基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法及系统与流程

本发明涉及新型电力系统中的电能路由器实验教学平台研究，具体为基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法。

背景技术：

1、考虑能源危机和环境污染问题，未来电网呈现出供电形式多样、能量多向流动以及主动调控功率流的新特点。不同于传统电力系统的自上而下的树状架构，新型电力系统将出现以微电网为代表的电能自治单元，自下而上通过对等互联形成能源互联网。传统电力设备无法满足新型电网的组网需求，电能路由器(electric energy router,eer)将成为未来能源互联网的核心设备。

2、电能路由器作为局域微网之间及与主干大电网的交互接口，将会遍布在未来能源互联网的各个层级。由于负荷密度、负荷性质、能源禀赋、上级电源等情况不同，电能路由器需要面对未来大量的差异化场景，其设计不能给出具有普适性的典型模式，基本采用的是定制化方案。传统定制化解决思路是一种以硬件为核心的开发模式，基于此生产出一系列电能路由器的标准功能化硬件产品，但未来复杂多样的电网运行场景不可能被其一一覆盖，并且此种方法是一种串行工作模式，开发效率低，成本过高，不便于面向工程实施。

3、基于电力电子技术的电能路由器目的在于提供各种源荷所需电能接口，而源荷功能主要依赖于软件实现，即未来电能路由器的差异化由软件体现，为此，需要利用软件定义技术来打破传统定制化方案中软硬件紧耦合的一体化设施，解放软件，追求功能软件化，以适应电气拓扑变化，性能上的灵活可变、功能上的可重组等新要求。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的电能路由器传统定制化方法存在电能路由器功能单一，灵活性不足，开发效率低，以及如何适应电气拓扑变化的优化问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法，包括通过标准化设计、模块化封装和硬件资源归一化构建电能路由器通用硬件平台；将软件定义方法应用于电能路由器的实验平台开发；对涵盖软件定义光储直流微网、软件定义风储交流微网、软件定义配电柔性互联的电能路由器进行研究分析。

4、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述电能路由器通用硬件平台包括控制策略定义平台、阀控硬件平台以及功率变换平台；所述控制策略定义平台运用图形化编程matlab/simulink软件搭建应用控制模型，通过rt_lib组件将硬件i/o功能集成在模型中，通过rt_coder组件自动编译生成模型组件实时应用程序，rt_sim主控软件通过以太网口监测实时仿真目标机的运行状态并支持在线修改参数，目标机通过以太网口下载主控计算机中的实时应用程序；采用通用实时仿真机，包括多核处理器、高速通信单元、协调优化硬件解算器、实时操作系统以及智能i/o接口，在图形化环境下开发控制软件，并与外部物理设备进行信息交互；所述阀控硬件平台包括pwm控制单元、adc采集单元以及通信单元，基于功能模块化将pwm控制单元和adc采集单元分别集成为两块单板，板卡均采用dsp+fpga双核处理器，dsp用于桥接作用，fpga用于控制功能实现，通信单元涉及控制器与目标机的以太网口以及与变流器的标准物理接口；所述功率变换平台组件是模块化变流器，基于电能路由器的功率多向流动，采用电压可控的四象限变流器拓扑结构设计变流器单元，根据功能划分原则，分解为功能单元，包括智能功率单元、直流电容单元、lc滤波单元以及传感器单元，接口单元包括标准物理接口和交直流电压接口，功能单元实现与控制的通信，接口单元实现电能路由器外接源荷设备的功能。

5、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述电能路由器通用硬件平台还包括变流器模式调节；若外部电网电压处于高压状态，电能路由器进入正向功率模式，提高功率输出水平，充分利用可用能源，调整变流器模块中的电压控制参数，提高功率输出；若外部电网电压处于低压状态，电能路由器进入逆向功率模式，降低功率输出，保护电能路由器受供电问题的影响，调整变流器模块中的电压控制参数，降低功率输出；若外部电网电压处于稳态状态，电能路由器进入稳态功率模式，维持稳定功率输出水平，根据外部电网电压的波动情况，对变流器模块中的电压控制参数进行动态调整，保持稳态功率输出。

6、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述电能路由器的实验平台开发包括应用层，中间层和物理层；所述应用层通过在matlab/simulink中搭建控制模型，实现光伏最大功率追踪、储能平滑功率与新型负载供用电的源荷功能和微网并网运行及能量分配管理功能，应用层与中间件和嵌入式实时操作系统进行交换，在控制模型中拖入i/o模块，应用层通过操作系统或接口驱动程序与物理层进行数据交换；所述中间层包括实时操作系统、中间件和基础软件层，负责物理层接口管理和数据驱动，支持应用层源荷功能的实现、更新与维护，实时操作系统为支撑软硬件解耦的核心，中间件屏蔽了底层操作系统的复杂性，实现应用程序与硬件分离，换流阀功能重构，基础软件层包括硬件的接口驱动程序和换流阀的阀控程序；所述物理层是控制硬件平台和功率变换硬件平台，包括电源管理单元、通信单元、信号输入输出单元、处理器单元、电能变换单元和外接源荷单元。

7、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述应用于电能路由器的实验平台开发包括能量分配优先级；当微网并网运行时，电能路由器优先分配光伏发电产生的能量给供电新型负载，在应用层的控制模型中实现光伏最大功率追踪算法，并通过中间层的实时操作系统和嵌入式驱动程序实时控制功率分配；当光伏发电能量不足时，优先分配储能系统的能量给供电新型负载，在应用层的控制模型中实现储能平滑功率算法，并通过中间层的实时操作系统和嵌入式驱动程序控制储能系统进行能量分配；当光伏发电和储能系统的能量均不足时，使用外部电网供电供电新型负载，通过中间层的实时操作系统和嵌入式驱动程序监测外部电网电压，并实现自动切换外部电网供电。

8、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述电能路由器包括光储直流微网，风储交流微网，配电柔性互联；通过3个通用型接口变换器间的组合，将光伏、储能以及交直流负载组成光储直流微网，同时利用软件定义的方法实现源荷储功能；通过4个通用型接口变换器间的组合，将风机、储能、交直流负载组成风储交流微网，同时利用软件定义的方法实现源网荷储功能；通过2个背靠背结构的通用型功率接口组成配电柔性互联装置。

9、作为本发明所述的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的一种优选方案，其中：所述研究分析包括软件定义光储直流微网，软件定义风储交流微网，软件定义配电柔性互联；当光伏发电系统的发电量下降时，自动通过软件定义调整储能系统的放电速率补充能量，且直流微网的负载过高时，自动通过软件定义调整光伏发电系统和储能系统的能量输出；当风力发电系统的风速不稳定时，自动通过软件定义调整储能系统的充放电策略平衡电网负载，当交流微网的负载需求增加时，自动通过软件定义调整风力发电系统和储能系统的运行模式，满足电能需求，当交流微网的负载需求减少时，系统通过软件定义调整风力发电系统的运行模式和储能系统的充电策略；当配电网中的支线故障时，通过软件定义实现自动切换并重新优化电力传输路径，完成优化后配电网中的电能需求出现波动时，通过软件定义实现动态优化，确保电力传输的稳定。

10、本发明的另外一个目的是提供基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台系统，其能通过软件定义应用模块引入实时操作系统和接口驱动程序，解决了目前的电能路由器控制和管理电能流动不够精确的问题。

11、作为本发明所述的物业室内机器人路径规划与轨迹控制系统的一种优选方案，其中：包括硬件平台构建模块，软件定义应用模块，研究分析模块；所述硬件平台构建模块用于通过标准化设计、模块化封装和硬件资源归一化构建一个高性能的电能路由器通用硬件平台，为软件定义应用模块提供基础；所述软件定义应用模块用于通过实时操作系统及接口驱动程序与物理层进行数据交换，基于中间件层的支持在实时操作系统的环境下运行，并与基础软件层进行协作；所述研究分析模块用于对涵盖软件定义光储直流微网、软件定义风储交流微网、软件定义配电柔性互联的电能路由器在不同特性和功能下进行研究分析。

12、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的步骤。

13、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法的步骤。

14、本发明的有益效果：本发明提供的基于变流器组的软件定义电能路由器实验平台方法通过按需加载应用软件，对不同电气拓扑的微网系统进行测试并提供高度的实物模拟结果，为电能路由器的研究建设提供了全方位支持。平台通过软硬件独立更新进行迭代升级，升级所需时间成本低，可扩展性能较高，具有强大的生命力，本发明在时间成本、可扩展性方面都取得更加良好的效果。