一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，包括監(jiān)測模塊、通訊模塊、信息處理模塊、智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊、電能接口模塊和儲能模塊；監(jiān)測模塊將監(jiān)測信息通過通訊模塊傳輸給信息處理模塊，信息處理模塊將運算處理后的數(shù)據(jù)傳輸給智能控制模塊，智能控制模塊將控制信息傳輸給能量路由器其他各模塊，以控制能量路由器對電能的轉(zhuǎn)換、雙向傳輸和協(xié)調(diào)運行，儲能模塊提供電能的存儲。本發(fā)明在電氣信息物理系統(tǒng)(P-CPS)基礎(chǔ)上設(shè)計基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其滿足結(jié)構(gòu)模塊化、控制智能化、通訊堅強(qiáng)化和系統(tǒng)魯棒化等特征并具備實用化的可行性，該能量路由器，其具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能。
【專利說明】一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種路由器，具體講涉及一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]能源互聯(lián)網(wǎng)作為一種未來能源網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展模式和解決方案在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注，它利用信息互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能終端技術(shù)構(gòu)建智能能源共享網(wǎng)絡(luò)平臺，雖然電能源僅僅是能源的一種，但電能在能源傳輸效率等方面具有無法比擬的優(yōu)勢，未來能源基礎(chǔ)設(shè)施在傳輸方面的主體必然還是電網(wǎng)，因此未來能源互聯(lián)網(wǎng)其實質(zhì)就是互聯(lián)網(wǎng)式的電網(wǎng)，它在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上通過先進(jìn)電力電子技術(shù)和信息技術(shù)，融合大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電能和信息的雙向流動，它讓每個電力用戶都成為能源企業(yè)家，從而提高能源的利用率。它是以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建新型能源與信息融合的“廣域網(wǎng)”，即以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微電網(wǎng)為“局域網(wǎng)”，設(shè)計開放對等的信息能源一體化架構(gòu)，真正實現(xiàn)能源的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，因此可以最大限度地適應(yīng)分布式能源的接入。圖1和圖2分別為能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，其中能量路由器是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵裝備。
[0003]由于受當(dāng)前技術(shù)限制以及對分布式能源接入配電網(wǎng)要求，能量互聯(lián)網(wǎng)的研究和建設(shè)首先必然是從配用電端開始，而目前機(jī)械式、機(jī)電式、剛性的配電網(wǎng)裝備已無法滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的功能需求，如配電變壓器，必須研制一種全柔性控制的配用電關(guān)鍵設(shè)備——能量路由器。這需要利用先進(jìn)電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)和信息技術(shù)對現(xiàn)有傳統(tǒng)配電網(wǎng)的剛性控制的裝備進(jìn)行變革，使得未來這種配電網(wǎng)電能分配裝置——能量路由器除具備電能分配功能外，還具備變壓、變流、電氣隔離、存儲、電能質(zhì)量控制以及分布式能源即插即用接入和通訊與自治功能。
[0004]信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems, CPS)的概念最早是由美國國家基金委員會在2006年提出，被認(rèn)為有望成為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮，其核心是3Cs (計算Computat ion、通訊Communi cat ion、控制Control)的融合,如圖3所不。CPS是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實體，它包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使得物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。CPS愿景的實現(xiàn)，意味著人類將擁有遠(yuǎn)超以往的對物理世界的強(qiáng)大控制能力，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)咨詢委員會(PCAST)在2007年向美國總統(tǒng)提交的報告中明確建議將CPS列為美國聯(lián)邦政府研究投入的第一優(yōu)先領(lǐng)域。歐盟、日本和韓國隨即也提出了 CPS研究計劃。中國對CPS研究也相當(dāng)重視，國家自然科學(xué)基金、科技部973計劃和863計劃都已將CPS列為重點資助領(lǐng)域。
[0005]CPS的提出與發(fā)展促進(jìn)了電力系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合，并為實現(xiàn)電網(wǎng)智能化提供了新的思路和實現(xiàn)途徑，但是國內(nèi)關(guān)于電力系統(tǒng)與CPS融合的研究還較少。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能，本發(fā)明將信息物理系統(tǒng)CPS應(yīng)用于電氣系統(tǒng)和未來智能電氣裝備的研發(fā)。設(shè)計了能量路由器和CPS融合的系統(tǒng)層次模型，將CPS與未來電氣物理設(shè)備的研發(fā)融合在一起，提出了電氣信息物理系統(tǒng)(P-CPS)統(tǒng)一建模理論，為能量路由器的研發(fā)指明了方向；在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其滿足結(jié)構(gòu)模塊化、控制智能化、通訊堅強(qiáng)化和系統(tǒng)魯棒化等特征并具備實用化的可行性。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0008]提供一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，所述能量路由器包括監(jiān)測模塊、通訊模塊、信息處理模塊、智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊、電能接口模塊和儲能模塊；所述監(jiān)測模塊將監(jiān)測信息通過所述通訊模塊傳輸給所述信息處理模塊，所述信息處理模塊將運算處理后的數(shù)據(jù)通過所述通訊模塊傳輸給所述智能控制模塊，所述智能控制模塊將控制信息通過所述通訊模塊傳輸給所述電力電子固態(tài)模塊，同時傳輸給監(jiān)測模塊、信息處理模塊和儲能模塊，從而控制能量路由器的運行，所述儲能模塊為所述能量路由器提供電能存儲。
[0009]所述監(jiān)測模塊包括傳感器和檢測器；所述監(jiān)測模塊對電能轉(zhuǎn)換和傳輸過程中電力電子固態(tài)模塊、儲能模塊和電能接口模塊各自的工作狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測信息通過通訊模塊反饋給所述信息處理模塊。
[0010]所述通訊模塊包括內(nèi)部信息總線和外部通訊連接接口，通過通訊模塊完成監(jiān)測模塊與信息處理模塊之間、信息處理模塊與智能控制模塊之間一級以及智能控制模塊與電力電子固態(tài)模塊之間的信息傳輸，并同時提供面向電氣信息物理系統(tǒng)的內(nèi)部和外部通信連接，以及多種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換和多種信息接入接口。
[0011]所述信息處理模塊將監(jiān)測模塊對能量路由器監(jiān)測得到的監(jiān)測信息，所述監(jiān)測信息經(jīng)通訊模塊的內(nèi)部信息總線傳輸給所述信息處理模塊進(jìn)行處理后，再由通信模塊傳遞給智能控制模塊；智能控制模塊根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，從而控制能量路由器運行。
[0012]所述信息處理模塊包括處理器和存儲器，其負(fù)責(zé)智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊和儲能模塊的數(shù)據(jù)收集、整理并進(jìn)行中間數(shù)據(jù)的計算，對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行協(xié)議化處理。
[0013]所述智能控制模塊主要包括控制器、存儲器和處理器；所述智能控制模塊根據(jù)信息處理模塊傳遞來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行控制算法的運算，并將控制信息經(jīng)通信模塊作用于能量路由器的其他模塊或通過通訊模塊與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。
[0014]所述電力電子固態(tài)模塊包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；所述AC/DC整流器通過高壓直流母線連接所述DC/AC變流器，所述DC/AC變流器、高頻變壓器和AC/DC變流器依次連接，所述AC/DC變流器通過低壓直流母線連接低壓級直流母線并聯(lián)模塊，所述低壓級直流母線并聯(lián)模塊連接所述DC/AC逆變器。
[0015]工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調(diào)制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉(zhuǎn)換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負(fù)載的供電；
[0016]所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構(gòu)成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側(cè)所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結(jié)構(gòu)；
[0017]所述DC/AC變流器由η個單相全橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側(cè)通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側(cè)連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換；
[0018]所述高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離；
[0019]所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相全橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換；
[0020]所述DC/AC逆變器由三個單相全橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸；
[0021]所述高壓直流母線和低壓直流母線上分別設(shè)有多個直流電容；
[0022]所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
[0023]所述電能接口模塊主要包括多種交直流標(biāo)準(zhǔn)電氣連接端口 ；交流電網(wǎng)、分布式發(fā)電裝置、分布式儲能裝置和交直流負(fù)荷通過電能接口模塊與電力電子固態(tài)模塊電氣相連，進(jìn)而與儲能模塊相連，智能控制模塊經(jīng)由通信模塊控制電能接口模塊的運行。
[0024]所述儲能模塊是能量路由器的電能存儲模塊，提供電能質(zhì)量控制補(bǔ)償或在信息物理系統(tǒng)供電故障時提供有功功率，也可進(jìn)行電力系統(tǒng)的功率平衡作用；
[0025]所述儲能模塊通過DC/AC變流器與電力電子固態(tài)模塊進(jìn)行電氣相連，智能控制模塊通過監(jiān)測模塊、信息處理模塊和通信模塊進(jìn)行信息相連并監(jiān)測、管理和控制儲能模塊的運行。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0027](I)能量路由器作為其電能分配的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能直接影響著能源互聯(lián)網(wǎng)的運行效率。信息物理系統(tǒng)CPS是一種將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與物理過程密切整合的設(shè)備系統(tǒng)。本發(fā)明將電氣物理系統(tǒng)與CPS融合,設(shè)計了 P-CPS融合的電氣信息物理系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，該模型采用按功能模塊分層實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，從而使基于CPS融合的未來能量路由器的研發(fā)遵循具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能的P-CPS融合機(jī)制。
[0028](2)本發(fā)明設(shè)計了基于CPS融合的能量路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定義了能量路由器的功能模塊和模塊實現(xiàn)方法，為能量路由器的研制打下了基礎(chǔ)。
[0029](3)本發(fā)明設(shè)計了能量路由器核心模塊——電力電子固態(tài)模塊的實現(xiàn)方式，綜合滿足電能的電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎(chǔ)上，還可以實現(xiàn)潮流控制、電能質(zhì)量控制等許多額外功能，這是因為它可以實際控制包括對電壓(或電流)的幅值、相位、頻率、相數(shù)、相序和波形等電能參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3是現(xiàn)有技術(shù)中CPS的3C概念原理圖；
[0033]圖4是現(xiàn)有技術(shù)中P-CPS互聯(lián)參考模型示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實施例中基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖6是本發(fā)明實施例中電力電子固態(tài)模塊結(jié)構(gòu)框圖；
[0036]圖7是本發(fā)明實施例中電力電子固態(tài)模塊控制原理圖；
[0037]圖8是本發(fā)明實施例中電力電子固態(tài)模塊實際結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖9是本發(fā)明實施例中電力電子固態(tài)模塊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖10是本發(fā)明實施例中低壓級直流母線并聯(lián)模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0041]為了實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)架構(gòu)，并且使其關(guān)鍵設(shè)備——能量路由器具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能，本發(fā)明創(chuàng)新性地將CPS融合理念應(yīng)用于能量路由器的研發(fā)模型。這是由于CPS作為計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，它在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計算、通信和控制于一體，通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)來實現(xiàn)深度融合和實時交互，從而使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能。
[0042]作為計算進(jìn)程和電氣物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，集成計算、通訊與控制的面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來智能配電裝備一能量路由器也應(yīng)是符合CPS融合技術(shù)的智能體。必須將能量路由器的研發(fā)納入到CPS發(fā)展的規(guī)劃中來，由于CPS還是一個嶄新的研究方向，國內(nèi)對于電氣信息物理系統(tǒng)P-CPS(P0Wer-CPS)的研究基本處于空白。發(fā)展信息系統(tǒng)與電力物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模理論是P-CPS要解決的最關(guān)鍵也是最急迫的任務(wù)之一。新的系統(tǒng)理論和模型必須能適應(yīng)P-CPS連續(xù)性與離散性并存的特點，必須既能顯式表征物理系統(tǒng)的時域信息又能顯式表征信息系統(tǒng)的執(zhí)行次序。P-CPS其他方面的研究都將建立在新的理論基礎(chǔ)之上。首先定義了 P-CPS融合的層次化參考模型，如圖4所示。
[0043]參照信息互聯(lián)中開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnect/ReferenceModel, OSI/RM)的成功經(jīng)驗，將P-CPS的參考模型采用層次化結(jié)構(gòu)，每層按功能分別實現(xiàn)，同層實體間受該層規(guī)約的約束并利用下一層提供的服務(wù)交換數(shù)據(jù)并控制電能的交換和質(zhì)量，P-CPS參考模型、P-CPS服務(wù)定義以及P-CPS規(guī)約描述是實現(xiàn)P-CPS開放、互聯(lián)、信息與電能雙向交換的標(biāo)準(zhǔn)。在此定義P-CPS的參考模型分為5層。
[0044](I)物理層
[0045]由可全柔性控制的集成固態(tài)模塊或物理設(shè)備構(gòu)成，如對于能量路由器來說，它將是以復(fù)合型電力電子器件集成的固態(tài)模塊和高頻變壓器等電氣物理設(shè)備組成，完成電氣操作的基本功能，通過控制可實現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電力設(shè)備，這里所謂的電力特征包括:電壓(或電流)的幅值、相位、頻率、相數(shù)和波形等。
[0046](2)感知層
[0047]由傳感器、控制器和嵌入式操作系統(tǒng)等感知設(shè)備組成，負(fù)責(zé)感知用戶感興趣的物理層的某些物理屬性，比如溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，電壓、電流、功率等電氣特征參數(shù)等，實現(xiàn)多感知器協(xié)同感知物理世界狀態(tài)。
[0048](3)網(wǎng)絡(luò)層
[0049]連接信息世界與物理世界的各種對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制的CPS實時網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)分組的實時傳輸。
[0050](4)認(rèn)知層
[0051]通過感知數(shù)據(jù)的認(rèn)知計算、分析和推理，正確和深入地認(rèn)識物理世界。該層分為認(rèn)知邏輯層、管理邏輯層和認(rèn)知適配層3個子層
[0052](5)控制層
[0053]控制層也叫應(yīng)用層?？刂茖痈鶕?jù)認(rèn)知層的認(rèn)知結(jié)果，確定控制策略，發(fā)布控制指令，遠(yuǎn)程指揮各個物理設(shè)備終端協(xié)同控制物理世界，形成反饋循環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)物理世界的被控制量偏離指令值時，CPS會自動產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用消除偏差。
[0054]本發(fā)明設(shè)計電氣系統(tǒng)CPS(P-CPS)融合的系統(tǒng)層次模型，該系統(tǒng)模型按功能模塊分層實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，共分為5層，參照信息互聯(lián)中開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open SystemInterconnect/Reference Model,0SI/RM)的成功經(jīng)驗,將P-CPS的參考模型采用層次化結(jié)構(gòu)，每層按功能分別實現(xiàn)，同層實體間受該層規(guī)約的約束并利用下一層提供的服務(wù)交換數(shù)據(jù)并控制電能的交換和質(zhì)量，P-CPS參考模型、P-CPS服務(wù)定義以及P-CPS規(guī)約描述是實現(xiàn)P-CPS開放、互聯(lián)、信息與電能雙向交換的標(biāo)準(zhǔn)，從而將CPS與未來電氣物理設(shè)備的研發(fā)融合在一起，提出電氣信息物理系統(tǒng)(P-CPS)統(tǒng)一建模理論，為能量路由器的研發(fā)指明了方向。
[0055]以P-CPS層次模型為發(fā)展目標(biāo)，未來面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)能量路由器一定是結(jié)構(gòu)模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、控制智能化、通訊堅強(qiáng)化、系統(tǒng)魯棒化的集監(jiān)測、計算、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治的智能型設(shè)備。符合能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)理念能量路由器的設(shè)備形態(tài)主要包括以下特點:
[0056](I)是采用柔性控制的電力電子技術(shù)的固態(tài)設(shè)備，體積小，重量輕，無環(huán)境污染；
[0057](2)支持功率流和信息流的雙向流動；
[0058](3)兼具傳統(tǒng)變壓器、斷路器、潮流控制器和電能質(zhì)量控制裝置的功能；
[0059](4)可以交直流混合供電；
[0060](5)分布式能源、儲能裝置、不確定負(fù)荷的即插即用接入；
[0061](6)與物理設(shè)備高度融合的中央控制器和通訊，能夠連管理系統(tǒng)平臺，以及其他智能電力設(shè)備和消費者。可以高度自主化，對各種電量進(jìn)行監(jiān)測、顯示、分析處理來判斷各種異常情況對其自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，也可通過能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)智能能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測和控制。
[0062]在此P-CPS參考模型基礎(chǔ)上設(shè)計基于CPS融合的能量路由器開放對等信息能源一體化架構(gòu)，包括模塊組成和模塊功能定義，如圖5所示，使其滿足結(jié)構(gòu)模塊化、控制智能化、通訊堅強(qiáng)化和系統(tǒng)魯棒化等特征。并最終實現(xiàn)電能和信息的雙向流動，以及配電網(wǎng)系統(tǒng)電能雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，從而最大限度地適應(yīng)分布式能源的接入，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)配電系統(tǒng)架構(gòu)。
[0063]本發(fā)明提供的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，包括監(jiān)測模塊、通訊模塊、信息處理模塊、智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊、電能接口模塊和儲能模塊；所述監(jiān)測模塊將監(jiān)測信息通過所述通訊模塊傳輸給所述信息處理模塊，所述信息處理模塊將運算處理后的數(shù)據(jù)通過所述通訊模塊傳輸給所述智能控制模塊，所述智能控制模塊將控制信息通過所述通訊模塊傳輸給所述電力電子固態(tài)模塊，同時傳輸給監(jiān)測模塊、信息處理模塊、儲能模塊和通信模塊，從而控制能量路由器的運行，所述儲能模塊為所述能量路由器提供電能存儲。
[0064]所述監(jiān)測模塊包括傳感器和檢測器；所述監(jiān)測模塊對電能轉(zhuǎn)換和傳輸過程中電力電子固態(tài)模塊、儲能模塊和電能接口模塊各自的工作狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測信息通過通訊模塊反饋給所述信息處理模塊。
[0065]所述通訊模塊包括內(nèi)部信息總線和外部通訊連接接口，通過通訊模塊完成監(jiān)測模塊與信息處理模塊之間、信息處理模塊與智能控制模塊之間一級以及智能控制模塊與電力電子固態(tài)模塊之間的信息傳輸，并同時提供面向電氣信息物理系統(tǒng)的內(nèi)部和外部通信連接，以及多種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換和多種信息接入接口。
[0066]所述信息處理模塊將監(jiān)測模塊對能量路由器監(jiān)測得到的監(jiān)測信息，所述監(jiān)測信息經(jīng)通訊模塊的內(nèi)部信息總線傳輸給所述信息處理模塊進(jìn)行處理后，再由通信模塊傳遞給智能控制模塊；智能控制模塊根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，從而控制能量路由器運行。
[0067]所述信息處理模塊包括處理器和存儲器，其負(fù)責(zé)智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊和儲能模塊的數(shù)據(jù)收集、整理并進(jìn)行中間數(shù)據(jù)的計算，對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行協(xié)議化處理。
[0068]所述智能控制模塊主要包括控制器、存儲器和處理器；所述智能控制模塊根據(jù)信息處理模塊傳遞來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行控制算法的運算，并將控制信息經(jīng)通信模塊作用于能量路由器的其他模塊或通過通訊模塊與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。主要功能包括模塊間的管理和協(xié)調(diào)，智能處理和優(yōu)化，與配電管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等。
[0069]所述電能接口模塊主要包括多種交直流標(biāo)準(zhǔn)電氣連接端口 ；交流電網(wǎng)、分布式發(fā)電裝置、分布式儲能裝置和交直流負(fù)荷通過電能接口模塊與電力電子固態(tài)模塊電氣相連，進(jìn)而與儲能模塊相連，智能控制模塊經(jīng)由通信模塊控制電能接口模塊的運行。
[0070]該能量路由器具備了雙向功率流和同時提供高質(zhì)量可控的交直流輸出的功能，其電能輸入和輸出接口產(chǎn)生了較大的變化，它將不再是過去傳統(tǒng)變壓器的三相交流輸入和三相交流輸出一進(jìn)一出的模式，考慮到面向應(yīng)用的不同會提出不同的輸入輸出結(jié)構(gòu)，多種接口方式將并存，提供多種可供選擇的電能接口，針對不同的用戶需求會使用不同接口和模型，如:單向電流的交直流純負(fù)荷、雙向功率流的分布式電源和微網(wǎng)接入、大規(guī)模儲能設(shè)備的接入等。
[0071]所述儲能模塊是能量路由器的電能存儲模塊，提供電能質(zhì)量控制補(bǔ)償或在信息物理系統(tǒng)供電故障時提供有功功率，也可進(jìn)行電力系統(tǒng)的功率平衡作用；
[0072]所述儲能模塊通過DC/AC變流器與電力電子固態(tài)模塊進(jìn)行電氣相連，智能控制模塊通過監(jiān)測模塊、信息處理模塊和通信模塊進(jìn)行信息相連并監(jiān)測、管理和控制儲能模塊的運行。[0073]能量路由器的核心模塊即電力電子固態(tài)模塊，該模塊是對電能進(jìn)行控制的主要物理裝置，它是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的電能交換技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電力設(shè)備，這里所謂的電力特征包括:電壓(或電流)的幅值、相位、頻率、相數(shù)和波形等。在結(jié)構(gòu)上，它包含兩個基本要素:電力電子變換器和高頻變壓器，顯然，此處的電力電子變換器包含了主回路部分和控制部分，其中電力電子變換器實現(xiàn)能量路由器與電源和負(fù)載接口，高頻變壓器實現(xiàn)兩側(cè)電力電子變換器的鏈接，高頻變壓器的功能是隔離及電壓等級變換，頻率通常工作在kHz級別，高頻的目的主要是大幅縮小變壓器的體積、減輕重量、減少散熱以及提高容量與效率等。圖7給出了電力電子固態(tài)模塊的原理結(jié)構(gòu)，通過引入電力電子變換器對能量路由器一次側(cè)和二次側(cè)的電能進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)能量路由器一次側(cè)、二次側(cè)電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。以單向潮流核心固態(tài)模塊的工作原理為例:當(dāng)高壓側(cè)接到電源時，原方電力電子變換器將輸入的電變換成高頻交流電；高頻交流電施加到與之相連的高頻變壓器的高壓側(cè)繞組，高頻變壓器的低壓側(cè)繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；感應(yīng)電動勢施加到與低壓側(cè)繞組相連的副方電力電子變換器，經(jīng)其變換成所需要的形式的電能輸出，向負(fù)載供電。根據(jù)電力電子變換器特點，通過改變其輸出的相關(guān)電力特征的給定，如:頻率、初相角和波形，就可以在電力電子固態(tài)模塊的低壓側(cè)得到所需要的形式的電能。能量路由器既可以用于交流變電，也可以用于直流變電或交直流混合變電，這都可以通過其核心固態(tài)模塊的設(shè)計和控制來實現(xiàn)。
[0074]如圖6和圖7，電力電子固態(tài)模塊包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；所述AC/DC整流器通過高壓直流母線連接所述DC/AC變流器，所述DC/AC變流器、高頻變壓器和AC/DC變流器依次連接，所述AC/DC變流器通過低壓直流母線連接低壓級直流母線并聯(lián)模塊，所述低壓級直流母線并聯(lián)模塊連接所述DC/AC逆變器。
[0075]工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調(diào)制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉(zhuǎn)換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負(fù)載的供電；
[0076]所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構(gòu)成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側(cè)所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結(jié)構(gòu)；
[0077]所述DC/AC變流器由η個單相全橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側(cè)通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側(cè)連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換；
[0078]所述高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離；
[0079]所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相全橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換；
[0080]所述DC/AC逆變器由三個單相全橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸；
[0081]所述高壓直流母線和低壓直流母線上分別設(shè)有多個直流電容；
[0082]所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
[0083]電力電子固態(tài)模塊是能量路由器的核心模塊，它的性能直接決定了能量路由器的性能。本發(fā)明采用H橋級聯(lián)型多電平變換器實現(xiàn)AC/DC高壓級電能變換，級聯(lián)的H橋單元數(shù)為I?n，其中A相的高壓級、隔離級和低壓級電路拓?fù)淙鐖D9所示。高壓級每個級聯(lián)H橋單元對應(yīng)隔離級高壓側(cè)的一個單相DC/AC變流器，隔離級高頻變壓器原副邊繞組數(shù)分別為η和3，隔離級輸出側(cè)由三個單相全橋模塊組成。具有互平衡功能的電力電子固態(tài)模塊低壓級由低壓級直流母線并聯(lián)模塊和三個獨立控制的單相全橋逆變器以及LC濾波器組成，其中低壓級直流母線并聯(lián)模塊如圖10所示。
[0084](I)高壓級設(shè)計
[0085]在中高壓智能配電網(wǎng)中，通常要求電力電子固態(tài)模塊輸入級具有高的電壓等級，但是以目前功率器件的工藝水平，其耐壓還不能適應(yīng)中高壓配電網(wǎng)。為此，本發(fā)明通過多個單相H橋變換器單元級聯(lián)的方式提高電力電子固態(tài)模塊輸入級的電壓等級，如圖9所示，其中H橋單元級聯(lián)數(shù)η的值取決于電力電子固態(tài)模塊高壓側(cè)所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，其高壓級三相電路采用星形“Y”結(jié)構(gòu)形式。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸入電壓波形好、諧波含量少，電流波形質(zhì)量好和功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點。
[0086](2)隔離級設(shè)計
[0087]隔離級具有電壓等級變換和電氣隔離功能，如圖9所示，每相隔離級輸入側(cè)均由η個單相DC/AC變換器模塊組成，其直流側(cè)通過高壓直流母線與電力電子固態(tài)模塊高壓級直流側(cè)相連接，完成直流到中高頻交流方波的電能變換。隔離級高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結(jié)構(gòu)，完成高、低壓級高頻方波電壓等級變換和電氣隔離。隔離級每相輸出均由3個獨立控制的單相AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波到直流電能的變換。隔離級輸出側(cè)變換器的直流母線接入低壓級直流母線并聯(lián)模塊，與其他兩相各對應(yīng)變換器單元直流輸出交叉并聯(lián)，如圖10所示。
[0088](3)低壓級設(shè)計
[0089]本發(fā)明設(shè)計的電力電子固態(tài)模塊低壓級由低壓級直流母線并聯(lián)模塊、3個單相全橋逆變模塊和對應(yīng)LC濾波器組成，如圖9所示。低壓級通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊與隔離級低壓側(cè)單相全橋變流器模塊的直流輸出相連接。其中低壓級直流母線并聯(lián)模塊如圖10所示，隔離級低壓側(cè)3個單相全橋變流器模塊的直流輸出DCA1、DCBi和DCa對應(yīng)地并聯(lián)，，組成電力電子固態(tài)模塊低壓級3個單相全橋逆變模塊的直流母線DCa、DCb和DC。，其中i =
1、2、3。這種在低壓母線直流側(cè)交錯并聯(lián)的最大優(yōu)點是從結(jié)構(gòu)上解決了電力電子固態(tài)模塊高、低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響，而且自動提高了供電可靠性，只要一個子模塊運行正常就能保證基本用電，大大提高了供電可靠性，而且其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，這也是本發(fā)明設(shè)計的電力電子固態(tài)模塊可以實現(xiàn)自動互平衡功能的關(guān)鍵所在。3個單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的低壓交流電能，最終完成電力電子固態(tài)模塊的電壓變換和電能傳輸功倉泛。
[0090]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述能量路由器包括監(jiān)測模塊、通訊模塊、信息處理模塊、智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊、電能接口模塊和儲能模塊；所述監(jiān)測模塊將監(jiān)測信息通過所述通訊模塊傳輸給所述信息處理模塊，所述信息處理模塊將運算處理后的數(shù)據(jù)通過所述通訊模塊傳輸給所述智能控制模塊，所述智能控制模塊將控制信息通過所述通訊模塊傳輸給所述電力電子固態(tài)模塊，同時傳輸給監(jiān)測模塊、信息處理模塊和儲能模塊，從而控制能量路由器的運行，所述儲能模塊為所述能量路由器提供電能存儲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述監(jiān)測模塊包括傳感器和檢測器；所述監(jiān)測 模塊對電能轉(zhuǎn)換和傳輸過程中電力電子固態(tài)模塊、儲能模塊和電能接口模塊各自的工作狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測信息通過通訊模塊反饋給所述信息處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述通訊模塊包括內(nèi)部信息總線和外部通訊連接接口，通過通訊模塊完成監(jiān)測模塊與信息處理模塊之間、信息處理模塊與智能控制模塊之間一級以及智能控制模塊與電力電子固態(tài)模塊之間的信息傳輸，并同時提供面向電氣信息物理系統(tǒng)的內(nèi)部和外部通信連接，以及多種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換和多種信息接入接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述信息處理模塊將監(jiān)測模塊對能量路由器監(jiān)測得到的監(jiān)測信息，所述監(jiān)測信息經(jīng)通訊模塊的內(nèi)部信息總線傳輸給所述信息處理模塊進(jìn)行處理后，再由通信模塊傳遞給智能控制模塊；智能控制模塊根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，從而控制能量路由器運行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述信息處理模塊包括處理器和存儲器，其負(fù)責(zé)智能控制模塊、電力電子固態(tài)模塊和儲能模塊的數(shù)據(jù)收集、整理并進(jìn)行中間數(shù)據(jù)的計算，對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行協(xié)議化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述智能控制模塊主要包括控制器、存儲器和處理器；所述智能控制模塊根據(jù)信息處理模塊傳遞來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行控制算法的運算，并將控制信息經(jīng)通信模塊作用于能量路由器的其他模塊或通過通訊模塊與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述電力電子固態(tài)模塊包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；所述AC/DC整流器通過高壓直流母線連接所述DC/AC變流器，所述DC/AC變流器、高頻變壓器和AC/DC變流器依次連接，所述AC/DC變流器通過低壓直流母線連接低壓級直流母線并聯(lián)模塊，所述低壓級直流母線并聯(lián)模塊連接所述DC/AC逆變器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調(diào)制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉(zhuǎn)換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負(fù)載的供電； 所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構(gòu)成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側(cè)所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結(jié)構(gòu)； 所述DC/AC變流器由η個單相全橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側(cè)通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側(cè)連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換； 所述高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離； 所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相全橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換； 所述DC/AC逆變器由三個單相全橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸； 所述高壓直流母線和低壓直流母線上分別設(shè)有多個直流電容； 所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述電能接口模塊主要包括多種交直流標(biāo)準(zhǔn)電氣連接端口 ；交流電網(wǎng)、分布式發(fā)電裝置、分布式儲能裝置和交直流負(fù)荷通過電能接口模塊與電力電子固態(tài)模塊電氣相連，進(jìn)而與儲能模塊相連，智能控制模塊經(jīng)由通信模塊控制電能接口模塊的運行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息物理系統(tǒng)融合的能量路由器，其特征在于:所述儲能模塊是能量路由器的電能存儲模塊，提供電能質(zhì)量控制補(bǔ)償或在信息物理系統(tǒng)供電故障時提供有功功率，也可進(jìn)行電力系統(tǒng)的功率平衡作用； 所述儲能模塊通過DC/AC變流器與電力電子固態(tài)模塊進(jìn)行電氣相連，智能控制模塊通過監(jiān)測模塊、信息處理模塊和通信模塊進(jìn)行信息相連并監(jiān)測、管理和控制儲能模塊的運行。
【文檔編號】H02J13/00GK103973559SQ201410236502
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】段青, 盛萬興, 孟曉麗, 史常凱, 馬春艷 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院