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1、(10)申请公布号 CN 103973559 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103973559 A (21)申请号 201410236502.4 (22)申请日 2014.05.30 H04L 12/701(2013.01) H02J 13/00(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 中国电力科学研究院 (72)发明人 段青 盛万兴 孟晓丽 史常凯 马春艳 (74)专利代理机构 北京安博达知识产权代理有 限公司 11271 代理人 徐国文 (54) 发明名称 一种基于信息物理系统融合的能量路由器 (57。
2、) 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。
3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书9页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103973559 A CN 103973559 A 1/2 页 2 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。
4、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 。
5、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 ； 。
6、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。
7、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。
8、， 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 权 利 要 求 书 CN 103973559 A 2 2/2 页 3 对负载的供电 ； 所述 AC/DC 整流器由多个单。
9、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 n 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 n 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。
10、 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。
11、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。 权 利 要 求 书 CN 1039735。
12、59 A 3 1/9 页 4 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。
13、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。
14、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。
15、算Computation、 通讯Communication、 控制Control)的融合， 如图3所示。 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。
16、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。 说 明 书 CN 103973559 A 4 2/9 页 5 发明内容 0006 为了克服上述现有技术的不足。
17、， 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。
18、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。
19、、 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 ； 。
20、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。
21、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 说 明 书 CN 103973559 A 5 3/9 页 6 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。
22、 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 n 个单相全桥 DC/AC 变流器模块组成， 。
23、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 n 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。
24、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。
25、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 (1) 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。
26、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 说 明 书 CN 103973559 A 6 4/9 页 7 值、 相位、 频率、 相数、 相序和波形等电能参。
27、数。 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 。
28、； 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。
29、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(Power-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。
30、。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/Reference Model,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 (1) 物理层 0045 由。
31、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 说 明 书 CN 103973559 A 7 5/9 页 8 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， 。
32、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。
33、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 System Interconnect/Reference Model， 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、 。
34、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 (1) 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。
35、 ； 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。
36、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 说 明 书 CN 103973559 A 8 6/9 页 9 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。
37、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。
38、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 。
39、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。
40、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。
41、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。 说 明 书 CN 103973559 A 9 7/9 页 10 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。
42、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。
43、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。
44、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。
45、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 n 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。
46、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 n 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 说 明 书 CN 103973559 A 10 8/9 页 11 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。
47、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 1 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n和3， 隔离级输出。
48、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 (1) 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n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。
49、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 n 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n 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、。