CN110460153B - 一种多端口电能路由器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多端口电能路由器控制系统，包括三层结构，第一层为模块控制器部分；第二层为端口控制器部分；第三层为由网络交换机、上位机和综自系统组成的部分，上位机和综自系统处于并列关系，各自通过网络交换机与各端口控制器进行数据交互。设置有同步控制器，保证各端口控制器、各模块控制器全局同步运行；各端口控制器之间采用光纤互连，实现系统分散控制，能有效减少数据传输时延，使控制和保护更加及时。通过扩展专用通信接口和同步时钟，实现多台电能路由器同步互联运行，提高电能路由器的容量和可靠性；通过优化多台电能路由器各端口的功率流向和配额，提高系统效率，实现电能路由器的集群控制。

Description

一种多端口电能路由器控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子设备技术领域，特别涉及一种多端口电能路由器控制系统。

背景技术

近年来，化石能源紧缺和环境污染问题日益突出，发展分布式可再生能源已成为推进我国能源转型的重要途径。随着可再生能源发电的渗透率日益增加，分布式发电的广泛普及以及以IT类负载、变频空调及电动汽车等为代表的广义直流用能设备比例快速升高，输配电系统的规模越来越庞大，传统电力系统由于在组网架构上的局限性已无法满足需求，电网的柔性互联和运行将越来越受到重视。新一代电力系统将会以可再生能源和清洁能源发电为主，骨干电源与分布式电源结合，主干电网与局域配电网、微电网相结合，由各电能自治单元通过对等互联形成一个开放、互联、分享的体系，要求具备精确、连续、快速、灵活的调控手段，要求信息和电能的高度融合，并向着“源-网-荷-储”协调优化运行的新阶段发展，成为未来能源互联网的核心和纽带。新一代电力系统的结构增加了各分布式网络间的柔性互联，这对电力电子变换装置提出了新的要求，电能路由器(ElectricalEnergy Router，以下简称EER)应运而生，它是一种多端口、多级联、多流向和多功能形态的电力电子变换器，作为面向能源互联网、能源微网和分布式能源的关键设备，通过它可像当前Internet中信息的发布和共享一样实现电能的调度和分配。

多端口EER在配用电网中应用前景广阔。图1和图2所示为两种典型的配/用双极混联四端口EER，具备10kV高压交流(high voltage alternating current，以下简称HVAC)、10kV高压直流(high voltage direct current，以下简称HVDC)、380V低压交流(lowvoltage alternating current，以下简称LVAC)和750V低压直流(low voltage directcurrent，以下简称LVDC)四个端口，各个端口的变流器采用模块化设计，由多个子模块构成。其中，在图1所示的四端口EER内部，各端口通过高频变压器(high frequencytransformer，以下简称HFT)绕组互联，构成一种具有高频交流汇集母线的结构；而图2所示的四端口EER中各端口采用直流母线相连，具备公共直流母线。在共直流母线的多端口EER中，各端口的控制相对独立，而与之不同的是，对于图1所示的基于交流汇集母线的EER，需要调节端口之间的移相角度差才能实现两个端口之间的功率流动，因此，端口之间存在强耦合，这对控制系统提出了更高要求。另外，在某些应用场合，需要采用多台EER互联运行，构成EER集群系统，如图3所示，如何提高EER控制系统的扩展性能，使其既能满足单台EER多个端口的控制要求，还能兼具系统集群控制能力，对于提高换流装置的扩容性、可靠性和用能效率至关重要。

针对四端口EER，传统的控制系统通常采用集中式或分布式结构。如图4所示，每个端口设有1个端口控制器，由1台上位机监控四个端口控制器，上位机作为主机，其它4个端口控制器作为从机，构成“1拖4”的分布式架构。同时，上位机还与综自系统进行信息交互。该控制系统架构存在如下缺陷：

(1)采用“1拖4”的分布式架构，端口控制器相互之间不能直接进行信息交互，各端口的启动、停止、故障处理等均由上位机控制。每个端口需要将自身的实时状态和故障信息上报给上位机，上位机再根据这些状态和故障信息决定各个端口的下一步运行。整个控制流程繁琐，而且端口之间信息的交互存在较大延迟，容易出现保护不及时、控制不流畅等问题。

(2)采用主从控制方式，可靠性较差，若上位机故障或上位机与端口控制器之间通信中断，系统将无法工作，甚至可能会造成严重事故。

(3)综自系统不能和端口控制器直接进行通信，需经过上位机节点，这样会造成端口控制保护不及时。

(4)采用“1拖4”的分布式架构和主从控制方式，不适用于EER集群控制。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种多端口电能路由器控制系统，包括三层结构，第一层为模块控制器部分；第二层为端口控制器部分；第三层为由网络交换机、上位机和综自系统组成的部分，所述上位机和所述综自系统处于并列关系，各自通过所述网络交换机与各端口控制器进行数据交互；其特征在于：该控制系统还设置有同步控制器，用于实现全局同步控制；所述各端口控制器之间采用光纤互连，用于实现系统分散控制；每个所述端口控制器设置有独立的外部通信接口，所述同步控制器提供外部同步信号，用于实现系统的集群控制。

进一步，所述上位机和所述综自系统只负责监视和控制参数、指令的下发，对所述电能路由器的各个端口的运行逻辑不起约束作用。

进一步，通过光纤互连的各所述端口控制器没有主机和从机之分，所述电能路由器任一端口离线后，不影响所述电能路由器其它端口运行；所述电能路由器任一端口通过互连光纤将自身的运行状态、故障信息和控制参数告知所述电能路由器其它端口。

进一步，根据所述电能路由器的其它端口的状态可以确定所述电能路由器的任一端口的下一个运行状态，实现多个端口依次有序启动和停机；根据所述电能路由器其它端口的故障信息可以判断所述电能路由器任一端口是否需要闭锁脉冲；通过交互控制参数，可以协同多个端口的闭环控制，减缓暂态过程中的能量冲击。

进一步，所述同步控制器通过光纤接口为各所述端口控制器及所有所述模块控制器提供全局同步时钟信号，保证各所述各端口控制器控制算法同步计算、控制指令同步下发以及数据同步有序传递。

进一步，在基于交流汇集母线的多端口电能路由器中，所述全局同步时钟信号为各端口提供移相基准。

进一步，在基于交流汇集母线的电能路由器中，设置有唯一的主电源端口，工作在功率跟随模式，该端口的移相角与所述全局同步时钟一致，作为其它端口的移相基准。

进一步，所述主电源端口首先启动，最后停机。

进一步，当设置的所述唯一的主电源故障时，根据所述全局同步时钟信号和所述各端口的工作模式，及时将另外一个端口的工作模式转为功率跟随，同时将所述另外一个端口的移相角度改为与所述同步时钟一致，即将所述另外一个端口改为主电源端口，实现主电源端口的无缝切换，保证系统的移相基准不丢失。

进一步，所述各端口控制器具有独立的光纤通信接口，可与外部电能路由器端口直接通信，所述同步控制器将全局同步时钟信号引入所述外部电能路由器，实现多台电能路由器同步互联运行，通过有序调节所述多台电能路由器的各端口的功率流向及配额，选择最优能量路由路径，实现所述多端口电能路由器的集群控制。

本发明具有以下的优点：

(1)所提控制系统架构分层明确，上位机和综自系统对系统的运行不起决定性作用，各端口控制器地位相等，系统中没有主机和从机之分。

(2)各端口控制器之间通过互连光纤直接通信，系统运行和保护逻辑由各端口控制器协同控制。相对主从控制方式，数据传输时延减少，控制和保护更加及时，且任意端口离线或故障不影响系统运行，可靠性显著增强。

(3)通过同步控制器向各端口控制器和模块控制器提供统一同步时钟信号，所有控制器在同步时钟下实现全局同步运行。同时，基于同步时钟可配置唯一主电源端口，工作在功率跟随模式，用于实现多端口功率实时平衡，主电源端口移相角与同步时钟一致，作为其它端口的移相基准，特别适用于具有交流汇集母线的多端口EER系统。

(4)通过扩展专用通信接口和同步时钟，可实现多台EER互联运行，提高EER的容量和可靠性，还可改变多台EER各端口的能流路径，提高系统效率，实现EER集群控制。

附图说明

图1为现有技术的基于高频交流汇集母线的四端口电能路由器拓扑示意图；

图2为现有技术的基于公共直流母线的四端口电能路由器拓扑示意图；

图3为现有技术的四端口电能路由器集群系统；

图4为现有技术的电能路由器分布式控制系统架构；

图5为本发明的一种多端口电能路由器控制系统架构。

具体实施方式

本发明提出一种多端口电能路由器(EER)控制系统，其可适用于如图1和图2所示的具有交流汇集母线或公共直流母线的EER结构。本发明提出的系统兼具EER集群控制能力，克服传统控制系统的缺陷，提高EER系统可靠性。如图5所示，为本发明提出的一种多端口EER控制系统，其为三层控制系统结构，第一层为模块控制器部分，第二层是端口控制器部分，第三层是上位机、综自系统和网络交换机组成的部分。下面分别进行详细的说明。

第一层的模块控制器部分，电能路由器系统采用模块化设计，各模块内部配置有模块控制器，用于接收端口控制器的控制指令，对模块内部的功率管进行控制。同时，检测模块内部驱动板的故障状态及实时运行参数等信息上报给端口控制器。若检测到模块故障，则及时闭锁该模块，实现模块的故障保护功能。

第二层的端口控制器部分，每个端口设有一个端口控制器(KZQ1～KZQ4)，采用插装式结构，内含主控插件、光纤插件、信号采样插件、I/O插件和电源插件，各插件通过并行总线相连。端口控制器通过光纤连接到每个模块控制器，通过以太网口连接网络交换机用于与上位机进行信息交互。主控插件中的主控DSP作为整个端口的控制核心，通过运行核心控制策略、并控制内部的各类插件完成对电能路由器所有端口的控制。

第三层的上位机、综自系统和网络交换机组成的部分，每个端口控制器通过网线接入网络交换机，上位机和综自系统处于并列关系，各自通过网络交换机与各端口进行数据交互，实现参数配置、监视和控保等功能。

各端口控制器之间采用光纤互连，用于实现系统分散控制。在图5所示的控制系统中，综自系统和上位机处于并列关系，且都不是整个控制系统中的主机，上位机出现故障或数据通信中断，不会影响系统运行。综自系统具备“监视”和“控保”两项功能，主要用于上层调度系统对本装置的数据监测、以及电能路由器各端口的并/离网控制。上位机具备“四摇”功能，手动模式下，用于系统调试，自动模式下，主要用于监控系统运行。通过上位机下发控制指令，主要包括“启动”和“停机”，这两条指令会同时下发到每个端口控制器，但电能路由器各端口启动、停机的次序和流程由端口控制器之间协同确定，不受上位机支配。

端口控制器之间通过光纤两两互连，电能路由器任意一个端口会通过互连光纤将自身的运行状态、故障信息和控制参数告知电能路由器的其它端口。根据电能路由器其它端口的状态可以确定电能路由器本端口的下一个运行状态。例如，上位机向各端口控制器下发启动或停机指令后，依据电能路由器各端口的工作模式、实时状态以及预设的优先级，电能路由器各端口可以实现依次有序启动和停机。根据电能路由器其它端口的故障信息可以判断电能路由器本端口是否需要闭锁脉冲。例如，当本端口发生严重故障时，可通过互连光纤告知其它所有端口闭锁。通过交互控制参数，可以协同多个端口的闭环控制，减缓暂态过程中的能量冲击，提高系统运行的稳定性。

端口控制器之间通过互连光纤交换信息，相互协同运行，没有主机和从机之分，任意电能路由器的端口离线后，不影响电能路由器的其它端口运行。

配置1个同步控制器，用于实现全局同步控制。电能路由器的各个端口由多个模块组成，受同一端口控制器控制，各个模块控制器必须与端口控制器基于相同的时钟才能实现安全运行。基于共低压直流母线的EER中，电能路由器各端口之间通过直流母线耦合，电能路由器端口之间相互独立运行，只需实现电能路由器各端口控制器与本端口内部的模块控制器同步运行即可。但是，对于图1所述的基于交流汇集母线的EER拓扑来说，端口之间必须存在移相角度差才能实现功率的流动和分配，即必须提供一个角度基准，电能路由器各端口基于该基准产生移相角度，从而实现相互协同运行。

如图5所示，在控制系统中，专门配置有1个同步控制器(KZQ5)，提供1路全局同步时钟信号，通过光纤与各端口控制器(KZQ1～KZQ4)及所有模块控制器相连，使各端口控制器及模块控制器在统一的同步时钟下运行，保证各个端口控制器控制算法同步计算、控制指令同步下发以及数据同步有序传递等。

同时，对于图1所述的基于交流汇集母线的EER，电能路由器的多个端口中具有唯一主电源端口，工作在功率跟随模式，用于保证电能路由器多个端口功率实时平衡。该端口的移相角与全局同步时钟一致，作为电能路由器其它端口的移相基准。主电源端口启动优先级最高，应首先启动，为电能路由器其它端口提供移相基准并进行上电；停机时，在电能路由器其它端口均停止运行后，主电源端口才能停机。系统应具备主电源在线切换能力，即当主电源故障时，能根据全局同步时钟信号和电能路由器各端口的工作模式进行主电源端口的无缝切换，保证系统的移相基准不丢失。

通过扩展专用通信接口和同步时钟，用于实现系统集群控制。如图5所示，各端口控制器具有独立的光纤通信接口，用于与外部EER端口进行数据通信。同时，同步控制器(KZQ5)还将同步时钟信号引入外部EER，可实现多台EER同步互联运行，便于扩展电能路由器的容量，提高系统可靠性；通过有序调节多台EER之间各端口的功率流向，选择最优能量路由路径，可提高系统效率，实现EER的集群控制。

多台EER的同类型端口之间可直接通信，有利于减少通信链路延迟，增强集群系统的控制灵活性。而多台EER采用统一同步时钟，可保证EER集群系统内部所有控制器在同一同步时钟下运行，有利于提高系统的稳定性，减缓暂态过程的能量冲击。

以图1所示的四端口电能路由器为例，通过启动、停机、故障处理及主电源自动切换等运行环节阐述本发明所提出的控制系统的应用实施方式。

对于启动操作步骤：

(1)在上位机上点“启动”按钮。

在自动模式下，上位机具备一键启动功能，点“启动”后，上位机以“遥控”数据包将启动命令同时下发到HVAC、HVDC、LVDC和LVAC端口。

(2)各端口控制器中主控插件上的控制器对“遥控”数据包进行解析，提取出“启动”指令。

(3)首先启动主电源端口，并为电能路由器其它端口供电。

各端口控制器中主控插件上的主控制器收到“启动”指令后，先判断本端口是否为主电源端口。若为主电源端口，则按照合端口开关→闭环控制→解锁脉冲的顺序启动本端口工作，直到达到稳态运行后，为其它端口的辅助电源进行供电。若判断本端口不是主电源端口，则将本端口置于等待状态。

(4)电能路由器其它端口依照优先级依次启动。

各端口控制器中主控插件上的主控制器利用相互之间的互连光纤进行控制参数和运行状态信息交换。电能路由器其它端口依据这些信息判断主电源端口已启动成功且本端口已供电后，依照内部约定的启动优先级及电能路由器各端口的在线状态依次启动。电能路由器所有在线端口全部启动成功后，整机启动完成。整个启动过程无需上位机干预，且不受任何其它主机约束，任意非主电源端口离线不影响电能路由器其它端口的启动。

对于停机操作步骤：

(1)在上位机上点“停机”按钮。

在自动模式下，上位机具备一键停机功能，点“停机”后，上位机以“遥控”数据包将停机命令同时下发到HVAC、HVDC、LVDC和LVAC端口。

(2)各端口控制器中主控插件上的控制器对“遥控”数据包进行解析，提取出“停机”指令。

(3)首先按照优先级停止非主电源端口运行。

各端口控制器中主控插件上的主控制器收到“停机”指令后，先判断本端口是否为主电源端口。若为主电源端口，则本端口继续保持运行，同时检测其它端口是否处于停机状态。若为非主电源端口，则按照内部约定的优先级以及接收到的电能路由器其它端口信息依次有序停机。

(4)停止主电源端口运行。

主电源端口检测到电能路由器其它所有端口均停止运行后，才能停止本端口运行。电能路由器所有端口全部停机成功后，整机停机完成。整个停机过程无需上位机干预，且不受任何其它主机约束。

在EER运行过程中，除了整机停机外，上位机也可选择停止电能路由器某个或多个端口运行，和上述停机逻辑一样，电能路由器各个端口都会收到上位机发送的停机信息，电能路由器各端口会依据停机优先级有选择的停止运行，没有被要求停机的电能路由器端口不在停机队列中。

对于故障处理及主电源自动切换：

各端口控制器中主控插件上的主控制器会实时检测本端口的运行状态，主要包括端口内各模块的故障状态、端口故障状态等，若发现异常，会进入故障处理流程。同时，会通过端口控制器之间的互连光纤将故障状态告知电能路由器其它端口。

(1)若本端口为非主电源端口，检测到严重故障时，需要整机停机。

当本端口检测到严重故障时，首先会将本端口闭锁停机，同时，通过互连光纤告知电能路由器其它端口需要整机停机，电能路由器其它端口收到整机停机信息后，会进入停机处理流程。

(2)若本端口为非主电源端口，检测到非严重故障时，立即将本端口闭锁停机即可。

(3)若本端口为主电源端口，检测到严重故障时，需要整机停机。

当本端口检测到严重故障时，首先会将本端口闭锁停机，同时，通过互连光纤告知其它端口需要整机停机，其它端口收到整机停机信息后，会进入停机处理流程。

(4)若本端口为主电源端口，检测到非严重故障时，将本端口闭锁停机，同时，系统进行主电源自动切换。

若主电源端口出现非严重故障，其它端口控制器通过互连光纤获知该信息后，会首先将当前处于“下垂控制”模式的端口转为主电源端口，工作模式改为“有功跟随”，若没有“下垂控制”模式端口，则将“P/Q”模式端口转为主电源端口，工作模式改为“有功跟随”，在端口控制器之间实现主电源端口的自动在线切换，保证系统正常运行。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多端口电能路由器控制系统，包括三层结构，第一层为模块控制器部分；第二层为端口控制器部分；第三层为由网络交换机、上位机和综自系统组成的部分，所述上位机和所述综自系统处于并列关系，各自通过所述网络交换机与各端口控制器进行数据交互；其特征在于：该控制系统还设置有同步控制器，用于实现全局同步控制；所述各端口控制器之间采用光纤互连，用于实现系统分散控制；每个所述端口控制器设置有独立的光纤通信接口，所述同步控制器提供外部同步信号，用于实现系统的集群控制。

2.根据权利要求1所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：所述上位机和所述综自系统只负责监视和控制参数、指令的下发，对所述电能路由器的各个端口的运行逻辑不起约束作用。

3.根据权利要求1所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：通过光纤互连的各所述端口控制器没有主机和从机之分，所述电能路由器任一端口离线后，不影响所述电能路由器其它端口运行；所述电能路由器任一端口通过互连光纤将自身的运行状态、故障信息和控制参数告知所述电能路由器其它端口。

4.根据权利要求3所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：根据所述电能路由器的其它端口的状态可以确定所述电能路由器的任一端口的下一个运行状态，实现多个端口依次有序启动和停机；根据所述电能路由器其它端口的故障信息可以判断所述电能路由器任一端口是否需要闭锁脉冲；通过交互控制参数，可以协同多个端口的闭环控制，减缓暂态过程中的能量冲击。

5.根据权利要求1所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：所述同步控制器通过光纤接口为各所述端口控制器及所有所述模块控制器提供全局同步时钟信号，保证各所述各端口控制器控制算法同步计算、控制指令同步下发以及数据同步有序传递。

6.根据权利要求5所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：在基于交流汇集母线的多端口电能路由器中，所述全局同步时钟信号为各端口提供移相基准。

7.根据权利要求6所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：在基于交流汇集母线的电能路由器中，设置有唯一的主电源端口，工作在功率跟随模式，该端口的移相角与所述全局同步时钟一致，作为其它端口的移相基准。

8.根据权利要求7所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：所述主电源端口首先启动，最后停机。

9.根据权利要求7所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：当设置的所述唯一的主电源故障时，根据所述全局同步时钟信号和所述各端口的工作模式，及时将另外一个端口的工作模式转为功率跟随，同时将所述另外一个端口的移相角度改为与所述同步时钟一致，即将所述另外一个端口改为主电源端口，实现主电源端口的无缝切换。

10.根据权利要求1所述一种多端口电能路由器控制系统，其特征在于：所述各端口控制器具有独立的光纤通信接口，可与外部电能路由器端口直接通信，所述同步控制器将全局同步时钟信号引入所述外部电能路由器，实现多台电能路由器同步互联运行，通过有序调节所述多台电能路由器的各端口的功率流向及配额，选择最优能量路由路径，实现所述多端口电能路由器的集群控制。

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