一种基于信息物理系统融合的能量路由器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于信息物理系统融合的能量路由器，包括监测模块、通讯模块、信息处理模块、智能控制模块、电力电子固态模块、电能接口模块和储能模块；监测模块将监测信息通过通讯模块传输给信息处理模块，信息处理模块将运算处理后的数据传输给智能控制模块，智能控制模块将控制信息传输给能量路由器其他各模块，以控制能量路由器对电能的转换、双向传输和协调运行，储能模块提供电能的存储。本发明在电气信息物理系统(P-CPS)基础上设计基于信息物理系统融合的能量路由器系统结构，使其满足结构模块化、控制智能化、通讯坚强化和系统鲁棒化等特征并具备实用化的可行性，该能量路由器，其具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能。
【专利说明】一种基于信息物理系统融合的能量路由器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种路由器，具体讲涉及一种基于信息物理系统融合的能量路由器。【背景技术】
[0002]能源互联网作为一种未来能源网络的发展模式和解决方案在国内外引起了广泛关注，它利用信息互联网技术和智能终端技术构建智能能源共享网络平台，虽然电能源仅仅是能源的一种，但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势，未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网，因此未来能源互联网其实质就是互联网式的电网，它在现有电网基础上通过先进电力电子技术和信息技术，融合大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，能够实现电能和信息的双向流动，它让每个电力用户都成为能源企业家，从而提高能源的利用率。它是以互联网理念构建新型能源与信息融合的“广域网”，即以大电网为“主干网”，以微电网为“局域网”，设计开放对等的信息能源一体化架构，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度地适应分布式能源的接入。图1和图2分别为能源互联网系统与计算机互联网的结构图，其中能量路由器是构建能源互联网的关键装备。
[0003]由于受当前技术限制以及对分布式能源接入配电网要求，能量互联网的研究和建设首先必然是从配用电端开始，而目前机械式、机电式、刚性的配电网装备已无法满足能源互联网的功能需求，如配电变压器，必须研制一种全柔性控制的配用电关键设备——能量路由器。这需要利用先进电力电子技术、智能控制技术和信息技术对现有传统配电网的刚性控制的装备进行变革，使得未来这种配电网电能分配装置——能量路由器除具备电能分配功能外，还具备变压、变流、电气隔离、存储、电能质量控制以及分布式能源即插即用接入和通讯与自治功能。
[0004]信息物理系统(Cyber Physical Systems, CPS)的概念最早是由美国国家基金委员会在2006年提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮，其核心是3Cs (计算Computat ion、通讯Communi cat ion、控制Control)的融合,如图3所不。CPS是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体，它包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使得物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。CPS愿景的实现，意味着人类将拥有远超以往的对物理世界的强大控制能力，美国总统科学技术咨询委员会(PCAST)在2007年向美国总统提交的报告中明确建议将CPS列为美国联邦政府研究投入的第一优先领域。欧盟、日本和韩国随即也提出了 CPS研究计划。中国对CPS研究也相当重视，国家自然科学基金、科技部973计划和863计划都已将CPS列为重点资助领域。
[0005]CPS的提出与发展促进了电力系统与电力信息系统的深度融合，并为实现电网智能化提供了新的思路和实现途径，但是国内关于电力系统与CPS融合的研究还较少。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于信息物理系统融合的能量路由器，其具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能，本发明将信息物理系统CPS应用于电气系统和未来智能电气装备的研发。设计了能量路由器和CPS融合的系统层次模型，将CPS与未来电气物理设备的研发融合在一起，提出了电气信息物理系统(P-CPS)统一建模理论，为能量路由器的研发指明了方向；在此基础上设计基于信息物理系统融合的能量路由器系统结构，使其满足结构模块化、控制智能化、通讯坚强化和系统鲁棒化等特征并具备实用化的可行性。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0008]提供一种基于信息物理系统融合的能量路由器，所述能量路由器包括监测模块、通讯模块、信息处理模块、智能控制模块、电力电子固态模块、电能接口模块和储能模块；所述监测模块将监测信息通过所述通讯模块传输给所述信息处理模块，所述信息处理模块将运算处理后的数据通过所述通讯模块传输给所述智能控制模块，所述智能控制模块将控制信息通过所述通讯模块传输给所述电力电子固态模块，同时传输给监测模块、信息处理模块和储能模块，从而控制能量路由器的运行，所述储能模块为所述能量路由器提供电能存储。
[0009]所述监测模块包括传感器和检测器；所述监测模块对电能转换和传输过程中电力电子固态模块、储能模块和电能接口模块各自的工作状态、电能质量和环境进行监测，并将监测信息通过通讯模块反馈给所述信息处理模块。
[0010]所述通讯模块包括内部信息总线和外部通讯连接接口，通过通讯模块完成监测模块与信息处理模块之间、信息处理模块与智能控制模块之间一级以及智能控制模块与电力电子固态模块之间的信息传输，并同时提供面向电气信息物理系统的内部和外部通信连接，以及多种通讯协议的转换和多种信息接入接口。
[0011]所述信息处理模块将监测模块对能量路由器监测得到的监测信息，所述监测信息经通讯模块的内部信息总线传输给所述信息处理模块进行处理后，再由通信模块传递给智能控制模块；智能控制模块根据输入的数据信息产生相应的控制信号，从而控制能量路由器运行。
[0012]所述信息处理模块包括处理器和存储器，其负责智能控制模块、电力电子固态模块和储能模块的数据收集、整理并进行中间数据的计算，对数据格式进行协议化处理。
[0013]所述智能控制模块主要包括控制器、存储器和处理器；所述智能控制模块根据信息处理模块传递来的数据信息进行控制算法的运算，并将控制信息经通信模块作用于能量路由器的其他模块或通过通讯模块与外部网络进行通讯。
[0014]所述电力电子固态模块包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。
[0015]工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电；
[0016]所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构；
[0017]所述DC/AC变流器由η个单相全桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换；
[0018]所述高频变压器每相绕组均采用η入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离；
[0019]所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相全桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换；
[0020]所述DC/AC逆变器由三个单相全桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输；
[0021]所述高压直流母线和低压直流母线上分别设有多个直流电容；
[0022]所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。
[0023]所述电能接口模块主要包括多种交直流标准电气连接端口 ；交流电网、分布式发电装置、分布式储能装置和交直流负荷通过电能接口模块与电力电子固态模块电气相连，进而与储能模块相连，智能控制模块经由通信模块控制电能接口模块的运行。
[0024]所述储能模块是能量路由器的电能存储模块，提供电能质量控制补偿或在信息物理系统供电故障时提供有功功率，也可进行电力系统的功率平衡作用；
[0025]所述储能模块通过DC/AC变流器与电力电子固态模块进行电气相连，智能控制模块通过监测模块、信息处理模块和通信模块进行信息相连并监测、管理和控制储能模块的运行。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0027](I)能量路由器作为其电能分配的关键设备，它的性能直接影响着能源互联网的运行效率。信息物理系统CPS是一种将数字化、网络化系统与物理过程密切整合的设备系统。本发明将电气物理系统与CPS融合,设计了 P-CPS融合的电气信息物理系统互联参考模型，该模型采用按功能模块分层实现整个系统功能，从而使基于CPS融合的未来能量路由器的研发遵循具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能的P-CPS融合机制。
[0028](2)本发明设计了基于CPS融合的能量路由器系统结构，定义了能量路由器的功能模块和模块实现方法，为能量路由器的研制打下了基础。
[0029](3)本发明设计了能量路由器核心模块——电力电子固态模块的实现方式，综合满足电能的电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，这是因为它可以实际控制包括对电压(或电流)的幅值、相位、频率、相数、相序和波形等电能参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是现有技术中计算机互联网结构图；
[0031]图2是现有技术中能源互联网系统结构图；
[0032]图3是现有技术中CPS的3C概念原理图；
[0033]图4是现有技术中P-CPS互联参考模型示意图；
[0034]图5是本发明实施例中基于信息物理系统融合的能量路由器结构图；
[0035]图6是本发明实施例中电力电子固态模块结构框图；
[0036]图7是本发明实施例中电力电子固态模块控制原理图；
[0037]图8是本发明实施例中电力电子固态模块实际结构图；
[0038]图9是本发明实施例中电力电子固态模块电路拓扑结构图；
[0039]图10是本发明实施例中低压级直流母线并联模块拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0041]为了实现能源互联网配电系统架构，并且使其关键设备——能量路由器具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能，本发明创新性地将CPS融合理念应用于能量路由器的研发模型。这是由于CPS作为计算进程和物理进程的统一体，它在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制于一体，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环来实现深度融合和实时交互，从而使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能。
[0042]作为计算进程和电气物理进程的统一体，集成计算、通讯与控制的面向能源互联网的未来智能配电装备一能量路由器也应是符合CPS融合技术的智能体。必须将能量路由器的研发纳入到CPS发展的规划中来，由于CPS还是一个崭新的研究方向，国内对于电气信息物理系统P-CPS(P0Wer-CPS)的研究基本处于空白。发展信息系统与电力物理系统的统一建模理论是P-CPS要解决的最关键也是最急迫的任务之一。新的系统理论和模型必须能适应P-CPS连续性与离散性并存的特点，必须既能显式表征物理系统的时域信息又能显式表征信息系统的执行次序。P-CPS其他方面的研究都将建立在新的理论基础之上。首先定义了 P-CPS融合的层次化参考模型，如图4所示。
[0043]参照信息互联中开放系统互联参考模型(Open System Interconnect/ReferenceModel, OSI/RM)的成功经验，将P-CPS的参考模型采用层次化结构，每层按功能分别实现，同层实体间受该层规约的约束并利用下一层提供的服务交换数据并控制电能的交换和质量，P-CPS参考模型、P-CPS服务定义以及P-CPS规约描述是实现P-CPS开放、互联、信息与电能双向交换的标准。在此定义P-CPS的参考模型分为5层。
[0044](I)物理层
[0045]由可全柔性控制的集成固态模块或物理设备构成，如对于能量路由器来说，它将是以复合型电力电子器件集成的固态模块和高频变压器等电气物理设备组成，完成电气操作的基本功能，通过控制可实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备，这里所谓的电力特征包括:电压(或电流)的幅值、相位、频率、相数和波形等。
[0046](2)感知层
[0047]由传感器、控制器和嵌入式操作系统等感知设备组成，负责感知用户感兴趣的物理层的某些物理属性，比如温度、湿度等环境参数，电压、电流、功率等电气特征参数等，实现多感知器协同感知物理世界状态。
[0048](3)网络层
[0049]连接信息世界与物理世界的各种对象，实现数据交换，支持协同感知和协同控制的CPS实时网络，为系统提供实时网络服务，保证网络分组的实时传输。
[0050](4)认知层
[0051]通过感知数据的认知计算、分析和推理，正确和深入地认识物理世界。该层分为认知逻辑层、管理逻辑层和认知适配层3个子层
[0052](5)控制层
[0053]控制层也叫应用层。控制层根据认知层的认知结果，确定控制策略，发布控制指令，远程指挥各个物理设备终端协同控制物理世界，形成反馈循环控制系统。当物理世界的被控制量偏离指令值时，CPS会自动产生相应的控制作用消除偏差。
[0054]本发明设计电气系统CPS(P-CPS)融合的系统层次模型，该系统模型按功能模块分层实现整个系统功能，共分为5层，参照信息互联中开放系统互联参考模型(Open SystemInterconnect/Reference Model,0SI/RM)的成功经验,将P-CPS的参考模型采用层次化结构，每层按功能分别实现，同层实体间受该层规约的约束并利用下一层提供的服务交换数据并控制电能的交换和质量，P-CPS参考模型、P-CPS服务定义以及P-CPS规约描述是实现P-CPS开放、互联、信息与电能双向交换的标准，从而将CPS与未来电气物理设备的研发融合在一起，提出电气信息物理系统(P-CPS)统一建模理论，为能量路由器的研发指明了方向。
[0055]以P-CPS层次模型为发展目标，未来面向能源互联网的配电网能量路由器一定是结构模块化、接口标准化、控制智能化、通讯坚强化、系统鲁棒化的集监测、计算、精确控制、远程协作和自治的智能型设备。符合能源互联网建设理念能量路由器的设备形态主要包括以下特点:
[0056](I)是采用柔性控制的电力电子技术的固态设备，体积小，重量轻，无环境污染；
[0057](2)支持功率流和信息流的双向流动；
[0058](3)兼具传统变压器、断路器、潮流控制器和电能质量控制装置的功能；
[0059](4)可以交直流混合供电；
[0060](5)分布式能源、储能装置、不确定负荷的即插即用接入；
[0061](6)与物理设备高度融合的中央控制器和通讯，能够连管理系统平台，以及其他智能电力设备和消费者。可以高度自主化，对各种电量进行监测、显示、分析处理来判断各种异常情况对其自身和系统进行保护，也可通过能源互联网的配电系统智能能量管理系统实现在线连续监测和控制。
[0062]在此P-CPS参考模型基础上设计基于CPS融合的能量路由器开放对等信息能源一体化架构，包括模块组成和模块功能定义，如图5所示，使其满足结构模块化、控制智能化、通讯坚强化和系统鲁棒化等特征。并最终实现电能和信息的双向流动，以及配电网系统电能双向按需传输和动态平衡使用，从而最大限度地适应分布式能源的接入，实现能源互联网配电系统架构。
[0063]本发明提供的基于信息物理系统融合的能量路由器，包括监测模块、通讯模块、信息处理模块、智能控制模块、电力电子固态模块、电能接口模块和储能模块；所述监测模块将监测信息通过所述通讯模块传输给所述信息处理模块，所述信息处理模块将运算处理后的数据通过所述通讯模块传输给所述智能控制模块，所述智能控制模块将控制信息通过所述通讯模块传输给所述电力电子固态模块，同时传输给监测模块、信息处理模块、储能模块和通信模块，从而控制能量路由器的运行，所述储能模块为所述能量路由器提供电能存储。
[0064]所述监测模块包括传感器和检测器；所述监测模块对电能转换和传输过程中电力电子固态模块、储能模块和电能接口模块各自的工作状态、电能质量和环境进行监测，并将监测信息通过通讯模块反馈给所述信息处理模块。
[0065]所述通讯模块包括内部信息总线和外部通讯连接接口，通过通讯模块完成监测模块与信息处理模块之间、信息处理模块与智能控制模块之间一级以及智能控制模块与电力电子固态模块之间的信息传输，并同时提供面向电气信息物理系统的内部和外部通信连接，以及多种通讯协议的转换和多种信息接入接口。
[0066]所述信息处理模块将监测模块对能量路由器监测得到的监测信息，所述监测信息经通讯模块的内部信息总线传输给所述信息处理模块进行处理后，再由通信模块传递给智能控制模块；智能控制模块根据输入的数据信息产生相应的控制信号，从而控制能量路由器运行。
[0067]所述信息处理模块包括处理器和存储器，其负责智能控制模块、电力电子固态模块和储能模块的数据收集、整理并进行中间数据的计算，对数据格式进行协议化处理。
[0068]所述智能控制模块主要包括控制器、存储器和处理器；所述智能控制模块根据信息处理模块传递来的数据信息进行控制算法的运算，并将控制信息经通信模块作用于能量路由器的其他模块或通过通讯模块与外部网络进行通讯。主要功能包括模块间的管理和协调，智能处理和优化，与配电管理系统的协调优化控制等。
[0069]所述电能接口模块主要包括多种交直流标准电气连接端口 ；交流电网、分布式发电装置、分布式储能装置和交直流负荷通过电能接口模块与电力电子固态模块电气相连，进而与储能模块相连，智能控制模块经由通信模块控制电能接口模块的运行。
[0070]该能量路由器具备了双向功率流和同时提供高质量可控的交直流输出的功能，其电能输入和输出接口产生了较大的变化，它将不再是过去传统变压器的三相交流输入和三相交流输出一进一出的模式，考虑到面向应用的不同会提出不同的输入输出结构，多种接口方式将并存，提供多种可供选择的电能接口，针对不同的用户需求会使用不同接口和模型，如:单向电流的交直流纯负荷、双向功率流的分布式电源和微网接入、大规模储能设备的接入等。
[0071]所述储能模块是能量路由器的电能存储模块，提供电能质量控制补偿或在信息物理系统供电故障时提供有功功率，也可进行电力系统的功率平衡作用；
[0072]所述储能模块通过DC/AC变流器与电力电子固态模块进行电气相连，智能控制模块通过监测模块、信息处理模块和通信模块进行信息相连并监测、管理和控制储能模块的运行。[0073]能量路由器的核心模块即电力电子固态模块，该模块是对电能进行控制的主要物理装置，它是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能交换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备，这里所谓的电力特征包括:电压(或电流)的幅值、相位、频率、相数和波形等。在结构上，它包含两个基本要素:电力电子变换器和高频变压器，显然，此处的电力电子变换器包含了主回路部分和控制部分，其中电力电子变换器实现能量路由器与电源和负载接口，高频变压器实现两侧电力电子变换器的链接，高频变压器的功能是隔离及电压等级变换，频率通常工作在kHz级别，高频的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高容量与效率等。图7给出了电力电子固态模块的原理结构，通过引入电力电子变换器对能量路由器一次侧和二次侧的电能进行实时控制，实现能量路由器一次侧、二次侧电压、电流和功率的灵活调节。以单向潮流核心固态模块的工作原理为例:当高压侧接到电源时，原方电力电子变换器将输入的电变换成高频交流电；高频交流电施加到与之相连的高频变压器的高压侧绕组，高频变压器的低压侧绕组会产生感应电动势；感应电动势施加到与低压侧绕组相连的副方电力电子变换器，经其变换成所需要的形式的电能输出，向负载供电。根据电力电子变换器特点，通过改变其输出的相关电力特征的给定，如:频率、初相角和波形，就可以在电力电子固态模块的低压侧得到所需要的形式的电能。能量路由器既可以用于交流变电，也可以用于直流变电或交直流混合变电，这都可以通过其核心固态模块的设计和控制来实现。
[0074]如图6和图7，电力电子固态模块包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。
[0075]工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电；
[0076]所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构；
[0077]所述DC/AC变流器由η个单相全桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换；
[0078]所述高频变压器每相绕组均采用η入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离；
[0079]所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相全桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换；
[0080]所述DC/AC逆变器由三个单相全桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输；
[0081]所述高压直流母线和低压直流母线上分别设有多个直流电容；
[0082]所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。
[0083]电力电子固态模块是能量路由器的核心模块，它的性能直接决定了能量路由器的性能。本发明采用H桥级联型多电平变换器实现AC/DC高压级电能变换，级联的H桥单元数为I?n，其中A相的高压级、隔离级和低压级电路拓扑如图9所示。高压级每个级联H桥单元对应隔离级高压侧的一个单相DC/AC变流器，隔离级高频变压器原副边绕组数分别为η和3，隔离级输出侧由三个单相全桥模块组成。具有互平衡功能的电力电子固态模块低压级由低压级直流母线并联模块和三个独立控制的单相全桥逆变器以及LC滤波器组成，其中低压级直流母线并联模块如图10所示。
[0084](I)高压级设计
[0085]在中高压智能配电网中，通常要求电力电子固态模块输入级具有高的电压等级，但是以目前功率器件的工艺水平，其耐压还不能适应中高压配电网。为此，本发明通过多个单相H桥变换器单元级联的方式提高电力电子固态模块输入级的电压等级，如图9所示，其中H桥单元级联数η的值取决于电力电子固态模块高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，其高压级三相电路采用星形“Y”结构形式。这种拓扑结构具有输入电压波形好、谐波含量少，电流波形质量好和功率因数可调等优点。
[0086](2)隔离级设计
[0087]隔离级具有电压等级变换和电气隔离功能，如图9所示，每相隔离级输入侧均由η个单相DC/AC变换器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与电力电子固态模块高压级直流侧相连接，完成直流到中高频交流方波的电能变换。隔离级高频变压器每相绕组均采用η入三出的绕组结构，完成高、低压级高频方波电压等级变换和电气隔离。隔离级每相输出均由3个独立控制的单相AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波到直流电能的变换。隔离级输出侧变换器的直流母线接入低压级直流母线并联模块，与其他两相各对应变换器单元直流输出交叉并联，如图10所示。
[0088](3)低压级设计
[0089]本发明设计的电力电子固态模块低压级由低压级直流母线并联模块、3个单相全桥逆变模块和对应LC滤波器组成，如图9所示。低压级通过低压级直流母线并联模块与隔离级低压侧单相全桥变流器模块的直流输出相连接。其中低压级直流母线并联模块如图10所示，隔离级低压侧3个单相全桥变流器模块的直流输出DCA1、DCBi和DCa对应地并联，，组成电力电子固态模块低压级3个单相全桥逆变模块的直流母线DCa、DCb和DC。，其中i =
1、2、3。这种在低压母线直流侧交错并联的最大优点是从结构上解决了电力电子固态模块高、低压侧系统不平衡的相互影响，而且自动提高了供电可靠性，只要一个子模块运行正常就能保证基本用电，大大提高了供电可靠性，而且其结构简单、控制方便，这也是本发明设计的电力电子固态模块可以实现自动互平衡功能的关键所在。3个单相全桥逆变模块经LC滤波器输出所需要的低压交流电能，最终完成电力电子固态模块的电压变换和电能传输功倉泛。
[0090]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述能量路由器包括监测模块、通讯模块、信息处理模块、智能控制模块、电力电子固态模块、电能接口模块和储能模块；所述监测模块将监测信息通过所述通讯模块传输给所述信息处理模块，所述信息处理模块将运算处理后的数据通过所述通讯模块传输给所述智能控制模块，所述智能控制模块将控制信息通过所述通讯模块传输给所述电力电子固态模块，同时传输给监测模块、信息处理模块和储能模块，从而控制能量路由器的运行，所述储能模块为所述能量路由器提供电能存储。
2.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述监测模块包括传感器和检测器；所述监测 模块对电能转换和传输过程中电力电子固态模块、储能模块和电能接口模块各自的工作状态、电能质量和环境进行监测，并将监测信息通过通讯模块反馈给所述信息处理模块。
3.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述通讯模块包括内部信息总线和外部通讯连接接口，通过通讯模块完成监测模块与信息处理模块之间、信息处理模块与智能控制模块之间一级以及智能控制模块与电力电子固态模块之间的信息传输，并同时提供面向电气信息物理系统的内部和外部通信连接，以及多种通讯协议的转换和多种信息接入接口。
4.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述信息处理模块将监测模块对能量路由器监测得到的监测信息，所述监测信息经通讯模块的内部信息总线传输给所述信息处理模块进行处理后，再由通信模块传递给智能控制模块；智能控制模块根据输入的数据信息产生相应的控制信号，从而控制能量路由器运行。
5.根据权利要求4所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述信息处理模块包括处理器和存储器，其负责智能控制模块、电力电子固态模块和储能模块的数据收集、整理并进行中间数据的计算，对数据格式进行协议化处理。
6.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述智能控制模块主要包括控制器、存储器和处理器；所述智能控制模块根据信息处理模块传递来的数据信息进行控制算法的运算，并将控制信息经通信模块作用于能量路由器的其他模块或通过通讯模块与外部网络进行通讯。
7.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述电力电子固态模块包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。
8.根据权利要求7所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电； 所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构； 所述DC/AC变流器由η个单相全桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换； 所述高频变压器每相绕组均采用η入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离； 所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相全桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换； 所述DC/AC逆变器由三个单相全桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输； 所述高压直流母线和低压直流母线上分别设有多个直流电容； 所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。
9.根据权利要求1 所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述电能接口模块主要包括多种交直流标准电气连接端口 ；交流电网、分布式发电装置、分布式储能装置和交直流负荷通过电能接口模块与电力电子固态模块电气相连，进而与储能模块相连，智能控制模块经由通信模块控制电能接口模块的运行。
10.根据权利要求1所述的基于信息物理系统融合的能量路由器，其特征在于:所述储能模块是能量路由器的电能存储模块，提供电能质量控制补偿或在信息物理系统供电故障时提供有功功率，也可进行电力系统的功率平衡作用； 所述储能模块通过DC/AC变流器与电力电子固态模块进行电气相连，智能控制模块通过监测模块、信息处理模块和通信模块进行信息相连并监测、管理和控制储能模块的运行。
【文档编号】H02J13/00GK103973559SQ201410236502
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】段青, 盛万兴, 孟晓丽, 史常凯, 马春艳 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院