调峰时，且制冷负荷较小时，内燃机带动内转子12，通过电磁耦合作用带动外转子13，并耦合到定子11发电，经向电力电子变换器4向公共电网送电，此时能量是燃油同时流向公共电网和制冷机。
[0045]例二:
[0046]化石能源为天然气，能源转换器2为燃汽轮机，机械负载3为抽水蓄能电站的水栗/涡轮机。有以下几种运行模式:
[0047](1)当公共电网处于负荷低谷时，由公共电网上的电能经双向电力电子变换器4变换后输送到定子11上的绕组，再经电磁耦合作用驱动外转子13，带动水栗将下水库的水抽到上水库蓄能，此时能量由电能转换为水的势能。
[0048](2)当公共电网负荷处于高峰时，放水驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，经双向电力电子变换器4向电网输电，此时能量由水流向公共电网。
[0049](3)当水库的水已放完，但公共电网电量不足仍需要调峰时，可由燃气轮机驱动多端口电机发电，向公共电网输电，或经向电力电子变换器5传输至储能系统;此时能量是由气流向电网或储能系统。
[0050](4)当电网负荷平衡，无多余电能，但上水库尚有较大容量时，可由燃气轮机经内外转子13的耦合驱动水栗抽水蓄能，此时能量是由气转换为水的势能。
[0051 ]例三:
[0052]沙漠地区，化石能源为气，能源转换器2为燃汽轮机，负载3为抽沙蓄能电站的涡轮机。有以下几种运行模式:
[0053](1)当电力负荷处于低谷时，意味着发电厂输送的电能大于下游用户的需求，可用公共电网电能驱动外转子，带动传输带将下游的沙传到地势高的地方蓄能，此时能量由电能转换为沙的势能。
[0054](2)当公共电网负荷处于高峰时，放沙驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，向公共电网输电，此时能量由沙流向电网。
[0055](3)当没有太阳时，安装在太阳能帆板下面的光伏电池组电能不足，而公共电网处于负荷高峰且电价很高时，放沙驱动涡轮机带动外转子13旋转发电，向公共电网输电，此时能量由沙流向电网。
[0056](4)当上游的沙已放完，但公共电网电量不足仍需要调峰时，可由燃气轮机驱动多端口电机发电，向公共电网输电，此时能量是由气转到公共电网。
[0057](5)当公共电网负荷平衡，无多余电能，但上游的沙库尚有较大容量时，可由燃气轮机经内外转子13的耦合抽沙蓄能，此时能量是由气转换为沙的势能。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。本发明提出的多能种能源路由器，既可用于单位、社区、家庭等多能种能源的综合利用，还可以应用到海岛供电、电动汽车领域等。
【主权项】
1.一种多能种能源互联路由器，其特征在于:包括多端口电机(1)，能源转换器(2)、第一双向电力电子变换器(4)、控制器(6);所述多端口电机(1)包括内转子(12)、定子(11)以及位于内转子(12)和定子(11)之间的外转子(13);所述能源转换器(2)用于将化石能源转换成机械能，所述能源转换器(2)的机械能输出端连接所述内转子(12)，所述外转子(13)连接机械负载(3);所述定子(11)上设有第一绕组，所述第一绕组通过第一双向电力电子变换器(4)连接到公共电网，所述控制器(6)分别连接能源转换器(2)和第一双向电力电子变换器(4)的控制端。2.根据权利要求1所述的多能种能源互联路由器，其特征在于:所述多能种能源互联路由器还包括第二双向电力电子变换器(5)，所述内转子(11)上设有第二绕组;所述内转子(12)上的第二绕组通过第二双向电力电子变换器(5)连接到新能源系统和储能单元，所述第二双向电力电子变换器(5)的控制端连接所述控制器(6)。3.根据权利要求2所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:能源侧到负载侧的能量传输方式包括如下三种控制方法: 控制方法1:控制器(6)通过控制第二双向电力电子变换器(5)来控制新能源系统输出电能到内转子(12)的第二绕组，并通过内转子(12)和外转子(13)之间的电磁耦合作用转换为机械能驱动机械负载(3)； 控制方法2:控制器(6)控制能源转换器(2)将化石能源转换成机械能后驱动内转子(12)转动，并通过内转子(12)与外转子(13)之间的电磁耦合作用使得外转子(13)转动来驱动机械负载(3); 控制方法3:控制器(6)通过控制第一双向电力电子变换器(4)来控制公共电网输出电能到定子(11)上的第一绕组，并通过定子(11)和外转子(13)之间的电磁耦合作用使得外转子(13)转动来驱动机械负载(3); 当机械负载(3)需要外转子(13)驱动时，选择所述三种控制方法中的一种或多种控制方法。4.根据权利要求3所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:还包括化石能源侧或新能源系统侧到公共电网侧的能量传输方式，其控制方法包括: 控制方法4:控制器(6)通过控制第二双向电力电子变换器(5)来控制新能源系统输出电能到内转子(12)的第二绕组，并通过电机内的电磁场传递到定子(11)上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器(4)控制输入公共电网； 控制方法5:控制器(6)控制能源转换器(2)将化石能源转换成机械能后驱动内转子(12)转动，并通过电机内的电磁场传递到定子(11)上的第一绕组，再经第一双向电力电子变换器(4)控制输入公共电网。5.根据权利要求4所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:当机械负载(3)需要外转子(13)驱动时，首先选择控制方法1 ；若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷高峰或处于峰电价时，选择控制方法2;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且此时公共电网处于负荷低峰或处于谷电价时，选择控制方式3;若新能源系统输出电能转换为机械能的功率大于机械负载(3)的额定驱动功率时，选择控制方法4。6.根据权利要求5所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:当新能源系统输出电能转换为机械能的功率小于机械负载(3)的额定驱动功率时，且选择控制方法2时，还包括同时选择控制方法5的步骤。7.根据权利要求3所述的多能种能源互联路由器的控制方法，其特征在于:还包括当机械负载(3)受外力作用带动外转子(13)旋转时的控制方法: 控制方法6:定子(11)和外转子(13)之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第一双向电力电子变换器(4)传输至公共电网； 控制方法7:定子(11)和外转子(12)之间通过电磁耦合作转换得到的电能通过第二双向电力电子变换器(5)传输至储能单元。
【专利摘要】本发明公开了一种多能种能源互联路由器及其控制方法，该能源互联路由器以多端口电机为核心，另由与之所联的非电能源相对应的转换器、电力电子功率变换器等构成，可将电能与其他能源(如气、油、水等)进行相互联接，可根据电网的峰谷和实际负荷需求，灵活控制不同能量的大小和流动方向，不仅能实现能源综合利用，更重要的是可以通过优化获得更高的经济效益。
【IPC分类】H04L12/751, H04L12/715, H04L12/26
【公开号】CN105490887
【申请号】CN201610009877
【发明人】程明, 王青松, 姜云磊
【申请人】东南大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月7日
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